(57)【要約】【課題】部品点数の増加を抑制しながら、かつ、低コストで水の流量を計測することが可能な水素製造装置を提供する。【解決手段】水素製造装置１０は、改質器１１、バーナ１７、圧力計４０、及び制御部１３を備えている。圧力計４０は、改質器１１に供給される原料ガスの改質器１１の供給側の圧力ＰＲ１Ｇを第１圧力ＰＲ１として計測する。制御部１３は、圧力計４０が計測した第１圧力ＰＲ１（圧力ＰＲ１Ｇ）に基づいて、改質器１１に供給される水の流量Ｖｗを算出する。【選択図】図１
2020090426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を含むガスと水とを原料として、前記水が気化した水蒸気と前記ガスとを触媒の存在下で反応させることにより、水素を含む改質ガスを出力する改質器と、
前記改質器内を昇温するためのバーナと、
前記改質器に供給される前記ガスの前記改質器の供給側の圧力、又は前記改質器に供給される前記水の前記改質器の供給側の圧力を第１圧力として計測する第１圧力計と、
前記第１圧力計が計測した第１圧力に基づいて、前記改質器に供給される前記水の流量を算出する算出部と、
を備えている水素製造装置。
【請求項２】
前記第１圧力をＰＲ１、係数をＡ１、前記水の流量をＶｗとしたときに、
前記算出部は、次式（１）に基づいて、前記水の流量Ｖｗを算出する請求項１に記載の水素製造装置。
Ｖｗ＝ＰＲ１×Ａ１  ・・・・式（１）
【請求項３】
前記改質器の温度を計測する温度計を備えており、
前記算出部は、前記第１圧力の他に、前記温度計が計測した温度をパラメータとして加えて、前記水の流量を算出する請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記第１圧力をＰＲ１、前記温度をＴ、係数をＡ２、前記水の流量をＶｗとしたときに、
前記算出部は、次式（２）に基づいて、前記水の流量Ｖｗを算出する請求項３に記載の水素製造装置。
Ｖｗ＝ＰＲ１×Ｔ×Ａ２  ・・・・式（２）
【請求項５】
前記改質器から出力される前記改質ガスの前記改質器の出力側の圧力を第２圧力として計測する第２圧力計を備えており、
前記算出部は、前記第１圧力の他に、前記第２圧力をパラメータとして加えて、前記水の流量を算出する請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項６】
前記第１圧力をＰＲ１、前記第２圧力をＰＲ２、係数をＡ３、前記水の流量をＶｗとしたときに、
前記算出部は、次式（３）に基づいて、前記水の流量Ｖｗを算出する請求項５に記載の水素製造装置。
Ｖｗ＝（ＰＲ１−ＰＲ２）×Ａ３  ・・・・式（３）
【請求項７】
前記改質器の温度を計測する温度計を備えており、
前記算出部は、前記第１圧力及び前記第２圧力の他に、前記温度計が計測した温度をパラメータとして加えて、前記水の流量を算出する請求項６に記載の水素製造装置。
【請求項８】
前記第１圧力をＰＲ１、前記温度をＴ、係数をＡ４、前記水の流量をＶｗとしたときに、
前記算出部は、次式（４）に基づいて、前記水の流量Ｖｗを算出する請求項７に記載の水素製造装置。
Ｖｗ＝（ＰＲ１−ＰＲ２）×Ｔ×Ａ４  ・・・・式（４）
【請求項９】
前記第１圧力は、前記原料となる前記ガスを前記改質器に供給する原料ガス供給路内の前記ガスの圧力である請求項１から８のいずれか１項に記載の水素製造装置。
【請求項１０】
前記第１圧力は、前記原料となる前記水を前記改質器に供給する水供給路内の前記水の圧力である請求項１から９のいずれか１項に記載の水素製造装置。
【請求項１１】
炭化水素を含むガスと水とを原料として、前記水が気化した水蒸気と前記ガスとを触媒の存在下で反応させることにより、水素を含む改質ガスを出力する改質器と、
前記改質器内を昇温するためのバーナとを備えた水素製造装置の作動方法において、
前記改質器に供給される前記ガスの前記改質器の供給側の圧力、又は前記改質器に供給される前記水の前記改質器の供給側の圧力を第１圧力として計測する第１圧力計から、前記第１圧力を取得する第１圧力取得ステップと、
前記第１圧力取得ステップにおいて取得された前記第１圧力に基づいて、算出部が、前記改質器に供給される前記水の流量を算出する算出ステップと、
を備えている水素製造装置の作動方法。
【請求項１２】
炭化水素を含むガスと水とを原料として、前記水が気化した水蒸気と前記ガスとを触媒の存在下で反応させることにより、水素を含む改質ガスを出力する改質器と、
前記改質器内を昇温するためのバーナとを備えた水素製造装置の作動プログラムにおいて、
前記改質器に供給される前記ガスの前記改質器の供給側の圧力、又は前記改質器に供給される前記水の前記改質器の供給側の圧力を第１圧力として計測する第１圧力計から、前記第１圧力を取得する第１圧力取得ステップと、
前記第１圧力取得ステップにおいて取得された前記第１圧力に基づいて、算出部が、前記改質器に供給される前記水の流量を算出する算出ステップと、
をコンピュータに実現させる作動プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の技術は、水素製造装置、水素製造装置の作動方法及び作動プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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、改質器を有している。改質器は、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触媒の存在下で反応（水蒸気改質反応）させ、水素を含む改質ガスを出力する。改質器には、改質器内を昇温するためのバーナが設けられている。
【０００３】
特許文献１に記載の水素製造装置において、改質器に供給する水の供給路には、水の流量を計測する流量計が設けられている。特許文献１に記載の水素製造装置は、流量計で計測した計測値に基づいて、水の流量を制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１３９１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
水素製造装置において、水は原料となるため、特許文献１に記載されているとおり、水の流量の制御は不可欠である。しかしながら、専用の流量計を設けるのは部品点数の増加することに加えて、流量計はコストが高いという問題がある。
【０００６】
本開示の技術は、部品点数の増加を抑制しながら、かつ、低コストで水の流量を計測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及び作動プログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本開示の水素製造装置は、炭化水素を含むガスと水とを原料として、水が気化した水蒸気とガスとを触媒の存在下で反応させることにより、水素を含む改質ガスを出力する改質器と、改質器内を昇温するためのバーナと、改質器に供給されるガスの改質器の供給側の圧力、又は改質器に供給される水の改質器の供給側の圧力を第１圧力として計測する第１圧力計と、第１圧力計が計測した第１圧力に基づいて、改質器に供給される水の流量を算出する算出部と、を備えている。
【０００８】
第１圧力をＰＲ１、係数をＡ１、水の流量をＶｗとしたときに、算出部は、次式（１）に基づいて、水の流量Ｖｗを算出することが好ましい。
Ｖｗ＝ＰＲ１×Ａ１  ・・・・式（１）
【０００９】
改質器の温度を計測する温度計を備えており、算出部は、第１圧力の他に、温度計が計測した温度をパラメータとして加えて、水の流量を算出することが好ましい。
【００１０】
第１圧力をＰＲ１、温度をＴ、係数をＡ２、水の流量をＶｗとしたときに、算出部は、次式（２）に基づいて、水の流量Ｖｗを算出することが好ましい。
Ｖｗ＝ＰＲ１×Ｔ×Ａ２  ・・・・式（２）
【００１１】
改質器から出力される改質ガスの改質器の出力側の圧力を第２圧力として計測する第２圧力計を備えており、算出部は、第１圧力の他に、第２圧力をパラメータとして加えて、前記水の流量を算出することが好ましい。
【００１２】
第１圧力をＰＲ１、第２圧力をＰＲ２、係数をＡ３、水の流量をＶｗとしたときに、算出部は、次式（３）に基づいて、水の流量Ｖｗを算出することが好ましい。
Ｖｗ＝（ＰＲ１−ＰＲ２）×Ａ３  ・・・・式（３）
【００１３】
改質器の温度を計測する温度計を備えており、算出部は、第１圧力及び第２圧力の他に、温度計が計測した温度をパラメータとして加えて、水の流量を算出することが好ましい。
【００１４】
第１圧力をＰＲ１、温度をＴ、係数をＡ４、水の流量をＶｗとしたときに、算出部は、次式（４）に基づいて、水の流量Ｖｗを算出することが好ましい。
Ｖｗ＝（ＰＲ１−ＰＲ２）×Ｔ×Ａ４  ・・・・式（４）
【００１５】
第１圧力は、原料となるガスを改質器に供給する原料ガス供給路内のガスの圧力であることが好ましい。
【００１６】
第１圧力は、原料となる水を改質器に供給する水供給路内の水の圧力であることが好ましい。
【００１７】
また、本開示の水素製造装置の作動方法は、炭化水素を含むガスと水とを原料として、水が気化した水蒸気とガスとを触媒の存在下で反応させることにより、水素を含む改質ガスを出力する改質器と、改質器内を昇温するためのバーナとを備えた水素製造装置の作動方法において、改質器に供給されるガスの改質器の供給側の圧力、又は改質器に供給される水の改質器の供給側の圧力を第１圧力として計測する第１圧力計から、第１圧力を取得する第１圧力取得ステップと、第１圧力取得ステップにおいて取得された第１圧力に基づいて、算出部が、改質器に供給される水の流量を算出する算出ステップと、を備えている。
【００１８】
また、本開示の水素製造装置の作動プログラムは、炭化水素を含むガスと水とを原料として、水が気化した水蒸気とガスとを触媒の存在下で反応させることにより、水素を含む改質ガスを出力する改質器と、改質器内を昇温するためのバーナとを備えた水素製造装置の作動プログラムにおいて、改質器に供給されるガスの改質器の供給側の圧力、又は改質器に供給される水の改質器の供給側の圧力を第１圧力として計測する第１圧力計から、第１圧力を取得する第１圧力取得ステップと、第１圧力取得ステップにおいて取得された第１圧力に基づいて、算出部が、改質器に供給される水の流量を算出する算出ステップと、をコンピュータに実現させる。
【発明の効果】
【００１９】
本開示の技術によれば、部品点数の増加を抑制しながら、かつ、低コストで水の流量を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】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。
【図２】第１実施形態の制御部の処理を示す図である。
【図３】第１実施形態の変形例に係る水素製造装置の構成を示す図である。
【図４】第２実施形態の制御部の処理を示す図である。
【図５】第３実施形態に係る水素製造装置の構成を示す図である。
【図６】第３実施形態の制御部の処理を示す図である。
【図７】第４実施形態の制御部の処理を示す図である。
【図８】水の流量に基づいて異常監視をする処理を示す図である。
【図９】制御部をＣＰＵで構成する場合の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。改質用水として純水が使用される。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
また、原料ガス供給路３３上には、圧力計４０が配置されている。圧力計４０は、改質器１１に供給される原料ガスの改質器１１の供給側の第１圧力ＰＲ１を計測する。改質器１１の供給側の圧力とは、改質器１１とポンプ３５との間の圧力をいう。圧力計４０は、ポンプ３５の下流側に配置された流量制御部３４と改質器１１の原料ガス供給ポート３１との間に配置されており、原料ガス供給路３３内における、この位置の原料ガスの圧力ＰＲ１Ｇを第１圧力ＰＲ１として、計測する。
【００３３】
圧力計４０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。圧力計４０は、計測した原料ガスの圧力ＰＲ１Ｇを制御部１３に送信する。圧力ＰＲ１Ｇは、第１圧力ＰＲ１の一例であり、圧力計４０は、原料ガスの圧力ＰＲ１Ｇを第１圧力ＰＲ１として計測する第１圧力計の一例である。
【００３４】
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（Ｐｗ）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。
【００３５】
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、改質器１１に供給される水の流量を制御する。
【００３６】
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、公共の水道管や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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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）Ｔ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。温度センサ４３は、改質器１１の温度を計測する温度計の一例である。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
ＰＳＡ装置１２は、吸着剤が充填された吸着塔を有している。吸着剤としては、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ものが使用される。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。
【００４９】
ＰＳＡ装置１２は、例えば、２つの吸着塔を有しており、各吸着塔は、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。
【００５０】
吸着工程を実施する吸着塔には、加圧状態の改質ガスが供給されて、吸着剤によって不純物が分離されて、吸着塔から純度の高い製品水素が流量制御部６２に向けて出力される。一方、脱着工程を実施する吸着塔においては、吸着塔内が減圧されて、吸着剤に吸着された不純物がオフガス供給路６１に向けて送出される。
【００５１】
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。
【００５２】
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（図示せず）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。
【００５３】
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。
【００５４】
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に供給される水の供給量を制御する機能を有している。
【００５５】
制御部１３は、水の流量を算出する流量算出部１３Ａと、流量制御部１３Ｂとを有している。流量算出部１３Ａは、改質器１１の供給側の第１圧力ＰＲ１に基づいて、改質器１１に供給される水の流量を算出する算出部の一例である。より具体的には、流量算出部１３Ａは、水の流量をＶｗ、第１圧力ＰＲ１すると、次式（１）に基づいて、水の流量Ｖｗを算出する。
Ｖｗ＝ＰＲ１×Ａ１    ・・・・（１）
ここで、Ａ１は係数である。第１圧力ＰＲ１の単位はｋＰａであり、流量Ｖｗの単位はｃｃ／ｍｉｎであり、係数Ａ１の単位はｃｃ／（ｍｉｎ・ｋＰａ）である。
【００５６】
本例では、第１圧力ＰＲ１には、圧力計４０から受信する原料ガスの圧力ＰＲ１Ｇが適用される。第１圧力ＰＲ１の一例である原料ガスの圧力ＰＲ１Ｇと、改質器１１に供給される水の流量Ｖｗは比例関係にあり、改質温度Ｔが決まれば、原料ガスの圧力ＰＲ１Ｇから水の流量Ｖｗを計算で求めることができる。改質温度Ｔはほぼ一定に制御されるという前提の下では、改質温度Ｔも既知の値として、圧力ＰＲ１Ｇのみをパラメータとして、流量Ｖｗを算出することができる。係数Ａ１としては、改質温度Ｔを予め設定された値とした場合における、流量Ｖｗと圧力ＰＲ１Ｇとの相関関係、具体的には、流量Ｖｗと圧力ＰＲ１Ｇを変化させながら取得した複数の実測データに基づいて求めた係数Ａ１Ｇが使用される。係数Ａ１Ｇの具体的な値としては、例えば約１．６である。
【００５７】
流量制御部１３Ｂは、流量算出部１３Ａが算出した水の流量Ｖｗに基づいて、予め目標値として設定された適切な量の水が改質器１１に供給されるように、ポンプ（Ｐｗ）３７を制御する。具体的には、ポンプ３７の駆動電圧及び駆動電流の値を含む制御信号をポンプ３７に送信して、ポンプ３７の回転数及び駆動時間を制御する。これにより、改質器１１に対する水の供給量が制御される。
【００５８】
以下、上記構成による作用を説明する。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。
【００５９】
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。
【００６０】
図２に示すように、水素製造装置１０が稼働している間、制御部１３には、圧力計４０から原料ガスの圧力ＰＲ１Ｇが送信される。これにより、制御部１３は、圧力計４０から圧力ＰＲ１Ｇを取得する。制御部１３において、流量算出部１３Ａは、受信した圧力ＰＲ１Ｇを第１圧力ＰＲ１として、式（１）に適用して、水の流量Ｖｗを算出する。
【００６１】
このように、流量算出部１３Ａは、圧力ＰＲ１Ｇに基づいて水の流量Ｖｗを算出することができる。そのため、水の流量Ｖｗを計測するための専用の流量計を設ける必要がない。圧力計４０は、流量計と比較してコストが安い。そのため、本開示の技術によれば、部品点数の増加を抑制しながら、かつ、低コストで水の流量Ｖｗを計測することができる。
【００６２】
流量制御部１３Ｂは、算出した流量Ｖｗに基づいて、改質器１１に供給する水の供給量が目標値になるように、ポンプ（Ｐｗ）３７を制御する。
【００６３】
これにより、例えば、改質器１１内に供給される原料ガスと水の供給割合が適切に制御されて、水蒸気改質反応が適切な状態で進む。また、改質器１１から出力される改質ガスに含まれる成分割合も適切な値となる。
【００６４】
上記例において、圧力計４０を流量制御部３４の後段に配置したが、圧力計４０は、できるだけ改質器１１の直前に配置することが好ましい。図１において図示は省略しているが、実際には、原料ガス供給路３３上には、流量制御部３４以外にも、都市ガス等に含まれる硫黄分を除去する脱硫器、及び原料ガスの逆流を防止する逆止弁などが配置されている。圧力計４０は、脱硫器及び逆止弁の後段の改質器１１の近くに配置されることが好ましい。
【００６５】
（第１圧力の変形例）
上記例では、第１圧力ＰＲ１として、原料ガスの圧力ＰＲ１Ｇを使用する例で説明したが、第１圧力ＰＲ１としては、水の圧力ＰＲ１Ｗを使用してもよい。水の圧力ＰＲ１Ｗは、具体的には、図３に示すように、水供給路３９上に配置された圧力計７１によって計測される圧力であって、改質器１１に供給される水の改質器１１の供給側の圧力である。改質器１１の供給側の圧力とは、改質器１１とポンプ３７との間の圧力をいう。
【００６６】
圧力計７１は、ポンプ３７と水供給ポート３２との間に配置されており、水供給路３９内における、この位置の水の圧力を計測する。圧力計７１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。圧力計７１は、計測した水の圧力ＰＲ１Ｗを制御部１３に送信する。圧力計７１は、水の圧力を第１圧力として計測する第１圧力計の一例である。
【００６７】
水の流量Ｖｗの算出式は、式（１）が使用される。なお、係数Ａ１としては、上記例の係数Ａ１Ｇの代わりに、水の流量Ｖｗと水の圧力ＰＲ１Ｗとの相関関係によって求めた係数Ａ１Ｗが使用される。係数Ａ１Ｗの具体的な値としては、例えば約１．０である。
【００６８】
［第２実施形態］
第１実施形態においては、改質温度Ｔを一定として、第１圧力ＰＲ１のみをパラメータとして水の流量Ｖｗを算出しているが、図３に示す第２実施形態のように、第１圧力ＰＲ１の他に、改質温度Ｔをパラメータとして加えて、水の流量Ｖｗを算出してもよい。第２実施形態の構成は、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。この場合には、流量Ｖｗは、次式（２）に基づいて算出される。
Ｖｗ＝ＰＲ１×Ｔ×Ａ２    ・・・・（２）
ここで、Ａ２は係数である。第１圧力ＰＲ１の単位はｋＰａであり、Ｔの単位は℃であり、流量Ｖｗの単位はｃｃ／ｍｉｎであり、係数Ａ２の単位はｃｃ／（ｍｉｎ・ｋＰａ）である。
【００６９】
係数Ａ２は、流量Ｖｗ、圧力ＰＲ１、及び改質温度Ｔの相関関係、具体的には、流量Ｖｗ、第１圧力ＰＲ１（圧力ＰＲ１Ｇ）、及び改質温度Ｔを変化させながら取得した複数の実測データに基づいて求められる。
【００７０】
［第３実施形態］
図５及び図６に示す第３実施形態に係る水素製造装置１０は、改質器１１の供給側の第１圧力ＰＲ１と、改質器１１の出力側の第２圧力ＰＲ２とに基づいて水の流量Ｖｗを算出する。図５に示すように、第３実施形態に係る水素製造装置１０は、改質器１１の後段において、改質ガス供給路４８に配置されるバッファタンク５２には、圧力計７６が設けられている。圧力計７６は、バッファタンク５２内の改質ガスの圧力を監視するために設けられている。
【００７１】
制御部１３は、圧力計７６が計測する、バッファタンク５２内の改質ガスの圧力ＰＲ２Ｇを第２圧力ＰＲ２として利用する。圧力計７６は、改質器１１から出力される改質ガスの改質器の出力側の第２圧力ＰＲ２を計測する第２圧力計の一例である。
【００７２】
圧力計７６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。圧力計７６は、計測した改質ガスの圧力ＰＲ２Ｇを第２圧力ＰＲ２として制御部１３に送信する。流量算出部１３Ａは、流量Ｖｗを、次式（３）に基づいて算出する。
Ｖｗ＝（ＰＲ１−ＰＲ２）×Ａ３    ・・・・（３）
ここで、Ａ３は係数である。第１圧力ＰＲ１及び第２圧力ＰＲ２の単位はｋＰａであり、Ｔの単位は℃であり、流量Ｖｗの単位はｃｃ／ｍｉｎであり、係数Ａ３の単位はｃｃ／（ｍｉｎ・ｋＰａ）である。
【００７３】
係数Ａ３は、流量Ｖｗ、第１圧力ＰＲ１、及び第２圧力ＰＲ２の相関関係、具体的には、流量Ｖｗ、第１圧力ＰＲ１（圧力ＰＲ１Ｇ）、及び第２圧力ＰＲ２（圧力ＰＲ２Ｇ）を変化させながら取得した複数の実測データに基づいて求められる。
【００７４】
第３実施形態は、改質器１１の供給側と出力側の圧力差に基づいて水の流量Ｖｗを算出するため、第１実施形態と比較して、より正確に流量Ｖｗを算出することができる。
【００７５】
なお、第２圧力計は、改質器１１と圧縮機５３との間に配置されていればよい。本例では、バッファタンク５２の圧力計７６を第２圧力計として使用したが、上述のとおり、バッファタンク５２には、バッファタンク５２内の圧力監視用に圧力計７６が標準で設けられている場合が多い。そのため、本例では、バッファタンク５２に設けられる標準の装備品を第２圧力計として兼用できるため、部品点数及びコストの増加を抑制できる。
【００７６】
なお、より高い算出精度を求める場合には、改質ガス供給路４８において、改質器１１により近い位置の圧力を第２圧力ＰＲ２として測定することが好ましい。そのため、算出精度をより重視する場合は、出力ポート４７と昇圧前分離部５１との間など、改質器１１により近い位置に、第２圧力計を設けてもよい。
【００７７】
［第４実施形態］
図７に示す第４実施形態は、第２実施形態と第３実施形態を組み合わせた形態である。すなわち、第１圧力ＰＲ１、第２圧力ＰＲ２、及び改質温度Ｔの３つをパラメータとして水の流量Ｖｗを算出する例である。第４実施形態では、流量Ｖｗは、次式（４）に基づいて算出される。
Ｖｗ＝（ＰＲ１−ＰＲ２）×Ｔ×Ａ４    ・・・・（４）
ここで、Ａ４は係数である。第１圧力ＰＲ１及び第２圧力ＰＲ２の単位はｋＰａであり、Ｔの単位は℃であり、流量Ｖｗの単位はｃｃ／ｍｉｎであり、係数Ａ４の単位はｃｃ／（ｍｉｎ・ｋＰａ）である。
【００７８】
係数Ａ４は、流量Ｖｗ、第１圧力ＰＲ１、第２圧力ＰＲ２、及び改質温度Ｔの相関関係、具体的には、流量Ｖｗ、第１圧力ＰＲ１（圧力ＰＲ１Ｇ）、第２圧力ＰＲ２（圧力ＰＲ２Ｇ）、及び改質温度Ｔを変化させながら取得した複数の実測データに基づいて求められる。
【００７９】
［第５実施形態］
上記各実施形態では、流量算出部１３Ａが算出した水の流量Ｖｗを、改質器１１に供給する水の供給量を制御するために使用する例で説明したが、図８に示すように、水の流量Ｖｗを、水の供給量を制御する以外の用途に使用してもよい。
【００８０】
図８において、制御部１３には、流量算出部１３Ａの他に、異常監視部１３Ｃが設けられている。異常監視部１３Ｃは、流量算出部１３Ａが算出した水の流量Ｖｗに基づいて、改質器１１に供給される原料ガスと水の供給割合が予め設定された範囲内に維持されているか否かを監視し、異常が発生した場合には、警告する。
【００８１】
例えば、改質器１１に対する、水の供給量と原料ガスの供給量の比（原料ガス／水）が、一定の範囲を下回ると、改質触媒上に炭素が析出して、改質触媒が劣化してしまうというリスクがある。水素製造装置１０においては、このようなリスクの検知、予防又は回避をするために、水の流量を監視する必要がある。本例によれば、部品点数及びコストを抑制しながら、こうした異常監視が可能となる。
【００８２】
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、第１圧力計として、原料ガスの圧力ＰＲ１Ｇを計測する圧力計４０（図１参照）と、水の圧力ＰＲ２Ｇを計測する圧力計７１（図３参照）とを両方設けてもよい。両方を設けることで、例えば、どちらのかの圧力計が故障しても、水の流量Ｖｗの監視を行うことができるというメリットがある。
【００８３】
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Ｔ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Ｔ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Ｔ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。
【００８４】
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、水素製造装置の作動方法、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。
【００８５】
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９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４、及び図６から図８などに示す処理が実現される。
【符号の説明】
【００８６】
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
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
６２    流量制御部
６３    排出路
６６    オフガスタンク
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
ＰＲ１  第１圧力
ＰＲ２  第２圧力
Ｔ     改質温度
【図１】
2020090426.tif 000003
【図２】
2020090426.tif 000004
【図３】
2020090426.tif 000005
【図４】
2020090426.tif 000006
【図５】
2020090426.tif 000007
【図６】
2020090426.tif 000008
【図７】
2020090426.tif 000009
【図８】
2020090426.tif 000010
【図９】
2020090426.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成31年4月15日(2019.4.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を含むガスと水とを原料として、前記水が気化した水蒸気と前記ガスとを触媒の存在下で反応させることにより、水素を含む改質ガスを出力する改質器と、
前記改質器内を昇温するためのバーナと、
前記改質器に供給される前記ガスの前記改質器の供給側の圧力、又は前記改質器に供給される前記水の前記改質器の供給側の圧力を第１圧力として計測する第１圧力計と、
前記第１圧力計が計測した第１圧力に基づいて、前記改質器に供給される前記水の流量を算出する算出部と、を備えており、
前記算出部は、少なくとも前記水の流量及び前記第１圧力の複数の実測データに基づいて求めた係数を用いて、前記水の流量を算出する水素製造装置。
【請求項２】
前記第１圧力をＰＲ１、ＰＲ１の単位をｋＰａ、前記水の流量をＶｗ、Ｖｗの単位をｃｃ／ｍｉｎ、係数をＡ１、Ａ１の単位をｃｃ／（ｍｉｎ・ｋＰａ）としたときに、
前記算出部は、次式（１）に基づいて、前記水の流量Ｖｗを算出する請求項１に記載の水素製造装置。
Ｖｗ＝ＰＲ１×Ａ１  ・・・・式（１）
【請求項３】
前記改質器の温度を計測する温度計を備えており、
前記算出部は、前記第１圧力の他に、前記温度計が計測した温度をパラメータとして加えて、前記水の流量を算出する請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記第１圧力をＰＲ１、ＰＲ１の単位をｋＰａ、前記温度をＴ、単位を℃、前記水の流量をＶｗ、Ｖｗの単位をｃｃ／ｍｉｎ、係数をＡ２、Ａ２の単位をｃｃ／（ｍｉｎ・ｋＰａ・℃）としたときに、
前記算出部は、次式（２）に基づいて、前記水の流量Ｖｗを算出する請求項３に記載の水素製造装置。
Ｖｗ＝ＰＲ１×Ｔ×Ａ２  ・・・・式（２）
【請求項５】
前記改質器から出力される前記改質ガスの前記改質器の出力側の圧力を第２圧力として計測する第２圧力計を備えており、
前記算出部は、前記第１圧力の他に、前記第２圧力をパラメータとして加えて、前記水の流量を算出する請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項６】
前記第１圧力をＰＲ１、ＰＲ１の単位をｋＰａ、前記第２圧力をＰＲ２、ＰＲ２の単位をｋＰａ、前記水の流量をＶｗ、Ｖｗの単位をｃｃ／ｍｉｎ、係数をＡ３、Ａ３の単位をｃｃ／（ｍｉｎ・ｋＰａ）としたときに、
前記算出部は、次式（３）に基づいて、前記水の流量Ｖｗを算出する請求項５に記載の水素製造装置。
Ｖｗ＝（ＰＲ１−ＰＲ２）×Ａ３  ・・・・式（３）
【請求項７】
前記改質器の温度を計測する温度計を備えており、
前記算出部は、前記第１圧力及び前記第２圧力の他に、前記温度計が計測した温度をパラメータとして加えて、前記水の流量を算出する請求項５に記載の水素製造装置。
【請求項８】
前記第１圧力をＰＲ１、ＰＲ１の単位をｋＰａ、前記温度をＴ、Ｔの単位を℃、前記第２圧力をＰＲ２、ＰＲ２の単位をｋＰａ、前記水の流量をＶｗ、Ｖｗの単位をｃｃ／ｍｉｎ、係数をＡ４、Ａ４の単位をｃｃ／（ｍｉｎ・ｋＰａ・℃）としたときに、
前記算出部は、次式（４）に基づいて、前記水の流量Ｖｗを算出する請求項７に記載の水素製造装置。
Ｖｗ＝（ＰＲ１−ＰＲ２）×Ｔ×Ａ４  ・・・・式（４）
【請求項９】
前記第１圧力は、前記原料となる前記ガスを前記改質器に供給する原料ガス供給路内の前記ガスの圧力である請求項１から８のいずれか１項に記載の水素製造装置。
【請求項１０】
前記第１圧力は、前記原料となる前記水を前記改質器に供給する水供給路内の前記水の圧力である請求項１から９のいずれか１項に記載の水素製造装置。
【請求項１１】
炭化水素を含むガスと水とを原料として、前記水が気化した水蒸気と前記ガスとを触媒の存在下で反応させることにより、水素を含む改質ガスを出力する改質器と、
前記改質器内を昇温するためのバーナとを備えた水素製造装置の作動方法において、
前記改質器に供給される前記ガスの前記改質器の供給側の圧力、又は前記改質器に供給される前記水の前記改質器の供給側の圧力を第１圧力として計測する第１圧力計から、前記第１圧力を取得する第１圧力取得ステップと、
前記第１圧力取得ステップにおいて取得された前記第１圧力に基づいて、算出部が、前記改質器に供給される前記水の流量を算出する算出ステップと、を備えており、
前記算出ステップにおいては、少なくとも前記水の流量及び前記第１圧力の複数の実測データに基づいて求めた係数を用いて、前記水の流量を算出する水素製造装置の作動方法。
【請求項１２】
炭化水素を含むガスと水とを原料として、前記水が気化した水蒸気と前記ガスとを触媒の存在下で反応させることにより、水素を含む改質ガスを出力する改質器と、
前記改質器内を昇温するためのバーナとを備えた水素製造装置の作動プログラムにおいて、
前記改質器に供給される前記ガスの前記改質器の供給側の圧力、又は前記改質器に供給される前記水の前記改質器の供給側の圧力を第１圧力として計測する第１圧力計から、前記第１圧力を取得する第１圧力取得ステップと、
前記第１圧力取得ステップにおいて取得された前記第１圧力に基づいて、算出部が、前記改質器に供給される前記水の流量を算出する算出ステップと、
をコンピュータに実現させる作動プログラムであって、
前記算出ステップにおいては、少なくとも前記水の流量及び前記第１圧力の複数の実測データに基づいて求めた係数を用いて、前記水の流量を算出する作動プログラム。