(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系原料を含む混合原料を加熱して気化するための気化器と、
上記炭化水素系原料の改質反応により、上記気化された混合原料から、水素を含有する改質ガスを生じさせるための改質反応器と、
吸着剤が充填された吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、吸着塔に上記改質ガスを導入して当該改質ガス中の不要成分を上記吸着剤に吸着させて当該吸着塔から水素富化ガスを導出するための吸着工程と、上記吸着剤から上記不要成分を脱着させて吸着塔内に残存する水素と当該不要成分とを含むオフガスを当該吸着塔から排出するための脱着工程とを少なくとも含むサイクルを上記吸着塔で繰り返し行うように構成された圧力変動吸着式ガス分離装置と、
上記吸着塔から排出されるオフガスを上記混合原料を加熱するための燃料として上記気化器に供給するためのオフガス供給配管と、
上記オフガス供給配管に設けられ、上記吸着塔から排出されるオフガスを一旦収容するためのバッファタンクと、
上記バッファタンクを経て上記気化器に供給されるオフガスの流量を制御するための流量制御ユニットと、を備える水素製造システムにおけるオフガスの流量制御方法であって、
上記圧力変動吸着式ガス分離装置の負荷変動に伴って先行サイクルから後行サイクルにかけてサイクルタイムを変更する際に、上記バッファタンクから上記気化器に供給されるオフガスの流量を、変更されたサイクルタイムの少なくとも一部の区間において上記流量制御ユニットによって経時的に連続して変化させる、オフガスの流量制御方法。
【請求項２】
上記先行サイクルは、上記バッファタンクからのオフガスの流量を一定に維持する維持期間と当該オフガスの流量を直線的に変化させる後行変化期間とを含んでおり、
上記後行サイクルは、上記バッファタンクからのオフガスの流量を直線的に変化させる先行変化期間と当該オフガスの流量を一定に維持する維持期間とを含んで構成されており、
上記先行サイクルの上記後行変化期間の長さと上記後行サイクルの上記先行変化期間の長さとが同一とされ、かつ、これら２つの変化期間における上記バッファタンクからのオフガスの流量の変化率が一定になるとともに、
上記後行サイクルの先行変化期間終了時における上記バッファタンクからのオフガスの流量と、上記後行サイクルにおいて上記吸着塔から排出されるオフガスの平均流量とが同一とされている、請求項１に記載のオフガスの流量制御方法。
【請求項３】
上記後行サイクルのサイクルタイムが上記先行サイクルのサイクルタイムに対して短縮される場合には、上記先行サイクルの上記後行変化期間の長さは、上記後行サイクルのサイクルタイムの半分とされている、請求項２に記載のオフガスの流量制御方法。
【請求項４】
上記後行サイクルのサイクルタイムが上記先行サイクルのサイクルタイムに対して延長される場合には、上記後行サイクルの上記先行変化期間の長さは、上記先行サイクルのサイクルタイムの半分とされている、請求項２に記載のオフガスの流量制御方法。
【請求項５】
圧力変動吸着式ガス分離法により、難吸着成分である第１成分と易吸着成分である第２成分を含む原料ガスから、上記第１成分ガスを目的ガスとして取り出すための吸着工程と、上記第２成分ガスと上記第１成分ガスとを含むオフガスを取り出すための脱着工程とを含むサイクルを繰り返し行うように構成された圧力変動吸着式ガス分離装置と、
オフガスを消費するためのオフガス消費ユニットと、
上記圧力変動吸着式ガス分離装置から取り出されるオフガスを上記オフガス消費ユニットに供給するためのオフガス供給配管と、
上記オフガス供給配管に設けられ、上記圧力変動吸着式ガス分離装置から取り出されるオフガスを一旦収容するためのバッファタンクと、
上記バッファタンクを経て上記オフガス消費ユニットに供給されるオフガスの流量を制御するための流量制御ユニットと、を備えるシステムにおけるオフガスの流量制御方法であって、
上記圧力変動吸着式ガス分離装置の負荷変動に伴って先行サイクルから後行サイクルにかけてサイクルタイムを変更する際に、上記バッファタンクから上記オフガス消費ユニットに供給されるオフガスの流量を、変更されたサイクルタイムの少なくとも一部の区間において上記流量制御ユニットによって経時的に連続して変化させる、オフガスの流量制御方法。
【請求項６】
炭化水素系原料を含む混合原料を加熱して気化するための気化器と、
上記炭化水素系原料の改質反応により、上記気化された混合原料から、水素を含有する改質ガスを生じさせるための改質反応器と、
吸着剤が充填された吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、吸着塔に上記改質ガスを導入して当該改質ガス中の不要成分を上記吸着剤に吸着させて当該吸着塔から水素富化ガスを導出するための吸着工程と、上記吸着剤から上記不要成分を脱着させて吸着塔内に残存する水素と当該不要成分とを含むオフガスを当該吸着塔から排出するための脱着工程とを少なくとも含むサイクルを上記吸着塔で繰り返し行うように構成された圧力変動吸着式ガス分離装置と、
上記吸着塔から排出されるオフガスを上記混合原料を加熱するための燃料として上記気化器に供給するためのオフガス供給配管と、
上記オフガス供給配管に設けられ、上記吸着塔から排出されるオフガスを一旦収容するためのバッファタンクと、
上記バッファタンクを経て上記気化器に供給されるオフガスの流量を制御するための流量制御ユニットと、を備える水素製造システムであって、
上記流量制御ユニットは、上記圧力変動吸着式ガス分離装置の負荷変動に伴って先行サイクルから後行サイクルにかけてサイクルタイムを変更する際に、上記バッファタンクから上記気化器に供給されるオフガスの流量を、変更されたサイクルタイムの少なくとも一部の区間において経時的に連続して変化させるように構成されている、水素製造システム。
【請求項７】
上記先行サイクルは、上記バッファタンクからのオフガスの流量を一定に維持する維持期間と当該オフガスの流量を直線的に変化させる後行変化期間とを含んでおり、
上記後行サイクルは、上記バッファタンクからのオフガスの流量を直線的に変化させる先行変化期間と当該オフガスの流量を一定に維持する維持期間とを含んで構成されており、
上記先行サイクルの上記後行変化期間の長さと上記後行サイクルの上記先行変化期間の長さとが同一とされ、かつ、これら２つの変化期間における上記バッファタンクからのオフガスの流量の変化率が一定になるとともに、上記後行サイクルの先行変化期間終了時における上記バッファタンクからのオフガスの流量と、上記後行サイクルにおいて上記吸着塔から排出されるオフガスの平均流量とが同一となるように上記流量制御ユニットは動作するように構成されている、請求項６に記載の水素製造システム。
【請求項８】
上記後行サイクルのサイクルタイムが上記先行サイクルのサイクルタイムに対して短縮される場合には、上記先行サイクルの上記後行変化期間の長さが、上記後行サイクルのサイクルタイムの半分となるように上記流量制御ユニットは動作する、請求項７に記載の水素製造システム。
【請求項９】
上記後行サイクルのサイクルタイムが上記先行サイクルのサイクルタイムに対して延長される場合には、上記後行サイクルの上記先行変化期間の長さが、上記先行サイクルのサイクルタイムの半分となるように上記流量制御ユニットは動作する、請求項７に記載の水素製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素系原料から水素を工業的に製造するための水素製造システムに関する。さらに、本発明は、かかる水素製造システムにおけるオフガスの流量制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素（高純度水素）は、金属熱処理、ガラス溶融、半導体製造、光ファイバー製造など多くの産業分野で利用されている。また、水素は、燃料電池の燃料としても使用される。
【０００３】
水素を工業的に製造するための水素製造システムとしては、例えば、下記の特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載されている水素製造システムは、気化器と、改質反応器と、圧力変動吸着式ガス分離装置とを具備する。気化器は、メタノールや天然ガスなどの炭化水素系原料、水、および酸素を含む混合原料を、改質反応器に供給する前に加熱して気化する。気化器においては、燃料の燃焼により生じる高温の燃焼ガスを熱源として、気化器内を通流する混合原料が所定の温度に加熱される。改質反応器は、気化された混合原料を改質反応させて改質ガス（水素を含む）を生じさせる。改質反応器においては、改質触媒の作用により、吸熱反応である水蒸気改質反応（炭化水素系原料と水から主生成物として水素が発生）と発熱反応である部分酸化改質反応（炭化水素系原料と酸素から主生成物として水素が発生）とが併発する。混合原料の組成を調整して水蒸気改質反応による吸熱量と部分酸化改質反応による発熱量とをバランスさせることにより、改質反応器内の反応温度が略一定に維持されるオートサーマル改質反応が進行する。
【０００４】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００６／００６４７９号パンフレット
【０００５】
圧力変動吸着式ガス分離装置は、改質ガス中に含まれる水素以外の不要成分を吸着除去して製品ガスとしての水素富化ガスを導出するものであり、改質ガス中の不要成分を優先的に吸着するための吸着剤が充填された吸着塔を備える。圧力変動吸着式ガス分離装置においては、圧力変動吸着式ガス分離法（ＰＳＡ分離法）によるガス分離が実行される。ＰＳＡ分離法によるガス分離では、吸着塔において、例えば、吸着工程、脱着工程および再生工程を含むサイクルが繰り返して実行される。吸着工程では、吸着塔に改質ガスを導入して当該改質ガス中の不要成分を加圧条件下で吸着させ、当該吸着塔から水素富化ガスを導出する。脱着工程では、吸着塔内を減圧して吸着剤から不要成分を脱着させ、塔内に残存する水素と当該不要成分とを含むガス（オフガス）を吸着塔から排出する。再生工程では、例えば洗浄ガスが吸着塔内に通流されることにより、不要成分に対する吸着剤の吸着性能が回復される。改質反応器および圧力変動吸着式ガス分離装置の負荷が一定である定常稼動時においては、一般的に１サイクルが実行される時間（サイクルタイム）は一定とされている。
【０００６】
上記吸着塔から排出されたオフガスは、配管を介して気化器に供給され、当該オフガスに含まれる水素ガスが混合原料の気化用燃料として消費される。ＰＳＡ分離法の特性上、吸着塔から排出されるオフガスは、ガス量やガス濃度の経時変化が大きい。上述のように吸着塔にて水素以外の不要成分を吸着除去する場合には、脱着工程初期においては、吸着塔から排出されるオフガスの量（流量）が比較的に多く、当該オフガス中の水素濃度も比較的に高い。一方、脱着工程における時間の経過とともに、吸着塔から排出されるオフガスの量は減少し、当該オフガス中の水素濃度も低下する。また、ＰＳＡ分離法では、吸着塔における運転サイクルの関係上、オフガスを連続的に排出させることができない場合もある。したがって、吸着塔から排出されるオフガスが配管を通じてそのまま気化器に供給され続けると、気化器に供給されるオフガス中の水素ガスの量は、経時的に比較的大きく変動し、その結果、気化器での燃焼状態が不安定となってしまう。
【０００７】
そこで、このような気化器に供給されるオフガスないし水素ガスの量の変動を抑制して気化器での燃焼状態の安定化を図るために、圧力変動吸着式ガス分離装置と気化器とを繋ぐ配管の途中に比較的大きな容量を有するバッファタンクが設けられる場合がある。バッファタンクが設けられる場合、吸着塔から排出されるオフガスがバッファタンク内に一旦収容される。バッファタンク内では、オフガス中の水素濃度が平均化され、略一定の水素濃度のオフガスがバッファタンクから導出される。バッファタンクの下流側には、気化器に供給されるオフガスの流量を調整するための流量制御弁が設けられる。
【０００８】
このような水素製造システムでは、改質反応器および圧力変動吸着式ガス分離装置の負荷が一定である定常稼動時において、気化器ないし改質反応器には混合原料が一定の供給量（単位時間あたりの供給量）で供給される。一方、気化器に供給されるオフガスの制御としては、バッファタンクに流入するオフガスの平均流量と、バッファタンクから導出されるオフガスの流量とが略同一となるように、流量制御弁が所定の開口度に固定設定される。これにより、気化器では、略一定流量の気化用燃料がオフガスにより賄われ、安定した燃焼状態が維持される。また、改質反応器では、上述のように当該反応器内で進行する水蒸気改質反応および部分酸化改質反応の比率を調整することにより、改質反応器内が所定温度に調整されている。このように、上記の水素製造システムは、その定常稼動時において、システム稼動に伴う自己供給熱のみにより、混合原料を加熱気化し続けるとともに改質反応器内が所定温度に維持される。
【０００９】
ところで、上記の水素製造システムの定常稼動時において、製品ガスとしての水素富化ガスの生産量を変更する場合には、改質反応器および圧力変動吸着式ガス分離装置の負荷を変更する必要がある。例えば、水素富化ガスの生産量を増やす場合には、改質反応器および圧力変動吸着式ガス分離装置の負荷を、負荷変更後の定常稼動状態に至るまで徐々に増大させる必要があり、気化器ないし改質反応器に供給される混合原料の供給量は、連続的に増加させられる。これにより、改質反応器を経て圧力変動吸着式ガス分離装置に供給される改質ガスの量（流量）も連続的に増加するので、圧力変動吸着式ガス分離装置の稼動条件を変更する必要がある。圧力変動吸着式ガス分離装置は、上述のように吸着工程、脱着工程および再生工程を含むサイクルが繰り返されるように構成されている。したがって、１つのサイクルについては各工程が所定のタイムチャートに沿って実行され、当該サイクルは、所定のサイクルタイムにて実行される。負荷変更後の次のサイクルでは、圧力変動吸着式ガス分離装置に供給される改質ガスの流量が増加しているが、吸着塔での吸着剤による不要成分の保持能力（容量）が略一定であるので、当該改質ガスの流量の増加分に見合うだけサイクルタイムを短縮させる必要がある。これを繰り返すことにより、圧力変動吸着式ガス分離装置におけるサイクルタイムは、負荷変更後の定常稼動状態に到達するまで各サイクルごとに順次短縮させられる。
【００１０】
負荷増加があった場合、気化器に供給されるオフガスの従来の制御では、圧力変動吸着式ガス分離装置の運転サイクルに同期して、気化器に供給されるオフガスの流量を段階的に増加させていた。具体的には、１サイクルの間にバッファタンクに流入するオフガス量（別言すれば、当該１サイクルにおけるバッファタンクへ流入するオフガスの平均流量）と、当該１サイクルの間にバッファタンクから流出するオフガス量（別言すれば、当該１サイクルにおけるバッファタンクから流出するオフガスの流量）とが等しくなるように、圧力変動吸着式ガス分離装置でのサイクルの切り替えと同期してバッファタンクの下流側の流量制御弁の開口度を段階的に増加させる。このような制御によれば、製品ガス（水素富化ガス）の生産量を増やす場合においても、バッファタンクに流入するオフガス量およびバッファタンクから流出するオフガス量のマテリアルバランスを一致させることができ、バッファタンク内の圧力が極端に低下する、或は、上昇するといった不具合は発生しない。
【００１１】
しかしながら、このような制御では、気化器に供給される混合原料の供給量およびオフガスの流量について着目すると、混合原料の供給量は連続的に増加するのに対し、オフガスの流量は段階的（即ち、不連続的）に増加する。このようなオフガス流量の段階的な変化は、気化器における燃焼状態の段階的な変化をきたし、その結果、気化される混合原料の量が不連続的に増加する可能性がある。この場合、改質反応器では改質反応が円滑に進行せずに、水素製造システム全体の稼動に影響を及ぼす虞がある。即ち、製品ガスの生産量を増やす際に、水素製造システムが円滑に稼動しないという不都合を生じる虞がある。このような問題は、製品ガスの生産量を減らす場合においても生じるものであり、また、水素製造システムの稼動開始時や稼動停止時においても生じ得るものである。
【発明の開示】
【００１２】
本発明は、このような事情の下で考え出されたものであって、改質ガスを精製して水素富化ガスを得るための圧力変動吸着式ガス分離装置から排出されるオフガスを、気化器において、改質反応器への供給前の混合原料を加熱するための燃料として使用するように構成された水素製造システムにおいて、圧力変動吸着式ガス分離装置の負荷を変更する際に、気化器に供給されるオフガスの流量の急激な変動を回避することができるオフガスの流量制御方法を提供することを目的とする。
【００１３】
本発明の別の目的は、オフガスの流量制御方法が実施される水素製造システムを提供することにある。
【００１４】
本発明の第１の側面によれば、炭化水素系原料を含む混合原料を加熱して気化するための気化器と、上記炭化水素系原料の改質反応により、上記気化された混合原料から、水素を含有する改質ガスを生じさせるための改質反応器と、吸着剤が充填された吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、吸着塔に上記改質ガスを導入して当該改質ガス中の不要成分を上記吸着剤に吸着させて当該吸着塔から水素富化ガスを導出するための吸着工程と、上記吸着剤から上記不要成分を脱着させて吸着塔内に残存する水素と当該不要成分とを含むオフガスを当該吸着塔から排出するための脱着工程とを少なくとも含むサイクルを上記吸着塔で繰り返し行うように構成された圧力変動吸着式ガス分離装置と、上記吸着塔から排出されるオフガスを上記混合原料を加熱するための燃料として上記気化器に供給するためのオフガス供給配管と、上記オフガス供給配管に設けられ、上記吸着塔から排出されるオフガスを一旦収容するためのバッファタンクと、上記バッファタンクを経て上記気化器に供給されるオフガスの流量を制御するための流量制御ユニットと、を備える水素製造システムにおけるオフガスの流量制御方法であって、上記圧力変動吸着式ガス分離装置の負荷変動に伴って先行サイクルから後行サイクルにかけてサイクルタイムを変更する際に、上記バッファタンクから上記気化器に供給されるオフガスの流量を、変更されたサイクルタイムの少なくとも一部の区間において上記流量制御ユニットによって経時的に連続して変化させる、オフガスの流量制御方法が提供される。
【００１５】
このようなオフガスの流量制御方法では、ＰＳＡ分離装置の負荷を変動する際に、バッファタンクから気化器に供給するオフガスの流量を経時的に連続して変化させるため、バッファタンクからのオフガスの流量を段階的に変化させる場合に比べて、気化器に供給されるオフガスの流量の急激な変動を抑制することができる。したがって、本流量制御方法によれば、圧力変動吸着式ガス分離装置の負荷を変動させる場合でも、気化器での燃焼状態が急激に変化することはなく、その結果、水素製造システムの稼動への影響を低減することができる。
【００１６】
好ましくは、上記先行サイクルは、上記バッファタンクからのオフガスの流量を一定に維持する維持期間と当該オフガスの流量を直線的に変化させる後行変化期間とを含んでおり、上記後行サイクルは、上記バッファタンクからのオフガスの流量を直線的に変化させる先行変化期間と当該オフガスの流量を一定に維持する維持期間とを含んで構成されており、上記先行サイクルの上記後行変化期間の長さと上記後行サイクルの上記先行変化期間の長さとが同一とされ、かつ、これら２つの変化期間における上記バッファタンクからのオフガスの流量の変化率が一定になるとともに、上記後行サイクルの先行変化期間終了時における上記バッファタンクからのオフガスの流量と、上記後行サイクルにおいて上記吸着塔から排出されるオフガスの平均流量とが同一とされている。
【００１７】
このような流量制御方法によれば、バッファタンクからのオフガスの流量が経時的に連続して変化する期間である上記後行変化期間および上記先行変化期間においては、吸着塔から排出されてバッファタンク側へ供給されるオフガス量と、バッファタンクから気化器側へ供給されるオフガス量とは、同一となる。従って、ＰＳＡ分離装置の負荷変動の前後を通じて、バッファタンクに流入するオフガス量およびバッファタンクから流出するオフガス量のマテリアルバランスを一致させつつ、バッファタンクから気化器に供給されるオフガスの流量の急激な変動を回避することができる。
【００１８】
本発明の一つの実施形態によれば、上記後行サイクルのサイクルタイムが上記先行サイクルのサイクルタイムに対して短縮される場合には、上記先行サイクルの上記後行変化期間の長さは、上記後行サイクルのサイクルタイムの半分とされている。
【００１９】
本発明の他の実施形態によれば、上記後行サイクルのサイクルタイムが上記先行サイクルのサイクルタイムに対して延長される場合には、上記後行サイクルの上記先行変化期間の長さは、上記先行サイクルのサイクルタイムの半分とされている。
【００２０】
本発明の第２の側面によれば、圧力変動吸着式ガス分離法により、難吸着成分である第１成分と易吸着成分である第２成分を含む原料ガスから、上記第１成分ガスを目的ガスとして取り出すための吸着工程と、上記第２成分ガスと上記第１成分ガスとを含むオフガスを取り出すための脱着工程とを含むサイクルを繰り返し行うように構成された圧力変動吸着式ガス分離装置と、オフガスを消費するためのオフガス消費ユニットと、上記圧力変動吸着式ガス分離装置から取り出されるオフガスを上記オフガス消費ユニットに供給するためのオフガス供給配管と、上記オフガス供給配管に設けられ、上記圧力変動吸着式ガス分離装置から取り出されるオフガスを一旦収容するためのバッファタンクと、上記バッファタンクを経て上記オフガス消費ユニットに供給されるオフガスの流量を制御するための流量制御ユニットと、を備えるシステムにおけるオフガスの流量制御方法であって、上記圧力変動吸着式ガス分離装置の負荷変動に伴って先行サイクルから後行サイクルにかけてサイクルタイムを変更する際に、上記バッファタンクから上記オフガス消費ユニットに供給されるオフガスの流量を、変更されたサイクルタイムの少なくとも一部の区間において上記流量制御ユニットによって経時的に連続して変化させる、オフガスの流量制御方法が提供される。
【００２１】
本発明の第３の側面によれば、炭化水素系原料を含む混合原料を加熱して気化するための気化器と、上記炭化水素系原料の改質反応により、上記気化された混合原料から、水素を含有する改質ガスを生じさせるための改質反応器と、吸着剤が充填された吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、吸着塔に上記改質ガスを導入して当該改質ガス中の不要成分を上記吸着剤に吸着させて当該吸着塔から水素富化ガスを導出するための吸着工程と、上記吸着剤から上記不要成分を脱着させて吸着塔内に残存する水素と当該不要成分とを含むオフガスを当該吸着塔から排出するための脱着工程とを少なくとも含むサイクルを上記吸着塔で繰り返し行うように構成された圧力変動吸着式ガス分離装置と、上記吸着塔から排出されるオフガスを上記混合原料を加熱するための燃料として上記気化器に供給するためのオフガス供給配管と、上記オフガス供給配管に設けられ、上記吸着塔から排出されるオフガスを一旦収容するためのバッファタンクと、上記バッファタンクを経て上記気化器に供給されるオフガスの流量を制御するための流量制御ユニットと、を備える水素製造システムであって、上記流量制御ユニットは、上記圧力変動吸着式ガス分離装置の負荷変動に伴って先行サイクルから後行サイクルにかけてサイクルタイムを変更する際に、上記バッファタンクから上記気化器に供給されるオフガスの流量を、変更されたサイクルタイムの少なくとも一部の区間において経時的に連続して変化させるように構成されている、水素製造システムが提供される。
【００２２】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係るオフガスの流量制御方法を実行するのに使用することのできる水素製造システムの概略構成図である。
【図２】本発明に係るオフガスの流量制御方法を説明するための図であり、圧力変動吸着式ガス分離装置の負荷増大に伴う、バッファタンクから気化器に供給されるオフガスの流量の時間変化の一例を示すグラフである。
【図３】図２に示すグラフの一部を拡大した図である。
【図４】図３に示す流量変化例を説明するための図である。
【図５】本発明に係るオフガスの流量制御方法を説明するための図であり、圧力変動吸着式ガス分離装置の負荷減少に伴う、バッファタンクから気化器に供給されるオフガスの流量の時間変化の一例を示すグラフである。
【図６】図５に示すグラフの一部を拡大した図である。
【図７】図６に示す流量変化例を説明するための図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は、本発明の実施形態に係るオフガスの流量制御方法を実行するのに使用することができる水素製造システムＸ１の概略構成図である。水素製造システムＸ１は、気化器１と、改質反応器２と、熱交換器３と、気液分離器４と、圧力変動吸着式ガス分離装置（ＰＳＡ分離装置）５と、バッファタンク６と、オフガス流量制御ユニット７とを備え、炭化水素系原料であるメタノールを主原料として水素を製造するように構成されている。
【００２５】
気化器１は、本体容器１１と、供給管１２と、触媒燃焼部１３と、流通管１４とを有しており、メタノールと水と酸素とを含む混合材料を加熱して気化状態とする。図１においては、気化器１の内部構造を概略的に示している。
【００２６】
本体容器１１は閉端管状構造を有し、その上端部には燃焼ガス排出口１１１が設けられている。供給管１２は、外管１２１および内管１２２からなる二重管構造を有する。外管１２１は、上端部が本体容器１１外で配管８１に連結されており、下端部が本体容器１１中で開放されている。内管１２２は、上端部が本体容器１１外で配管８３とオフガス供給配管９２とに連結されており、下端部が外管１２１中で開放されている。外管１２１と連結されている配管８１は、空気ブロワ８２に連結されている。内管１２２と連結されている配管８３は、稼動開始時用の気化用燃料（例えばＬＰＧ：liquefied petroleum gas）の供給源（図示略）に連結されており、この配管８３には、自動弁８３ａが設けられている。触媒燃焼部１３は、外管１２１内の下端部に設けられており、水素や上述の稼動開始時用燃料を触媒燃焼させて高温の燃焼ガスを生じさせる。触媒燃焼部１３には燃焼用触媒が充填されている。燃焼用触媒としては、例えば白金やパラジウムなどの白金系触媒が挙げられる。流通管１４は、原料導入端１４１および原料導出端１４２を有し、供給管１２を取り囲むスパイラル部を一部に有する。原料導入端１４１は、本体容器１１の下端部から本体容器１１外に出ている。原料導出端１４２は、本体容器１１の上端部から本体容器１１外に出ている。内管１２２を通じて供給された気化用燃料が触媒燃焼部１３にて燃焼すると、当該燃焼ガスは、外管１２１の開放端（図中下端）から放出され、本体容器１１内にて流通管１４の周囲を通過して燃焼ガス排出口１１１から気化器１外に排出される。本体容器１１内における供給管１２および流通管１４の周囲には、必要に応じて蓄熱材（図示略）が充填される。
【００２７】
改質反応器２は、図１に示すように、本体容器２１と、改質反応部２２とを有する。この改質反応器２は、メタノールの水蒸気改質反応および部分酸化改質反応を併発させることにより、気化器１において気化状態とされた混合原料中のメタノールを改質し、水素を含有する改質ガスを生じさせる。
【００２８】
本体容器２１は、閉端管状構造を有し、その下端部には原料導入口２１１が設けられ、上端部には改質ガス導出口２１２が設けられている。原料導入口２１１は、気化器１の原料導出端１４２に連結されている。改質反応部２２は、本体容器２１の内部に設けられており、改質触媒（図示略）が充填されている。この改質触媒は、気化状態とされた混合原料中のメタノールについて水蒸気改質反応および部分酸化改質反応を併発させる。改質触媒としては、例えば酸化アルミニウム、酸化銅および酸化亜鉛を含む混合物を採用することができる。改質触媒における上記成分の含有比率は、例えば、ＣｕＯが４２wt％、ＺｎＯが４７wt％、およびＡｌ2Ｏ3が１０wt％である。
【００２９】
熱交換器３は、メタノール水導入口３１と、メタノール水導出口３２と、改質ガス導入口３３と、改質ガス導出口３４とを有しており、気化器１に供給される前のメタノール水と改質反応器２において生じた改質ガスとの熱交換により、メタノール水を予熱し且つ改質ガスを冷却する。熱交換器３内には、メタノール水導入口３１からメタノール水導出口３２にメタノール水が流れるための経路、および、改質ガス導入口３３から改質ガス導出口３４に改質ガスが流れるための経路が設けられ、これら２種類の経路の間で熱交換が行われる。この熱交換器３は、気化器１において混合原料を加熱して気化させる際に要する熱エネルギを低減する。
【００３０】
メタノール水導入口３１は、メタノール水の供給源（図示略）に配管８４およびポンプ８５を介して連結されている。ポンプ８５は、メタノール水を所定の圧力で送出する。メタノール水導出口３２は、配管８６を介して、気化器１の原料導入端１４１に連結されている。配管８６には、配管８７がその一端部を介して連結されている。配管８７の他端部は、酸素含有ガス（例えば酸素富化ガスや空気）の供給源（図示略）に連結されている。また、配管８７には、酸素含有ガスの流量を調整するための流量制御弁８７ａが設けられている。改質ガス導入口３３は、配管８８を介して改質反応器２の改質ガス導出口２１２に連結されている。改質ガス導出口３４は、配管８９を介して気液分離器４に連結されている。
【００３１】
気液分離器４は、液排出口４１を有しており、改質ガス中に混在する液成分（例えば水）４２を当該ガスと気液分離する。液排出口４１は、気液分離器４で回収された液成分４２を当該気液分離器４の外部に排出する。
【００３２】
ＰＳＡ分離装置５は、吸着剤が充填された少なくとも一つの吸着塔を備え、当該吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法（ＰＳＡ分離法）によって改質ガスから水素富化ガスを取り出すことのできるものである。吸着塔に充填される吸着剤としては、例えば、ゼオライト系吸着剤、カーボン系吸着剤、またはアルミナ吸着剤を採用することができ、好ましくはゼオライト系吸着剤が採用される。吸着塔には、一種類の吸着剤を充填してもよいし、複数種類の吸着剤を充填してもよい。ＰＳＡ分離装置５にて実行されるＰＳＡ分離法によるガス分離では、吸着工程、脱着工程、および再生工程を含むサイクルが繰り返される。吸着工程では、吸着塔内が所定の高圧状態にある吸着塔に改質ガスを導入して当該改質ガス中の不要成分（一酸化炭素、二酸化炭素、窒素など）を吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から水素富化ガスを導出する。脱着工程では、吸着塔内を減圧して吸着剤から不要成分を脱着させ、吸着塔内に残存する水素と当該不要成分とを含むオフガスを外部に排出する。再生工程では、吸着塔を再度の吸着工程に備えさせるべく、例えば洗浄ガスを吸着塔内に通流させることにより、不要成分に対する吸着剤の吸着性能を回復させる。このようなＰＳＡ分離装置５としては、公知のＰＳＡ水素分離装置を用いることができる。
【００３３】
バッファタンク６は、ＰＳＡ分離装置５と気化器１とを繋ぐオフガス供給配管９２に設けられており、ＰＳＡ分離装置５の吸着塔から排出されて気化器１に供給されるオフガスを一旦収容してオフガスの流量の変動を抑制する。
【００３４】
オフガス流量制御ユニット７は、バッファタンク６の下流側のオフガス供給配管９２に設けられた流量制御弁７１と、この流量制御弁７１の作動を制御するコントローラ７２とを含み、バッファタンク６から気化器１に供給されるオフガスの流量を調整する。オフガス流量制御ユニット７においては、バッファタンク６に流入するオフガスの流量（平均流量）に応じて、コントローラ７２により流量制御弁７１の開口度が調節される。
【００３５】
次に、以上の構成を有する水素製造システムＸ１の具体的な動作を説明する。水素製造システムＸ１の稼動時には、ポンプ８５が作動することにより、所定濃度のメタノール水が配管８４を介してメタノール水導入口３１より熱交換器３内に導入される。熱交換器３内では、相対的に低温（例えば１０〜２５℃）のメタノール水は、熱交換器３内に導入される相対的に高温（例えば２３０〜２７０℃）の改質ガスとの熱交換により、例えば１３７℃に加熱（予熱）される。熱交換器３において予熱されたメタノール水は、メタノール水導出口３２から熱交換器３外に導出され、配管８６を通過する際に、配管８７を介して配管８６に導入される酸素含有ガス（例えば酸素富化ガスや空気）と混合される。酸素含有ガスの供給量は、流量制御弁８７ａにより調整することができる。
【００３６】
このようにして得られる混合原料（メタノール、水、酸素を含む）は、気化器１の流通管１４にその原料導入端１４１から導入される。定常稼動時には、気化器１に供給される混合原料の供給量（単位時間あたりの供給量）は、一定となるように調整されている。流通管１４に導入された混合原料は、流通管１４を通過する過程で、触媒燃焼部１３にて生ずる燃焼ガスを熱源として、後の改質反応器２での改質反応において必要とされる反応温度（例えば２３０〜２７０℃）まで加熱されて気化される。気化された混合原料は、流通管１４の原料導出端１４２から気化器１外に導出され、原料導入口２１１を介して改質反応器２に供給される。
【００３７】
改質反応器２に供給された混合原料は改質反応部２２に導入される。改質反応部２２においては、改質触媒の作用により、吸熱反応であるメタノールの水蒸気改質反応および発熱反応であるメタノールの部分酸化改質反応が併発し、混合原料から、水素を含む改質ガスが発生する。本実施形態では、改質反応部２２内の反応温度（例えば２３０〜２７０℃）が略一定に維持されるように、各反応で消費されるメタノールの割合（即ち水蒸気改質反応と部分酸化改質反応各反応の比率）が設定されている。これにより、改質反応部２２においては、メタノールのオートサーマル改質反応が進行する。
【００３８】
改質反応部２２において生じた改質ガスは、改質ガス導出口２１２から改質反応器２外に導出され、配管８８および改質ガス導入口３３を介して熱交換器３内に導入される。熱交換器３内では、相対的に高温（例えば２３０〜２７０℃）の改質ガスは、上述のように熱交換器３内に導入される相対的に低温（例えば１０〜２５℃）のメタノール水との熱交換により、例えば４０℃に冷却される。熱交換器３において冷却された改質ガスは、改質ガス導出口３４から熱交換器３外に導出され、配管８９を介して気液分離器４に導入される。
【００３９】
気液分離器４に導入された改質ガスは、当該改質ガス中に混在する液成分４２が当該改質ガスから気液分離される。この結果、気液分離器４の下流に位置するＰＳＡ分離装置５の吸着塔に液成分４２が導入されるのを抑制することができ、液成分４２が吸着塔に充填されている吸着剤と接触することに起因する当該吸着剤の劣化を抑制することができる。この気液分離により回収された液成分４２は、液排出口４１を介して気液分離器４から外部に排出される。一方、気液分離器４を経た改質ガスは、配管９０を介してＰＳＡ分離装置５に供給される。定常稼動時には、気化器１に供給される混合原料の供給量が一定であるので、改質反応器２を経てＰＳＡ分離装置５に供給される改質ガスの流量は、略一定となる。
【００４０】
ＰＳＡ分離装置５においては、ＰＳＡ分離法により、吸着工程、脱着工程、および再生工程を含むサイクルが繰り返される。吸着工程では、吸着塔内が所定の高圧状態にある吸着塔に、水素を含有する改質ガスが導入される。当該吸着塔では、改質ガスに含まれる不要成分（一酸化炭素、二酸化炭素、未反応のメタノール、窒素など）が吸着剤により吸着除去され、水素富化ガス（水素濃度の高いガス）が製品ガスとして塔外へ導出される。得られた水素富化ガスは、配管９１を介して水素製造システムＸ１外に取り出される。脱着工程では、吸着塔内の減圧により吸着剤から不要成分が脱着され、吸着塔内に残存する水素と当該不要成分とを含むオフガスが吸着塔外に排出される。再生工程では、例えば洗浄ガス（一般的には水素富化ガスの一部）が吸着塔内に通流されることにより、不要成分に対する吸着剤の吸着性能が回復される。ＰＳＡ分離装置５からは、以上のようにして、水素富化ガス（製品ガス）が取り出されるとともに、オフガスが取り出される。水素富化ガスは、例えば、所定の用途に連続的に使用されるか、或は、所定のタンクに貯留される。オフガスは、オフガス供給配管９２を介してバッファタンク６に流入し、バッファタンク６内に一旦貯留される。
【００４１】
定常稼動時においては、ＰＳＡ分離装置５の吸着塔へ供給される改質ガスの流量が略一定であるため、当該ＰＳＡ分離装置５にて繰り返し実行されるサイクルの時間（サイクルタイム）は、一定とされている。ＰＳＡ分離装置５のサイクルタイムおよびＰＳＡ分離装置５から排出されるオフガス量の一例を挙げると、ＰＳＡ分離装置５の負荷が５０％の定常稼動時においては、サイクルタイムが２００秒であり、排出されるオフガス量が平均流量にして７．１Ｎｍ3／ｈである。
【００４２】
バッファタンク６内のオフガスは、流量制御弁７１によってその流量が調整されたうえで、オフガス供給配管９２を介して気化器１に気化燃料として供給される。定常稼動時においては、ＰＳＡ分離装置５から排出されるオフガスの平均流量とバッファタンク６から排出されるオフガスの流量とが同一となるように流量制御弁７１の開口度が設定される。上述した例のように、ＰＳＡ分離装置５から排出されるオフガスの平均流量が７．１Ｎｍ3／ｈである場合には、流量制御弁７１を通過したオフガスの流量が７．１Ｎｍ3／ｈとなるように流量制御弁７１の開口度が固定設定されている。これにより、バッファタンク６に流入するオフガス量およびバッファタンク６から流出するオフガス量のマテリアルバランスを一致させることができる。
【００４３】
気化用燃料として気化器１に供給されたオフガスは、内管１２２および外管１２１を通って触媒燃焼部１３に導入される。これとともに、触媒燃焼部１３には配管８１および外管１２１を通って空気が供給され続ける。この触媒燃焼部１３において、その燃焼用触媒の作用により、オフガス中の水素は触媒燃焼され、高温（例えば５００〜６００℃）の燃焼ガスが生ずる。触媒燃焼部１３において生じた高温の燃焼ガスは、供給管１２の外管１２１の開放端（図中下端）から放出され、本体容器１１内にて流通管１４の周囲を通過して燃焼ガス排出口１１１から気化器１外に排出される。燃焼ガスが流通管１４の周囲を通過する際、熱源としての燃焼ガスから流通管１４に熱エネルギが伝達され、流通管１４を流通する混合原料は、所定温度（例えば２３０〜２７０℃）まで加熱されて気化される。流通管１４はスパイラル部を有しているため、流通管１４の表面積（受熱面積）を大きく確保することができる。したがって、このようなスパイラル部を有する流通管１４は、流通管１４内を流通する混合原料に対する伝熱効率を高めて、当該混合原料の加熱を効率的に行うことができる。また、触媒燃焼においては不完全燃焼ガスをほとんど発生しないので、燃焼ガスを最終的に大気中に放出することによる環境負荷は少ない。
【００４４】
以上のように、水素製造システムＸ１では、その定常稼動時において、原料が、熱交換器３、気化器１、改質反応器２、熱交換器３、気液分離器４、およびＰＳＡ分離装置５を順次経ることにより、当該ＰＳＡ分離装置５から水素富化ガスが取り出され、且つ、ＰＳＡ分離装置５から排出されるオフガスがバッファタンク６を経て気化器１に供給される。
【００４５】
水素製造システムＸ１では、ＰＳＡ分離装置５から排出されて気化器１に供給されるオフガスの流量をバッファタンク６ないしオフガス流量制御ユニット７を通じて調節することにより、定常稼動時において、気化器１にて混合原料を加熱して所定温度の気化状態とするのに必要な燃料が、ＰＳＡ分離装置５からのオフガスのみで賄われる。また、水素製造システムＸ１では、改質反応器２の改質反応部２２で進行する炭化水素系原料の水蒸気改質反応および部分酸化改質反応の比率を調節することにより、改質反応器２内が所定の反応温度に維持されている。このように、水素製造システムＸ１は、その定常稼動時において、システム稼動に伴う自己供給熱のみにより、混合原料を加熱気化し続けるとともに改質反応器２の改質反応部２２が所定温度に維持される。
【００４６】
上述した水素製造システムＸ１の動作は、気化器１の触媒燃焼部１３にオフガスが充分に供給されている定常稼動時におけるものである。しかしながら、例えば起動時には、触媒燃焼部１３にオフガスが充分に供給されない。そのような場合、例えば触媒燃焼部１３に対してオフガスを充分に供給することができるまでの間は自動弁８３ａを開状態としておくことにより、触媒燃焼部１３において必要な気化用燃料（例えばＬＰＧ）が気化器１ないしその触媒燃焼部１３に補助的に供給される。
【００４７】
次に、定常稼動状態から製品ガスとしての水素富化ガスの生産量を変更する場合における水素製造システムＸ１の動作について説明する。例えば、水素富化ガスの生産量を増加させる場合には、改質反応器２およびＰＳＡガス分離装置５の負荷を増大させる必要がある。この場合、改質反応器２の負荷については急激な変動を避けるのが好ましく、したがって、気化器１ないし改質反応器２に供給される混合原料の供給量としては、経時的に連続して増加させられる。改質反応器２に供給される混合原料の供給量が連続的に増加すると、改質反応器２での改質ガスの発生量も増加する。その結果、ＰＳＡ分離装置５に供給される改質ガスの流量も連続的に増加するので、ＰＳＡ分離装置５の稼動条件を変更する必要がある。ＰＳＡ分離装置５については、吸着塔での吸着剤による不要成分の保持能力が略一定であるので、吸着塔に導入される改質ガスの流量が連続的に増加する場合には、当該改質ガスの流量の増加分に見合うだけサイクルタイムを順次短縮させなければならない。このようにサイクルタイムが順次短縮されると、ＰＳＡ分離装置５から排出されるオフガスの量（流量）は増加する。
【００４８】
バッファタンク６から気化器１に供給されるオフガスの制御は、その流量が経時的に連続して増加する部分を含むように行われる。このような制御によるバッファタンク６から気化器１へのオフガスの流量の時間変化の一例を表すグラフを、図２に示す。図２は、ＰＳＡ分離装置５の負荷を５０％から１００％まで変動させる過程における流量の変化を示す。図２のグラフにおいて、横軸は、ＰＳＡ分離装置５の負荷変動時の経過時間を表し、縦軸（左側）は、オフガスの流量を表す。図２のグラフ中において、破線は、ＰＳＡ分離装置５の各サイクルでの吸着塔から排出されるオフガスの平均流量を表し、実線は、バッファタンク６から気化器１に供給されるオフガスの流量を表す。なお、図２に表された破線（上記平均流量を示す破線と同じ）は、従来の流量制御方法におけるバッファタンクから気化器に供給されるオフガスの流量変化に相当する。図３は、図２の一部を拡大したものであり、隣接する２つのサイクルＣ１，Ｃ２における流量変化を表す。
【００４９】
図３において、サイクルＣ１からサイクルＣ２に切替わると、当該サイクルにおけるサイクルタイムは、ＣＴ１からＣＴ２に短縮される。同図に表れているように、バッファタンク６からのオフガスの流量（実線部分）の流量変化は、サイクルＣ１における変化部分とサイクルＣ２における変化部分とを含んでいる。このうち、サイクルＣ１における変化部分は、直線的に連続して増加する先行変化期間Ｃ１ａと一定に維持する維持期間Ｃ１ｂと直線的に連続して増加する後行変化期間Ｃ１ｃとで構成されている。また、サイクルＣ２における変化部分は、直線的に連続して増加する先行変化期間Ｃ２ａと一定に維持する維持期間Ｃ２ｂと直線的に連続して増加する後行変化期間Ｃ２ｃとで構成されている。このように、サイクルＣ１からサイクルＣ２への切替時よりも先行して、サイクルＣ１の後行変化期間Ｃ１ｃの開始と同時に流量制御弁７１の開口度を大きくし始め、次のサイクルＣ２の先行変化期間Ｃ２ａが終了するまで当該開口度を連続的に徐々に大きくする。以上のようなサイクルタイムの変更に伴ってオフガスの流量を経時的に連続して変化させる制御は、従来採用されていたオフガスの流量を段階的に変化させる場合と異なり、気化器１に供給されるオフガスの流量の急激な変動を回避することができる。したがって、このようなオフガスの流量制御方法によれば、水素製造システムＸ１による水素富化ガスの生産量の増加に伴ってＰＳＡ分離装置５の負荷を変動させる場合でも、気化器１での燃焼状態が急激に変化することはなく、その結果、水素製造システムＸ１の稼動への影響も低減される。
【００５０】
図３に示す流量変化例では、サイクルＣ１の後行変化期間Ｃ１ｃの長さは、サイクルＣ２のサイクルタイムＣＴ２（１６０秒）の半分の長さ（ＣＴ２／２：８０秒）とされている。また、サイクルＣ１の後行変化期間Ｃ１ｃの長さＣＴ２／２（８０秒）とサイクルＣ２の先行変化期間Ｃ２ａの長さとが同一とされる。また、これら２つの連続する期間Ｃ１ｃ，Ｃ２ａにおけるバッファタンク６からのオフガス流量の変化率が一定とされている。加えて、サイクルＣ２の先行変化期間Ｃ２ａ終了時におけるバッファタンク６から気化器１へのオフガスの流量と、サイクルＣ２において吸着塔から排出されるオフガスの平均流量とが同一とされている。即ち、維持期間Ｃ２ｂにおいて、吸着塔からのオフガスの平均流量（破線部分）と、バッファタンク６からのオフガスの流量（実線部分）とは同一になる。このようなサイクルＣ１およびＣ２の関係は、ＰＳＡ分離装置５の負荷変動に伴ってサイクルタイムを順次短縮していく過程における、図２に表れているすべての隣接するサイクル間にて成立している。
【００５１】
図３から理解できるように、サイクルＣ１の後行変化期間Ｃ１ｃでは、バッファタンク６から供給されるオフガス量（実線部分）は、ＰＳＡ分離装置５から排出されるオフガス量（破線部分）に比べて破線部分と実線部分とで包囲される三角形Ｔ１の面積分だけ多くなるが、サイクルＣ２の先行変化期間Ｃ２ａでは、バッファタンク６から供給されるオフガス量（実線部分）は、ＰＳＡ分離装置５から排出されるオフガス量（破線部分）に比べて破線部分と実線部分とで包囲される三角形Ｔ２の面積分だけ少なくなる。一方、上述のように、サイクルＣ１の後行変化期間Ｃ１ｃの長さとサイクルＣ２の先行変化期間Ｃ２ａの長さとが同一とされ、かつ、これら連続する期間Ｃ１ｃ，Ｃ２ａの流量変化率が一定とされているため、三角形Ｔ１および三角形Ｔ２は合同の関係にあり、その面積が同一である。したがって、サイクルＣ１の後行変化期間Ｃ１ｃおよびサイクルＣ２の先行変化期間Ｃ２ａにおいては、三角形Ｔ１と三角形Ｔ２との間でオフガス量の不均衡部分が相殺され、ＰＳＡ分離装置５の吸着塔から排出されるオフガス量と気化器１側へ供給されるオフガス量とは、同一になる。また、上述のように、維持期間Ｃ２ｂにおいては、吸着塔からのオフガスの平均流量とバッファタンク６からのオフガスの流量とが同一であるので、当該期間での吸着塔から排出されるオフガス量と気化器１側へ供給されるオフガス量とは、同一になる。以上から理解できるように、ＰＳＡ分離装置５の負荷変動の前後を通じて、バッファタンク６に流入するオフガス量およびバッファタンク６から流出するオフガス量についてマテリアルバランスは、一致する。
【００５２】
また、上述のように、サイクルＣ１の後行変化期間Ｃ１ｃの長さは、サイクルＣ２のサイクルタイムＣＴ２の半分の長さ（ＣＴ２／２）とされている。この点について、主としてオフガスの流量が変化する期間（サイクルＣ１の後行変化期間Ｃ１ｃおよびサイクルＣ２の先行変化期間Ｃ２ａ）に関し、具体的に検討する。まず、オフガスの流量の急激な変動を回避する観点から、オフガス流量の変化率は、できるだけ小さいことが好ましく、したがって、オフガスの流量が連続して変化する期間は、できるだけ長いことが好ましい。サイクルＣ１，Ｃ２のみに着目しつつサイクルＣ２のサイクルタイムＣＴ２がサイクルＣ１のサイクルタイムＣＴ１よりも短いことを考慮し、上述したような後行変化期間Ｃ１ｃの長さと先行変化期間Ｃ２ａの長さとが同一であり、かつ、これら連続する期間Ｃ１ｃ，Ｃ２ａの流量変化率が一定であるという幾何的な関係がサイクルＣ１，Ｃ２間でのみ成立すればよいと仮定すると、サイクルＣ２の先行変化期間Ｃ２ａとして確保できる長さの最大値はサイクルタイムＣＴ２である（図４参照）。この場合、サイクルＣ１の後行変化期間Ｃ１ｃの長さは、サイクルＣ２の先行変化期間Ｃ２ａの長さと同一であるので、サイクルＣ２のサイクルタイムＣＴ２と同一になる。ところが、図３に示す流量変化例では、ＰＳＡ分離装置５の負荷変動の過程は、上記したサイクルＣ１，Ｃ２とその他のサイクルとを含んで構成されており、サイクルタイムが順次短縮するように実行される。このため、サイクルＣ１，Ｃ２間以外のすべての隣接するサイクル間においても上記の幾何的な関係が成立するためには、サイクルＣ２の先行変化期間Ｃ２ａおよびサイクルＣ１の後行変化期間Ｃ１ｃとして確保できる長さの最大値は、サイクルタイムＣＴ２の半分になる。したがって、このような制御は、ＰＳＡ分離装置５の負荷変動に伴いサイクルタイムを順次短縮する場合、負荷変動の過程において、バッファタンク６について出入りするオフガス量のマテリアルバランスを一致させつつバッファタンク６からのオフガスの流量の変化ができるだけ抑制されていることを意味しており、水素製造システムＸ１を円滑に稼動させるうえで好適である。
【００５３】
このような流量制御では、ＰＳＡ分離装置５の負荷変動（本実施例では５０％から１００％に変更）を決定すると、負荷変動の開始から終了に至るまでのＰＳＡ分離装置５の各サイクルのサイクルタイムおよび当該各サイクルにおいて吸着塔から排出されるオフガスの平均流量（図２に表された破線部分）については、コンピュータプログラムによる演算処理を実行することにより算出することができる。そして、各サイクルごとの吸着塔から排出されるオフガスの平均流量が算出されると、バッファタンク６から気化器１に供給されるオフガスの流量の変化（図２に表された実線部分）については、コンピュータプログラムによる演算処理を実行することにより算出することができる。バッファタンク６からのオフガスの流量の変化が決定すると、当該流量に関する制御信号がオフガス流量制御ユニット７に伝送され、当該オフガス流量制御ユニット７（コントローラ７２および流量制御弁７１）の作動により、バッファタンク６からのオフガス流量が図２に表されるように経時的に変化するようにオフガス流量が調整される。
【００５４】
次に、水素製造システムＸ１の定常稼動状態から製品ガスとしての水素富化ガスの生産量を減らす場合の制御について説明する。水素富化ガスの生産量を減らす場合には、改質反応器２およびＰＳＡ分離装置５の負荷を減少させる必要がある。この場合、改質反応器２の負荷については急激な変動を避けるのが好ましく、したがって、気化器１ないし改質反応器２に供給される混合原料の供給量としては、経時的に連続的に減少させられる。改質反応器２に供給される混合原料の供給量が連続的に減少すると、改質反応器２での改質ガスの発生量も減少し、その結果、ＰＳＡ分離装置５に供給される改質ガスの流量も連続的に減少するので、ＰＳＡ分離装置５の稼動条件を変更する必要がある。ＰＳＡ分離装置５については、吸着塔での吸着剤による不要成分の保持能力が略一定であるので、吸着塔に導入される改質ガスの流量が連続的に減少する場合には、当該改質ガスの流量の減少分に見合うだけサイクルタイムを順次延長する。サイクルタイムが順次延長されると、ＰＳＡ分離装置５から排出されるオフガスの量（流量）は減少する。
【００５５】
バッファタンク６から気化器１に供給されるオフガスの制御は、その流量が経時的に連続して減少する部分を含むように行われる。当該制御によるバッファタンク６から気化器１へのオフガスの流量の時間変化の一例を表すグラフを、図５に示す。図５は、ＰＳＡ分離装置５の負荷を１００％から５０％まで変動させる過程における流量の変化を示す。図５のグラフにおいて、横軸は、ＰＳＡ分離装置５の負荷変動時の経過時間を表し、縦軸（左側）は、オフガスの流量を表す。図５のグラフ中において、破線は、ＰＳＡ分離装置５の各サイクルでの吸着塔から排出されるオフガスの平均流量を表し、実線は、バッファタンク６から気化器１に供給されるオフガスの流量を表す。なお、図５に表された破線（上記平均流量を示す破線と同じ）は、従来の流量制御方法におけるバッファタンクから気化器に供給されるオフガスの流量変化に対応する。図６は、図５の一部を拡大したものであり、隣接する２つのサイクルＣ１'，Ｃ２'における流量変化を表す。
【００５６】
図６において、サイクルＣ１'からサイクルＣ２'に切替わると、当該サイクルにおけるサイクルタイムは、ＣＴ１'からＣＴ２'に延長される。同図に表れているように、バッファタンク６からのオフガスの流量変化（実線部分）は、サイクルＣ１'における変化部分とサイクルＣ２'における変化部分とを含んでいる。このうち、サイクルＣ１'における変化部分は、直線的に連続して減少する先行変化期間Ｃ１ａ'と一定に維持する維持期間Ｃ１ｂ'と直線的に連続して減少する後行変化期間Ｃ１ｃ'とで構成されている。また、サイクルＣ２'における変化部分は、直線的に連続して減少する先行変化期間Ｃ２ａ'と一定に維持する維持期間Ｃ２ｂ'と直線的に連続して減少する後行変化期間Ｃ２ｃ'とで構成されている。このように、サイクルＣ１'からサイクルＣ２'への切替時よりも先行して、サイクルＣ１'の後行変化期間Ｃ１ｃ'の開始と同時に流量制御弁７１の開口度を小さくし始め、次のサイクルＣ２'の先行変化期間Ｃ２ａ'が終了するまで当該開口度を連続的に徐々に小さくする。以上のようなサイクルタイムの変更に伴ってオフガスの流量を経時的に連続して変化させる制御は、従来採用されていたオフガスの流量を段階的に変化させる場合と異なり、気化器１に供給されるオフガスの流量の急激な変動を回避することができる。したがって、このようなオフガスの流量制御方法によれば、水素製造システムＸ１による水素富化ガスの生産量の減少に伴ってＰＳＡ分離装置５の負荷を変動させる場合でも、気化器１での燃焼状態が急激に変化することはなく、その結果、水素製造システムＸ１の稼動への影響も低減される。
【００５７】
図６において、サイクルＣ２'の先行変化期間Ｃ２ａ'の長さは、サイクルＣ１'のサイクルタイムＣＴ１'（１６９秒）の半分の長さ（ＣＴ１'／２：８４．５秒）とされている。また、サイクルＣ１'の後行変化期間Ｃ１ｃ'の長さはサイクルＣ２'の先行変化期間Ｃ２ａ'の長さＣＴ１'／２と同一とされている。また、これら連続する２つの期間Ｃ１ｃ'，Ｃ２ａ'におけるバッファタンク６からのオフガス流量の変化率が一定とされている。加えて、サイクルＣ２'の先行変化期間Ｃ２ａ'終了時におけるバッファタンク６から気化器１へのオフガスの流量と、サイクルＣ２'において吸着塔から排出されるオフガスの平均流量とが同一とされている。即ち、維持期間Ｃ２ｂ'において、吸着塔からのオフガスの平均流量（破線部分）と、バッファタンク６からのオフガスの流量（実線部分）とは同一になる。このようなサイクルＣ１'およびサイクルＣ２'の関係は、ＰＳＡ分離装置５の負荷変動に伴ってサイクルタイムを順次延長していく過程における、図５に表れているすべての隣接するサイクル間にて成立している。
【００５８】
図６から理解できるように、サイクルＣ１'の後行変化期間Ｃ１ｃ'では、バッファタンク６から供給されるオフガス量（実線部分）は、ＰＳＡ分離装置５から排出されるオフガス量（破線部分）に比べて破線部分と実線部分とで包囲される三角形Ｔ１'の面積分だけ少なくなるが、サイクルＣ２'の先行変化期間Ｃ２ａ'では、バッファタンク６から供給されるオフガス量（実線部分）は、ＰＳＡ分離装置５から排出されるオフガス量（破線部分）に比べて破線部分と実線部分とで包囲される三角形Ｔ２'の面積分だけ多くなる。一方、上述のように、サイクルＣ１'の後行変化期間Ｃ１ｃ'の長さとサイクルＣ２'の先行変化期間Ｃ２ａ'の長さとが同一とされ、かつ、これら連続する期間Ｃ１ｃ'，Ｃ２ａ'の流量変化率が一定とされているため、三角形Ｔ１'および三角形Ｔ２'は合同の関係にあり、その面積が同一である。したがって、サイクルＣ１'の後行変化期間Ｃ１ｃ'およびサイクルＣ２'の先行変化期間Ｃ２ａ'においては、三角形Ｔ１'と三角形Ｔ２'との間でオフガス量の不均衡部分が相殺され、ＰＳＡ分離装置５の吸着塔から排出されるオフガス量と気化器１側へ供給されるオフガス量とは、同一になる。一方、上述のように、維持期間Ｃ２ｂ'においては、吸着塔からのオフガスの平均流量とバッファタンク６からのオフガスの流量とが同一であるので、当該期間での吸着塔から排出されるオフガス量と気化器１側へ供給されるオフガス量とは、同一になる。このようなことから理解できるように、本流量変化例では、ＰＳＡ分離装置５の負荷変動の前後を通じて、バッファタンク６に流入するオフガス量およびバッファタンク６から流出するオフガス量についてマテリアルバランスは、一致する。
【００５９】
また、上述のように、サイクルＣ２'の先行変化期間Ｃ２ａ'の長さは、サイクルＣ１'のサイクルタイムＣＴ１'の半分の長さ（ＣＴ１'／２）とされている。この点について、主としてオフガスの流量が変化する期間（サイクルＣ１'の後行変化期間Ｃ１ｃ'およびサイクルＣ２'の先行変化期間Ｃ２ａ'）に関し、具体的に検討する。まず、オフガスの流量の急激な変動を回避する観点から、オフガス流量の変化率は、できるだけ小さいことが好ましく、したがって、オフガスの流量が連続して変化する期間は、できるだけ長いことが好ましい。この点、サイクルＣ１'，Ｃ２'のみに着目しつつサイクルＣ２'のサイクルタイムＣＴ２'がサイクルＣ１'のサイクルタイムＣＴ１'よりも長いことを考慮し、上述したような後行変化期間Ｃ１ｃ'の長さは先行変化期間Ｃ２ａ'の長さと同一であり、かつ、これら連続する期間Ｃ１ｃ'，Ｃ２ａ'の流量変化率が一定であるという幾何的な関係がサイクルＣ１'，Ｃ２'間でのみ成立すればよいと仮定すると、サイクルＣ１'の後行変化期間Ｃ１ｃ'として確保できる長さの最大値はサイクルタイムＣＴ１'である（図７参照）。この場合、サイクルＣ２'の先行変化期間Ｃ２ａ'の長さは、サイクルＣ１'の後行変化期間Ｃ１ｃ'の長さと同一であるので、サイクルＣ１'のサイクルタイムＣＴ１'と同一になる。しかしながら、図６に示す流量変化例では、ＰＳＡ分離装置５の負荷変動の過程は、上記したサイクルＣ１'，Ｃ２'とその他のサイクルとを含んで構成されており、サイクルタイムが順次延長するように実行される。このため、サイクルＣ１'，Ｃ２'間以外のすべての隣接するサイクル間においても上記の幾何的な関係が成立するためには、サイクルＣ１'の後行変化期間Ｃ１ｃ'およびサイクルＣ２'の先行変化期間Ｃ２ａ'として確保できる長さの最大値は、サイクルタイムＣＴ１'の半分になる。したがって、このような制御は、ＰＳＡ分離装置５の負荷変動に伴いサイクルタイムを順次延長する場合、負荷変動の過程において、バッファタンク６について出入りするオフガス量のマテリアルバランスを一致させつつバッファタンク６からのオフガスの流量の変化ができるだけ抑制されていることを意味しており、水素製造システムＸ１を円滑に稼動させるうえで好適である。
【００６０】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の範囲は上記した実施形態に限定されるものではない。上記実施形態においては、ＰＳＡ分離装置の負荷変動に伴うオフガスの流量制御方法として、定常稼動状態から水素富化ガスの生産量を増やす、或は、減らす場合を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明に係るにオフガスの流量制御方法は、例えば、水素製造システムの稼動開始時（稼動開始後から所定時間経過して定常稼動状態に至るまで）、或は、稼動停止時（定常稼動状態から稼動停止に至るまで）にＰＳＡ分離装置の負荷変動を伴う場合においても適用することが可能である。
【００６１】
本発明に係るオフガスの流量制御方法を実行するのに使用する水素製造システムの具体的な構成は、発明の思想から逸脱しない範囲内で種々に変更が可能である。また、本発明に係るオフガスの流量制御方法は、上記実施形態のような水素製造システムへの適用に限定されず、ＰＳＡ分離装置から取り出されるオフガスを何らかの目的で消費するためのオフガス消費ユニットを備えたシステムに適用してもよい。例えば、メタンと他の成分ガスとを含む原料ガスから、ＰＳＡ分離装置により当該他の成分ガスを目的ガスとして採取しつつ、メタンを含むオフガスを、バッファタンクを経てオフガス消費ユニットに燃料ガスとして供給するように構成されたシステムにおいても、本発明方法を有意に適用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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