特許 6522223 水素製造装置、水素製造方法、予熱制御プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6522223

(24)【登録日】2019年5月10日

(45)【発行日】2019年5月29日

(54)【発明の名称】水素製造装置、水素製造方法、予熱制御プログラム

(51)【国際特許分類】

   C01B 3/38 20060101AFI20190520BHJP

   C01B 3/00 20060101ALI20190520BHJP

   C01B 3/56 20060101ALI20190520BHJP

【ＦＩ】

   C01B3/38

   C01B3/00 Z

   C01B3/56 Z

【請求項の数】11

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2018-227638(P2018-227638)

(22)【出願日】2018年12月4日

【審査請求日】2019年1月23日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000220262

【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】特許業務法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】江口 晃平

(72)【発明者】

【氏名】櫛 拓人

(72)【発明者】

【氏名】飯沼 広基

【審査官】 西山 義之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１８−１３３１６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０６０１９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１３５７３５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０１Ｂ ３／００−６／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

気化器によって改質用水を水蒸気化した水蒸気を用いて、炭化水素原料を水蒸気改質して、水素を主成分とした改質ガスを生成する改質装置と、改質装置から放出された改質ガスをオフガスと水素とに分離して水素を精製する水素精製器と、を備えた水素製造装置であって、
前記気化器を加熱する加熱部と、
前記加熱部を制御して、起動時期までに前記改質用水を前記水蒸気化し得る温度まで予熱する予熱制御部とを有し、
前記予熱制御部が、
前記改質装置、前記水素精製器、及び周辺機器が起動する起動時期を取得する取得部と、
前記取得部で取得した前記起動時期よりも予め定めた時間前の時期を予熱開始時期とし、当該予熱開始時期に前記加熱部での前記気化器の予熱開始を指示する予熱指示部と、
を備えることを特徴とする水素製造装置。

【請求項2】

前記予熱制御部が、予め定められた標準起動時期を記憶する記憶部をさらに有し、
前記取得部は、前記記憶部に記憶された前記標準起動時期を読み出すことで、前記起動時期を取得することを特徴とする請求項１記載の水素製造装置。

【請求項3】

前記予熱制御部が、前記起動時期を含む運転履歴情報を蓄積するデータベースをさらに有し、
前記取得部は、前記データベースに蓄積された過去の運転履歴情報に基づき、機械学習させることで次の起動時期を予測する、ことを特徴とする請求項１記載の水素製造装置。

【請求項4】

前記データベースに蓄積されたデータ量が不足しており、前記機械学習による起動時期の予測が不可能な場合に、予め定められた標準起動時期に基づいて予熱開始時期を取得することを特徴とする請求項３記載の水素製造装置。

【請求項5】

前記加熱部が、水素製造の工程に関わらず、前記気化器を加熱する専用の手段として設けられた電気ヒータであることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項記載の水素製造装置。

【請求項6】

気化器によって改質用水を水蒸気化した水蒸気を用いて、炭化水素原料を水蒸気改質して、水素を主成分とした改質ガスを生成する改質装置と、改質装置から放出された改質ガスをオフガスと水素とに分離して水素を精製する水素精製器と、を備えた水素製造装置による水素製造方法であって、
前記気化器を加熱して、起動時期までに前記改質用水を前記水蒸気化し得る温度まで予熱する場合に、
前記改質装置、前記水素精製器、及び周辺機器が起動する起動時期を取得し、
取得した前記起動時期よりも予め定めた時間前の時期を予熱開始時期とし、
当該予熱開始時期に前記気化器の予熱開始を指示する、
ことを特徴とする水素製造方法。

【請求項7】

予め定められた標準起動時期を記憶しておき、
記憶された前記標準起動時期を読み出すことで、前記起動時期を取得することを特徴とする請求項６記載の水素製造方法。

【請求項8】

前記起動時期を含む運転履歴情報をデータベースに蓄積しておき、
前記データベースに蓄積された過去の運転履歴情報に基づき、機械学習させることで次の起動時期を予測する、ことを特徴とする請求項６記載の水素製造方法。

【請求項9】

前記データベースに蓄積されたデータ量が不足しており、前記機械学習による起動時期の予測が不可能な場合に、予め定められた標準起動時期に基づいて予熱開始時期を取得することを特徴とする請求項８記載の水素製造方法。

【請求項10】

前記気化器の加熱を、水素製造の工程に関わらず、前記気化器を加熱する専用の手段として設けられた電気ヒータで加熱することを特徴とする請求項６〜請求項９の何れか１項記載の水素製造方法。

【請求項11】

コンピュータを、
請求項１〜請求項５の何れか１項記載の水素製造装置の予熱制御部として機能させる、
予熱制御プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水素製造装置に関し、特に、炭化水素原料を改質して水素を製造する水素製造装置、水素製造方法、及び改質器での改質前のガスを予熱するための予熱制御プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

水素を得るための水素製造装置としては、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）装置へ供給する構成がある。この水素製造装置では、ＰＳＡ装置から送出されたオフガスを改質器のバーナに供給して燃焼させている。ＰＳＡ装置で精製された水素は、製品として基準を満たした純度の水素であり、言い換えれば、当該基準を満たす能力を持つことが必要である。

【0003】

ところで、水素製造装置の稼働を開始するとき（起動時）、水蒸気改質装置に設けられた気化器（原料ガスと混合させる、改質用水を水蒸気にする機能）が所定温度以下（例えば、１００℃以下）となっている場合がある。

【0004】

起動後は、燃焼ガスを燃焼させた排ガス等によって予熱する構造は知られている（特許文献１参照）。

【0005】

特許文献１には、運転性能の低下を防止し、放熱ロスを減少し、全体の熱効率を高め、小型で起動が早く、高い運転効率を得ることを目的とした水素製造用の単管円筒式改質器において、改質触媒層の上流側に隣接して予熱層を設けたことが記載されている。

【0006】

特許文献１を含め、多くの従来技術では、起動後、すなわち、燃料用ガスの燃焼による予熱を行う構成であり、起動前の気化器に対しての予熱手段にはならない。このため、起動直後は、気化器が十分に機能するまでの間、所謂準備運転期間が必要となり、水素製造効率の低下につながる。

【0007】

一方、起動の開始時期（開始時刻）が、常に同時刻であれば、予め、燃料用ガスを燃焼させることもできるが、その他の処理（例えば、原料用ガス、改質用水の供給等）が行われていないため、排ガスは大気放出されるため、熱量の無駄となる。

【0008】

なお、予熱の理由としては、特許文献１のように気化部を温めることとは別に、以下のことが考えられる。

【0009】

改質器には、起動開始後比較的早いタイミングで改質用の水が入るが、その際に気化部→改質触媒部→シフト触媒部の一連の流路が１００℃以上であることが重要である。

【0010】

１００℃以下だと、一旦気化した水が再度液体に凝縮してしまい、その水が触媒を濡らすと劣化につながる。

【0011】

そこで、水が入る前にある程度改質装置全体を温めておくことが必要となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】特開２００４−３２３３５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

しかしながら、改質装置全体を温める際に、いきなりバーナで改質装置を温め始めると、改質装置の一部が先に加熱され過ぎてしまい、改質用を気化する部位が１００℃に到達する前に改質触媒部が、例えば、３００℃〜４００℃を超える高温となってしまう（温度むらの発生）。

【0014】

改質触媒部が高温（３００℃〜４００℃以上）になると、水が無い状態では、改質用の都市ガスから炭素が析出してしまい、こちらも触媒を劣化させる現象が生じてしまう。

【0015】

本発明は、水素製造装置の運転開始（起動）前に、改質装置全体として温度むらを生じさせることなく、予め改質装置の気化器を必要最低温度まで昇温させておくことができる水素製造装置、水素製造方法、及び予熱制御プログラムを得ることが目的である。

【課題を解決するための手段】

【0016】

本発明の水素製造装置は、気化器によって改質用水を水蒸気化した水蒸気を用いて、炭化水素原料を水蒸気改質して、水素を主成分とした改質ガスを生成する改質装置と、改質装置から放出された改質ガスをオフガスと水素とに分離して水素を精製する水素精製器と、を備えた水素製造装置であって、前記気化器を加熱する加熱部と、前記加熱部を制御して、起動時期までに前記改質用水を前記水蒸気化し得る温度まで予熱する予熱制御部とを有し、前記予熱制御部が、前記改質装置、前記水素精製器、及び周辺機器が起動する起動時期を取得する取得部と、前記取得部で取得した前記起動時期よりも予め定めた時間前の時期を予熱開始時期とし、当該予熱開始時期に前記加熱部での前記気化器の予熱開始を指示する予熱指示部と、を備えることを特徴としている。

【0017】

本発明によれば、予熱制御部では、加熱部を制御して、起動時期までに改質用水を水蒸気化し得る温度まで予熱する。例えば、改質装置は改質用水を水蒸気化するための燃焼室を有するが、燃焼室は起動時期から比較的高温で改質装置全体を加熱するため、改質ガスを生成するときの炭化水素原料を過加熱する場合があり、炭素が析出するおそれがある。

【0018】

そこで、気化器を加熱する加熱部を設け、起動時期までに改質用水を水蒸気化することで、炭化水素原料を過加熱することを防止することができる。

【0019】

本発明の水素製造装置において、前記予熱制御部が、予め定められた標準起動時期を記憶する記憶部をさらに有し、前記取得部は、前記記憶部に記憶された前記標準起動時期を読み出すことで、前記起動時期を取得することを特徴としている。

【0020】

起動時期を取得するための手段の一形態であり、記憶部に予め定められた標準起動時期を記憶しておき、当該記憶部に記憶された標準起動時期を読み出すことで、起動時期を取得する。

【0021】

本発明の水素製造装置において、前記予熱制御部が、前記起動時期を含む運転履歴情報を記憶するデータベースをさらに有し、前記取得部は、前記データベースに蓄積された過去の運転履歴情報に基づき、機械学習させることで次の起動時期を予測する、ことを特徴としている。

【0022】

起動時期を取得するための手段の一形態であり、データベースに起動時期を含む運転履歴情報を記憶しておき、当該データベースに蓄積された過去の運転履歴情報に基づき、機械学習させることで次の起動時期を予測する。

【0023】

本発明の水素製造装置において、前記データベースに蓄積されたデータ量が不足しており、前記機械学習による起動時期の予測が不可能な場合に、予め定められた標準起動時期に基づいて予熱開始時期を取得することを特徴としている。

【0024】

データベースに蓄積されたデータ量が不足している場合がある。この場合、機械学習による起動時期の予測が不可能となる。そこで、予測不可能な場合を想定して、例えば、予め定められた標準起動時期を記憶しておき、当該表受起動時期に基づいて予熱開始時期を取得する。なお、予測不可能の報知を受けた時点で、標準起動時期を入力するようにしてもよい。

【0025】

本発明の水素製造装置において、前記加熱部が、水素製造の工程に関わらず、前記気化器を加熱する専用の手段として設けられた電気ヒータであることを特徴としている。

【0026】

加熱手段としての一形態であり、加熱部として、電気ヒータを用いることで、制御が容易となる。

【0027】

本発明に係る水素製造方法は、気化器によって改質用水を水蒸気化した水蒸気を用いて、炭化水素原料を水蒸気改質して、水素を主成分とした改質ガスを生成する改質装置と、改質装置から放出された改質ガスをオフガスと水素とに分離して水素を精製する水素精製器と、を備えた水素製造装置による水素製造方法であって、前記気化器を加熱して、起動時期までに前記改質用水を前記水蒸気化し得る温度まで予熱する場合に、前記改質装置、前記水素精製器、及び周辺機器が起動する起動時期を取得し、取得した前記起動時期よりも予め定めた時間前の時期を予熱開始時期とし、当該予熱開始時期に前記気化器の予熱開始を指示する、ことを特徴としている。

【0028】

本発明の水素製造方法において、予め定められた標準起動時期を記憶しておき、記憶された前記標準起動時期を読み出すことで、前記起動時期を取得することを特徴としている。

【0029】

本発明の水素製造方法において、前記起動時期を含む運転履歴情報をデータベースに蓄積しておき、前記データベースに蓄積された過去の運転履歴情報に基づき、機械学習させることで次の起動時期を予測する、ことを特徴としている。

【0030】

本発明の水素製造方法において、前記データベースに蓄積されたデータ量が不足しており、前記機械学習による起動時期の予測が不可能な場合に、予め定められた標準起動時期に基づいて予熱開始時期を取得することを特徴としている。

【0031】

本発明の水素製造方法において、前記気化器の加熱を、水素製造の工程に関わらず、前記気化器を加熱する専用の手段として設けられた電気ヒータで加熱することを特徴としている。

【0032】

本発明に係る予熱制御プログラムは、コンピュータを、上記水素製造装置の予熱制御部として機能させることを特徴としている。

【0033】

以上説明したように本発明は、水素製造装置の起動時期前に気化器に特定して予熱することができる。また、一形態として、過去の運転履歴情報のデータベース化によって起動時期の予測を行うことができる。

【発明の効果】

【0034】

以上説明した如く本発明では、水素製造装置の運転開始（起動）前に、改質装置全体として温度むらを生じさせることなく、予め改質装置の気化器を必要最低温度まで昇温させておくことができる。

【図面の簡単な説明】

【0035】

【図1】本実施の形態に係る水素製造装置の構成を示す概略図である。

【図2】本実施の形態に係る改質器の概略構成図及び改質器の予熱流路を予熱するための電気ヒータの動作を制御する予熱制御部の機能ブロック図である。

【図3】本実施の形態に係る予熱制御ルーチンを示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0036】

図１に示される如く、水素製造装置１０は、改質器１２と、昇圧前水分離部（ドレンタンク）１４と、圧縮機１６と、昇圧後水分離部（ドレンタンク）１８と、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）装置２０とを備える。

【0037】

ＰＳＡ装置２０は、本発明の水素精製器の一例である。水素製造装置１０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。

【0038】

（改質器１２）

【0039】

図２に示される如く、改質器１２は、同心円上に異なる径寸法で多重に配置された複数の筒状壁７０、７１、７２、７３で仕切られた複数の空間を有しており（多重円筒形状）、本実施の形態では、４層の空間が形成され、内側の２層が下端部で連通し、外側の２層が上端で連通している。

【0040】

空間は、内側から順に、燃焼室７５、燃焼排ガス流路７６、予熱流路７７、及び改質ガス流路７８とされている。なお、本実施の形態の多重円筒形状の改質器１２の構造は一例であり、当該構造が限定されるものではない。

【0041】

燃焼室７５にはバーナ７９が配置され、都市ガス又はオフガスが燃料として供給され、燃焼室７５で空気と混合されて燃焼し、燃焼排ガスが燃焼排ガス流路７６へ案内され、予熱流路７７に流入される原料としての都市ガスと、改質用の水とが予熱され、混合ガスが生成される。

【0042】

予熱流路７７には、上流側に螺旋部材８０が設けられ、下流側に改質触媒層８１が設けられている。混合ガスは、螺旋部材８０によって螺旋状に移動して燃焼排ガス流路７６を流れる燃焼排ガスからの熱を受け、その後、改質触媒層８１において水蒸気改質反応することによって、水素を成分とする改質ガスＧ１が生成される。

【0043】

改質ガスは、最外層の空間である改質ガス流路７８を通過するときに、ＣＯ変成触媒層８２（及び必要に応じてＣＯ選択酸化触媒層８３）を通過することで、改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気とが反応して、水素と二酸化炭素に変換され、一酸化炭素が低減された改質ガスＧ２として排出される。なお、上記では、改質触媒層とＣＯ変成触媒槽とが一体となる構造を想定しているが、改質触媒層とＣＯ変成触媒槽とが一体ではない構造もとり得る。

【0044】

図１に示される如く、改質器１２は、流路管２２を介して、昇圧前水分離部（ドレンタンク）１４と接続されている。改質器１２から流出する改質ガスＧ２は、熱交換部２４（図１では、Heat Exchangerの略語として、「ＨＥx」と称す。）において、液体室（チラー）２６の冷却管内の冷却水との熱交換によって冷却され、昇圧前水分離部１４へ流入する。

【0045】

昇圧前水分離部１４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１４の気体室に流入した改質ガスＧ２は、水が凝縮されて分離され、貯留される。

【0046】

貯留された水は、水回収管１５へ送出され、図示しないポンプの駆動によって、改質用の水として、改質器１２へ戻される。

【0047】

昇圧前水分離部１４は、流路管２８を介して、圧縮機１６と接続されている。昇圧前水分離部１４において、改質ガスＧ２から水が分離した改質ガスＧ３は、圧縮機１６へ流入する。なお、流路管２８には、バッファタンク３０が介在されており、改質ガスＧ３は、このバッファタンク３０で圧力（例えば、大気圧）が安定された状態で圧縮機１６へ流入される。

【0048】

圧縮機１６は、昇圧前水分離部１４から供給された改質ガスＧ３を図示しないポンプで圧縮する。なお、圧縮機１６は、例えば、公共の水（市水３２）によって冷却されるようになっている。

【0049】

圧縮機１６は、流路管３４を介して、昇圧後水分離部（ドレンタンク）１８と接続されている。圧縮機１６で圧縮された改質ガスＧ４は、熱交換部３６において、液体室（チラー）３８の冷却管内の冷却水との熱交換によって冷却され、昇圧後水分離部１８へ流入する。

【0050】

昇圧後水分離部１８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１８の気体室に流入する改質ガスＧ４は、水が凝縮されて分離され、貯留される。

【0051】

貯留された水は、水回収管１９へ送出され、図示しないポンプの駆動によって、改質用の水として、改質器１２へ戻される。

【0052】

昇圧後水分離部１８は、流路管４０を介して、バッファタンク４２と接続されており、昇圧後水分離部１８で改質ガスＧ４から水が分離した改質ガスＧ５は、バッファタンク４２へ流入する。

【0053】

バッファタンク４２は、昇圧後水分離部１８から供給される改質ガスＧ５を蓄積する。バッファタンク４２は、流路管４４を介して、ＰＳＡ装置２０と接続されており、バッファタンク４２で一旦蓄積されて一定の圧力とされた改質ガスＧ５は、ＰＳＡ装置２０へ流入する。

【0054】

（ＰＳＡ装置２０）

【0055】

ＰＳＡ装置２０では、改質ガスＧ５を、不純物（可燃ガスを含むオフガス）と水素とに分離する（水素精製）。精製された水素は、水素供給配管４６へ送出され、不図示のタンクへ貯留されたり、水素供給ラインへ送られたりする。

【0056】

なお、参考として、水素供給配管４６に送られた後の製品水素の搬送形態としては、以下の形態を挙げることができる。

【0057】

（１）高圧ガス

【0058】

例えば、水素の利用先が燃料電池自動車の場合には、最終的に、７０Ｍｐａ以上に昇圧する必要があるため、許容される高圧ガスでの輸送は有効である。

【0059】

（２）液体水素

【0060】

水素は、−２３５℃で液化し、体積が１／８００となるため、輸送に適している。

【0061】

（３）有機ハイドライド

【0062】

水素をトルエン等の有機物に化合させて有機ハイドライドの形で輸送（又は貯蔵）することで、体積を通常のガスに比べて１／６００程度とすることができる。

【0063】

（４）パイプライン

【0064】

都市ガスと同様にパイプラインで郵送することができる。

【0065】

図１に示される如く、ＰＳＡ装置２０で分離された水素以外のオフガスは、可燃ガス供給管４８を流れて燃料として改質器１２の燃焼室７５に設けられたバーナへ供給される。

【0066】

すなわち、可燃ガス供給管４８には、オフガスバッファタンク５０が設けられている。オフガスバッファタンク５０には、ＰＳＡ装置２０から可燃ガス供給管４８を介してオフガスが流入され、蓄積される。オフガスバッファタンク５０の上流側及び下流側には開閉弁５０Ａ、５０Ｂが取り付けられ、オフガスバッファタンク５０へのオフガスの流入及び流出が制御される。

【0067】

また、オフガスバッファタンク５０の下流側には、流量調整部５２が設けられている。この流量調整部５２は、オフガスバッファタンク５０に蓄積されたオフガスを改質器１２へ供給する流量を調整する。

【0068】

オフガスバッファタンク５０の容量は、ＰＳＡ装置２０から送出されるオフガス量とバーナへ供給するオフガス量のバランスや、オフガスバッファタンク５０内の圧力等を考慮して、設定されている

【0069】

一方、改質器１２の燃焼室７５で燃焼した後の燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路からガス排出管５４に案内され、熱交換部５６において、液体室（チラー）５８の冷却管内の冷却水との熱交換によって冷却され、燃焼排ガス水分離部（ドレンタンク）６０へ流入し、水が貯留され、排ガスが排気管６２から外部へ排出される。

【0070】

貯留された水は、水回収管６４へ送出され、図示しないポンプの駆動によって、改質用の水として、改質器１２へ戻される。

【0071】

なお、各所に設置した熱交換部２４、３６、及び５６で適用されるチラー２６、３８、及び５８は単一構成として、冷媒を共有するようにしてもよい。

【0072】

（予熱制御）
ここで、改質器１２の全体を温める際に、燃焼室７５に設けたバーナ７９によって、いきなり改質器１２を温め始めると、改質触媒層８１が先に加熱され過ぎてしまい、予熱流路７７（改質用を気化する部位）が１００℃に到達する前に改質触媒層８１が、例えば、３００℃〜４００℃を超える高温となってしまうといった、温度むらが発生する場合がある。

【0073】

改質触媒層８１が高温（３００℃〜４００℃以上）になると、水が無い状態では、改質用の都市ガスから炭素が析出してしまい、こちらも触媒を劣化させる現象が生じてしまうことになる。

【0074】

そこで、本実施の形態では、予熱流路７７に加熱部としての電気ヒータ８４を設け、予熱制御部８６（図２参照）において、起動時期に先だって予熱流路７７を加熱し、起動直後から改質用の水が気化するようにした。

【0075】

図２には、改質器１２の内部構造の詳細図、並びに、改質器１２の予熱流路７７を通過する改質用の水を予め加熱するための予熱流路７７の予熱制御を実行する予熱制御部８６の機能ブロック図が示されている。なお、予熱制御部８６を示す各ブロックは、予熱制御のために実行する処理を機能別に分類したものであり、ハード構成を限定するものではない。

【0076】

予熱制御部８６は、水素製造装置１０の全体を制御するＭＣＵ（マシンコントロールユニット）８７の一部として機能する。予熱制御部８６は、ＭＣＵ８７の不揮発性メモリに予め記憶された予熱制御プログラムで構築されてもよいし、ＩＣチップに予熱制御を実行するプログラムを組み込んだＡＳＩＣ等であってもよい。さらには、論理回路に基づいて組み付けたリレーやダイオード等の電子部品を所定の配線パターンに配置したハード構成の制御基板であってもよい。

【0077】

予熱制御部８６は、ヒータコントローラ８８を備えている。ヒータコントローラ８８は、電力源として商用電源８９から電力の供給を受けるようになっている。なお、電力源は、商用電源に限らず太陽光を含む再生可能エネルギーや化石燃料による発電、蓄電池等、他の電力源であってもよい。

【0078】

ヒータコントローラ８８は、予熱指示部９０からの指示に基づき、商用電源８９の電力で予熱流路７７に設けた電気ヒータ８４を通電し、当該電気ヒータ８４の温度を制御する。本実施の形態の温度制御は、オン（フルパワー）又はオフ（パワーオフ）であり、予め定めた起動開始前（詳細後述）から起動開始までの期間をオンとして、予熱流路７７を予熱する。

【0079】

なお、本実施の形態の温度制御は精度が要求されるものではないため、オン・オフ制御（所定期間のオン制御）としたが、オン・オフ制御に限らず、例えば、予熱流路７７を精度よく所定温度に制御するために、ＰＩＤ制御等、他の温度制御形態を用いてもよい。

【0080】

予熱指示部９０は、起動時刻取得部９１に接続されている。なお、以下において、起動時期を起動時刻として説明するが、起動時期の時期は、時刻に限定されず、独自のタイマ（ソフトウェアのプログラム処理で決まる単位時間のカウント数等）によって起動時期を特定してもよい。

【0081】

起動時刻取得部９１は、起動時刻予測部９２及び標準起動時刻記憶部９３に接続されている。

【0082】

すなわち、起動時刻取得部９１では、起動時刻予測部９２又は標準起動時刻記憶部９３から取得し、予熱指示部９０へ送出する。予熱指示部９０では、受け付けた起動時刻よりも所定時間前の時刻を予熱開始時刻として設定し、当該予熱開始時刻から水素製造装置１０の起動時刻までの期間を予熱期間として、ヒータコントローラ８８を制御する。

【0083】

起動時刻予測部９２は、運転履歴情報データベース９４に接続されている。運転履歴情報データベース９４には、水素製造装置１０における過去の運転履歴情報が蓄積可能となっている。

【0084】

すなわち、運転履歴情報データベース９４には、運転履歴情報取込部９５が接続されており、運転履歴情報取込部９５では、ＭＣＵ８７の他の制御系から運転履歴情報を取り込み、運転履歴情報データベース９４へ蓄積する。

【0085】

運転履歴情報データベース９４に、水素製造装置１０の過去の起動時刻に関する情報が蓄積されることで、起動時刻予測部９２では、次の水素製造装置１０の起動時刻を機械学習によって予測する。

【0086】

例えば、起動時刻予測部９２では、季節による起動時刻の変化、業務上の運転休止日や運転開始時刻の変更（午前運転、午後運転等）、一定期間（日間、週間、月間、年間等）の水素製造量に基づく運転調整履歴等を判断材料として機械学習し、次の水素製造装置１０の起動時刻を予測する。

【0087】

標準起動時刻記憶部９３は、起動時刻のデフォルト値であり、起動時刻予測部９２において、運転履歴情報データベース９４の情報量が不足しており、機械学習によって起動時刻が予測できない場合（予測不可能な場合）に適用される起動時刻が記憶される。

【0088】

ヒータコントローラ８８による電気ヒータ８４の予熱開始時刻（予熱時間）は、予熱流路７７が、当該予熱流路７７を流れる改質用の水が気化し得る温度（１００℃）となることを目標として、マイナスの許容は０、プラスの許容は特に限界はない。

【0089】

従って、予熱指示部９０では、起動時刻取得部９１で取得した起動時刻から一律に設定した予熱開始時刻を早めに補正するようにしてもよい。この場合、冬季は早める時間を多くし、夏季は早める時間を少なくするようにすれば、必要最小限のエネルギー消費（電力消費）で予熱することができる。また、温度センサを設置して、当日の検出温度に基づいて、予測開始時刻を補正するようにしてもよい。

【0090】

以下に、本実施の形態の作用を説明する。

【0091】

まず、水素製造装置１０による水素製造工程の概略の流れを説明する。

【0092】

都市ガスは、改質器１２へ供給される。改質器１２へ供給された都市ガスは、改質器１２の予熱流路で改質用の水と混合されつつ加熱され、改質触媒層へ供給される。改質触媒層では、燃焼排ガス流路を流れる燃焼排ガスからの熱を受けて混合ガスの水蒸気改質反応によって、水素を主成分とする改質ガスＧ１が生成される。当該改質ガスは、改質ガス流路を通ってＣＯ変成触媒層へ供給される。ＣＯ変成触媒層では、改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気が反応して、水素と二酸化炭素に変換され、一酸化炭素が低減される。

【0093】

さらに、ＣＯ変成触媒層を通過した改質ガスは、酸化剤ガス供給管から供給される酸化ガス（空気）と共にＣＯ選択酸化触媒層へ供給され、ＣＯ変成触媒層（及び必要に応じてＣＯ選択酸化触媒層）を通過することで、改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気とが反応して、水素と二酸化炭素に変換され、一酸化炭素が低減された改質ガスＧ２として排出される。改質ガスＧ２は、流路管４４へ送出される。

【0094】

改質ガスＧ２は、流路管２２を経て、昇圧前水分離部１４へ供給される。昇圧前水分離部１４では、熱交換部２４での熱交換による冷却により凝縮された水が貯留され、水回収管１５へ送出される。水が分離された改質ガスＧ３は、バッファタンク３０を介して流路管２８を流れ、圧縮機１６へ供給されて、圧縮機１６によって圧縮される。

【0095】

圧縮された改質ガスＧ４は、流路管３４を流れて昇圧後水分離部１８へ供給される。昇圧後水分離部１８では、熱交換部３６での熱交換による冷却により凝縮された水が貯留され、水回収管１９へ送出される。水が分離された改質ガスＧ５は、バッファタンク４２を介して流路管４０を流れてＰＳＡ装置２０へ供給される。

【0096】

ＰＳＡ装置２０では、改質ガスＧ５が不純物であるオフガスと水素とに分離され、水素は水素供給配管４６へ送出される。送出された水素は、不図示のタンクへ貯留されたり、水素供給ラインへ送られたりする。

【0097】

水素以外の不純物を含むオフガスは、可燃ガス供給管４８を経てオフガスバッファタンク５０へ流入される。オフガスバッファタンク５０に貯留されたオフガスは、流量調整部５２で流量調整されて、改質器１２のバーナへ供給される。

【0098】

改質器１２の燃焼室７５では、オフガスが燃焼され、燃焼排ガスがガス排出管５４を介して燃焼排ガス水分離部６０へ供給される。燃焼排ガスに含まれる水は、熱交換部５６での熱交換により冷却されて凝縮され、燃焼排ガス水分離部６０に貯留され、水回収管６４へ送出される。水が分離された燃焼排ガスは、排気管６２を流れて外部へ排出される。

【0099】

次に、予熱制御部８６における予熱流路７７の予熱制御を、図３のフローチャートに従い説明する。

【0100】

ステップ１００では、運転履歴情報データベース９４に蓄積された情報量に基づく起動時刻の予測が可能か否かを判定する。

【0101】

ステップ１００で肯定判定された場合は、ステップ１０２へ移行して運転履歴情報データベース９４から運転履歴情報を読み出して、ステップ１０４へ移行する。ステップ１０４では、読み出した運転履歴情報に基づいて、機械学習によって、次の水素製造装置１０の起動時刻を予測して、ステップ１０８へ移行する。

【0102】

一方、ステップ１００で否定判定された場合は、ステップ１０６へ移行して、標準起動時刻記憶部９３から標準起動時刻を読み出して、ステップ１０８へ移行する。

【0103】

ステップ１０８では、予測した起動時刻又は読み出した標準起動時刻の何れかに基づいて、予熱開始時刻を設定し、ステップ１１０へ移行する。

【0104】

ステップ１１０では、予熱開始時刻か否かを判断し、このステップ１１０で肯定判定されると、ステップ１１２へ移行して、ヒータコントローラ８８の制御によって、電気ヒータ８４をオンし、予熱を開始する。

【0105】

次のステップ１１４では、起動時刻となったか否かを判断し、このステップ１１４で肯定判定されると、ステップ１１６へ移行して、予熱を終了し（電気ヒータ８４をオフし）、ステップ１１８へ移行する。

【0106】

ステップ１１８では、水素製造装置１０の運転が終了したか否かを判断し、このステップ１１８で肯定判定されると、ステップ１２０へ移行して、今回の起動時刻を含む運転情報を運転履歴情報データベース９４へ格納して、このルーチンは終了する。

【0107】

以上説明したように、本実施の形態では、水素製造装置１０が起動する前に、予熱流路７７を電気ヒータ８４によって予熱するようにしたため、燃焼室７５に設けたバーナ７９によって、いきなり改質器１２を温め始めたときの、改質装置下部のみが先に加熱され過ぎるといった不具合が発生せず、改質用の都市ガスから炭素の析出等を防止することができる。

【0108】

なお、本実施の形態では、起動時刻を、運転履歴情報データベース９４に蓄積された運転履歴情報に基づく予測と、標準起動時刻記憶部９３に記憶された標準起動時刻から特定とを併用し、予測可能な場合は予測を優先し、予測不可能な場合に標準起動時刻から起動時刻を特定するようにしたが、併用せずに、運転履歴情報データベース９４に蓄積された運転履歴情報に基づく予測、又は、標準起動時刻記憶部９３に記憶された標準起動時刻から特定の何れかのみで起動時刻を取得するようにしてもよい。

【符号の説明】

【0109】

Ｇ１〜Ｇ５ 改質ガス
１０ 水素製造装置
１２ 改質器
１４ 昇圧前水分離部）
１５ 水回収管
１６ 圧縮機
１８ 昇圧後水分離部
１９ 水回収管
２０ ＰＳＡ装置（水素精製器）
２２ 流路管
２４ 熱交換部
２６ 液体室
２８ 流路管
３０ バッファタンク
３２ 市水
３４ 流路管
３６ 熱交換部
３８ 液体室（チラー）
４０ 流路管
４２ バッファタンク
４４ 流路管
４６ 水素供給配管
４８ 可燃ガス供給管
５０ オフガスバッファタンク
５０Ａ、５０Ｂ 開閉弁
５２ 流量調整部
５４ ガス排出管
５６ 熱交換部
５８ 液体室（チラー）
６０ 燃焼排ガス水分離部（ドレンタンク）
６２ 排気管
６４ 水回収管
７０、７１、７２、７３ 筒状壁
７５ 燃焼室
７６ 燃焼排ガス流路
７７ 予熱流路
７８ 改質ガス流路
７９ バーナ
８０ 螺旋部材
８１ 改質触媒層
８３ ＣＯ選択酸化触媒層
８４ 電気ヒータ
８６ 予熱制御部
８７ ＭＣＵ
８８ ヒータコントローラ
８９ 商用電源
９０ 予熱指示部
９１ 起動時刻取得部
９２ 起動時刻予測部
９３ 標準起動時刻記憶部
９４ 運転履歴情報データベース
９５ 運転履歴情報取込部

【要約】

【課題】水素製造装置の運転開始（起動）前に、改質装置全体として温度むらを生じさせることなく、予め改質装置の気化器を必要最低温度まで昇温させておく。
【解決手段】水素製造装置１０が起動する前に、予熱流路７７を電気ヒータ８４によって予熱するようにしたため、燃焼室７５に設けたバーナ７９によって、いきなり改質器１２を温め始めたときの、改質装置下部のみが先に加熱され過ぎるといった不具合が発生せず、改質用の都市ガスから炭素の析出等を防止することができる。
【選択図】図２

【図1】

【図2】

【図3】