特許 6987099 ガス精製装置及びその制御方法、並びに水素製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6987099

(24)【登録日】2021年12月2日

(45)【発行日】2021年12月22日

(54)【発明の名称】ガス精製装置及びその制御方法、並びに水素製造装置

(51)【国際特許分類】

   B01D 53/047 20060101AFI20211213BHJP

   C01B 3/38 20060101ALI20211213BHJP

   C01B 3/56 20060101ALI20211213BHJP

【ＦＩ】

   B01D53/047

   C01B3/38

   C01B3/56 Z

【請求項の数】11

【全頁数】31

(21)【出願番号】特願2019-151456(P2019-151456)

(22)【出願日】2019年8月21日

(65)【公開番号】特開2021-30136(P2021-30136A)

(43)【公開日】2021年3月1日

【審査請求日】2021年1月27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

【審査官】 山崎 直也

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１７／１４６２７１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２００５−５０４６２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１００７５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−２０６４２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２７９２６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１７３２８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０４００７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｄ ５３／０２−５３／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

原料ガス中の不純物を吸着する吸着剤が充填されており、前記原料ガスから不純物を除去した精製ガスを送出する吸着工程と、前記吸着剤から前記不純物を除去する脱着工程が行われる複数の吸着塔と、
各前記吸着塔内の圧力をそれぞれ検出する複数の圧力検出手段と、
前記吸着工程の設定時間以内に吸着工程中の各前記吸着塔内の圧力が閾値圧力に到達しない場合には、前記設定時間経過時に当該吸着塔の前記吸着工程と前記脱着工程とを切り換えると共に、前記設定時間以内に吸着工程中の各吸着塔内の圧力が閾値圧力に到達した場合には、閾値圧力到達時に当該吸着塔の前記吸着工程と前記脱着工程とを直ちに切り換える制御手段と、
を備えるガス精製装置。

【請求項2】

原料ガス中の不純物を吸着する吸着剤が充填されており、前記原料ガスから不純物を除去した精製ガスを送出する吸着工程と、前記吸着剤から前記不純物を除去する脱着工程が行われる複数の吸着塔と、
各前記吸着塔内の圧力をそれぞれ検出する複数の圧力検出手段と、
前記吸着工程の設定時間以内に吸着工程中の各前記吸着塔内の圧力が閾値圧力に到達しない場合には、前記設定時間経過時に当該吸着塔の前記吸着工程と前記脱着工程とを、均圧工程を挟んで切り換えると共に、前記設定時間以内に吸着工程中の各吸着塔内の圧力が閾値圧力に到達した場合には、閾値圧力到達時に当該吸着塔の前記吸着工程と前記脱着工程とを、前記均圧工程を挟んで直ちに切り換える制御手段と、
を備えるガス精製装置。

【請求項3】

前記精製ガスを貯留する精製ガス貯留タンクをさらに備え、
前記制御手段は、装置の起動運転期間中、各前記吸着塔と前記精製ガス貯留タンクとの連通を遮断すると共に、前記起動運転期間中に吸着工程中の吸着塔から脱着工程中の吸着塔に精製ガスを供給する請求項１又は２記載のガス精製装置。

【請求項4】

前記制御手段は、前記起動運転期間中に各前記吸着塔と精製ガス貯留タンクとの連通を遮断した状態を維持させたまま、各前記吸着塔に吸着工程と脱着工程を少なくとも一回行わせる請求項３記載のガス精製装置。

【請求項5】

前記吸着塔から下流側へ前記精製ガスが送出される精製ガス流路と、
前記精製ガス流路から分岐して外部に連通するベント流路と、
前記ベント流路上に配設され、所定圧力以上となった場合には開弁するリリーフ弁と、
前記精製ガス流路において、前記ベント流路との分岐位置よりも下流側に配設され、前記吸着塔と前記下流側とを連通又は遮断させる開閉弁と、
前記精製ガスの純度を検出する純度検出手段と、
をさらに備え、前記制御手段は、前記純度検出手段で検出された前記精製ガスの純度が所定純度未満の場合には、前記開閉弁を閉弁させる請求項１〜４のいずれか１項記載のガス精製装置。

【請求項6】

炭化水素を水蒸気改質した改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスを圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された改質ガスを前記原料ガスとし、前記改質ガスから不純物を分離して前記精製ガスとしての水素ガスを得る請求項１〜５記載のいずれか１項記載のガス精製装置と、
を備える水素製造装置。

【請求項7】

複数の吸着塔のうちの一部の吸着塔に原料ガスを供給し、吸着塔内部に充填された吸着剤に不純物を吸着させて、前記原料ガスから不純物を除去した精製ガスを送出する吸着工程と、前記複数の吸着塔のうちの他の一部の吸着塔の前記吸着剤から前記不純物を除去する脱着工程とが行われるガス精製装置において、
前記吸着工程の設定時間以内に吸着工程中の各前記吸着塔内の圧力が閾値圧力に到達しない場合には、前記設定時間経過時に当該吸着塔の前記吸着工程と前記脱着工程とを切り換えると共に、前記設定時間以内に吸着工程中の各吸着塔内の圧力が閾値圧力に到達した場合には、閾値圧力到達時に当該吸着塔の前記吸着工程と前記脱着工程とを直ちに切り換えるガス精製装置の制御方法。

【請求項8】

複数の吸着塔のうちの一部の吸着塔に原料ガスを供給し、吸着塔内部に充填された吸着剤に不純物を吸着させて、前記原料ガスから不純物を除去した精製ガスを送出する吸着工程と、前記複数の吸着塔のうちの他の一部の吸着塔の前記吸着剤から前記不純物を除去する脱着工程とが行われるガス精製装置において、
前記吸着工程の設定時間以内に吸着工程中の各前記吸着塔内の圧力が閾値圧力に到達しない場合には、前記設定時間経過時に当該吸着塔の前記吸着工程と前記脱着工程とを、均圧工程を挟んで切り換えると共に、前記設定時間以内に吸着工程中の各吸着塔内の圧力が閾値圧力に到達した場合には、閾値圧力到達時に当該吸着塔の前記吸着工程と前記脱着工程とを、前記均圧工程を挟んで直ちに切り換えるガス精製装置の制御方法。

【請求項9】

前記精製ガスを貯留する精製ガス貯留タンクをさらに備えたガス精製装置の起動運転期間中、各前記吸着塔と前記精製ガス貯留タンクとの連通を遮断すると共に、前記起動運転期間中に吸着工程中の吸着塔から脱着工程中の吸着塔に精製ガスを供給する請求項７又は８記載のガス精製装置の制御方法。

【請求項10】

前記起動運転期間中に各前記吸着塔と精製ガス貯留タンクとの連通を遮断した状態を維持したまま、各前記吸着塔に吸着工程と脱着工程を少なくとも一回行う請求項９記載のガス精製装置の制御方法。

【請求項11】

前記吸着塔から下流側へ前記精製ガスが送出される精製ガス流路と、
前記精製ガス流路から分岐して外部に連通するベント流路と、
前記ベント流路上に配設され、所定圧力以上となった場合には開弁するリリーフ弁と、
前記精製ガス流路において、前記ベント流路との分岐位置よりも下流側に配設され、前記吸着塔と前記下流側とを連通又は遮断させる開閉弁と、
をさらに備えたガス精製装置において、
前記精製ガスの純度が所定純度未満の場合には、前記開閉弁を閉弁する請求項７〜１０のいずれか１項記載のガス精製装置の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガス精製装置及びその制御方法、並びに水素製造装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、原料ガスから不純物を除去して精製ガスに精製するガス精製器としてＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）装置が知られている。

【0003】

例えば、水素製造装置では、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装置（水素精製器）へ供給し、改質ガスから不純物を除去して水素ガスに精製している。具体的には、ＰＳＡ装置内にある吸着剤が配置された吸着塔に改質ガスを供給することによって、改質ガス中の不純物を吸着剤に吸着させて分離し、水素ガスに精製する。

【0004】

特許文献１には、三つの吸着塔を有するＰＳＡ装置を含む水素製造装置が提案されている。このＰＳＡ装置では、出力変動を予測して原料ガスの導入量及び昇圧や均圧等の各工程の所要時間を制御している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００１−２７９２６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、ＰＳＡ装置において各吸着塔の吸着工程や脱着工程等を設定時間で制御している場合には、吸着塔内の圧力の上昇速度が高まった場合には、設定時間内に吸着塔内の圧力が所定の圧力まで上昇しているのに次の工程に移行せず、無駄時間を生ずるおそれがあった。

【0007】

一方、ＰＳＡ装置において各吸着塔の吸着工程や脱着工程等を圧力で制御している場合には、吸着塔内の昇圧速度が低下すると吸着工程の時間がかかりすぎるという不都合があった。

【0008】

すなわち、従来のＰＳＡ装置では効率的な運転という点で、改善の余地があった。

【0009】

本発明は、効率的な運転を可能としたガス精製装置及びその制御方法、並びに水素製造装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

請求項１記載のガス精製装置は、原料ガス中の不純物を吸着する吸着剤が充填されており、前記原料ガスから不純物を除去した精製ガスを送出する吸着工程と、前記吸着剤から前記不純物を除去する脱着工程が行われる複数の吸着塔と、各前記吸着塔内の圧力をそれぞれ検出する複数の圧力検出手段と、前記吸着工程の設定時間以内に吸着工程中の各前記吸着塔内の圧力が閾値圧力に到達しない場合には、前記設定時間経過時に当該吸着塔の前記吸着工程と前記脱着工程とを切り換えると共に、前記設定時間以内に吸着工程中の各吸着塔内の圧力が閾値圧力に到達した場合には、閾値圧力到達時に当該吸着塔の前記吸着工程と前記脱着工程とを直ちに切り換える制御手段と、を備える。

【0011】

このガス精製装置では、吸着工程の設定時間以内に吸着工程中の各吸着塔の圧力が閾値圧力に到達すれば、閾値圧力到達時にその吸着塔の吸着工程と脱着工程を切り換えることによって、無駄時間が生ずることを防止できる。

【0012】

また、圧力上昇速度が高い場合に、吸着塔等の圧力が異常に高くなることや、圧力の上昇によって精製ガスが装置内部からベント（排気）されることを防止できる。

【0013】

一方、このガス精製装置では、吸着工程の設定時間以内に吸着工程中の各吸着塔の圧力が閾値圧力に到達しない場合には、設定時間経過時にその吸着塔の吸着工程と脱着工程を切り換える。これにより、吸着工程中の吸着塔の圧力上昇速度が低い場合等に吸着工程や脱着工程が長時間かかることを抑制できる。

【0014】

この結果、ガス精製装置は、各吸着塔の吸着工程と脱着工程の切り換えを効率的に行うことができる。すなわち、ガス精製装置を効率的に運転することができる。

【0015】

請求項２記載のガス精製装置は、原料ガス中の不純物を吸着する吸着剤が充填されており、前記原料ガスから不純物を除去した精製ガスを送出する吸着工程と、前記吸着剤から前記不純物を除去する脱着工程が行われる複数の吸着塔と、各前記吸着塔内の圧力をそれぞれ検出する複数の圧力検出手段と、前記吸着工程の設定時間以内に吸着工程中の各前記吸着塔内の圧力が閾値圧力に到達しない場合には、前記設定時間経過時に当該吸着塔の前記吸着工程と前記脱着工程とを、均圧工程を挟んで切り換えると共に、前記設定時間以内に吸着工程中の各吸着塔内の圧力が閾値圧力に到達した場合には、閾値圧力到達時に当該吸着塔の前記吸着工程と前記脱着工程とを、前記均圧工程を挟んで直ちに切り換える制御手段と、を備える。

【0016】

このガス精製装置では、吸着工程の設定時間以内に吸着工程中の各吸着塔の圧力が閾値圧力に到達すれば、閾値圧力到達時にその吸着塔の吸着工程と脱着工程を均圧工程を挟んで切り換えることによって、無駄時間が生ずることを防止できる。

【0017】

また、圧力上昇速度が高い場合に、吸着塔等の圧力が異常に高くなることや、圧力の上昇によって精製ガスが装置内部からベント（排気）されることを防止できる。

【0018】

一方、このガス精製装置では、吸着工程の設定時間以内に吸着工程中の各吸着塔の圧力が閾値圧力に到達しない場合には、設定時間経過時にその吸着塔の吸着工程と脱着工程を均圧工程を挟んで切り換える。これにより、吸着工程中の吸着塔の圧力上昇速度が低い場合等に吸着工程や脱着工程が長時間かかることを抑制できる。

【0019】

この結果、ガス精製装置は、各吸着塔の吸着工程と脱着工程の均圧工程を挟んだ切り換えを効率的に行うことができる。すなわち、ガス精製装置を効率的に運転することができる。

【0020】

なお、吸着工程と脱着工程の間に均圧工程を挟むことにより、均圧工程前に脱着工程だった吸着塔の昇圧を迅速にすると共に、均圧工程前に吸着工程だった吸着塔の精製ガスを脱着工程だった吸着塔に移動させ、脱着工程だった吸着塔が次の吸着工程で当該精製ガスを次の用途に用いることができる。

【0021】

請求項３記載のガス精製装置は、請求項１又は２記載のガス精製装置において、前記精製ガスを貯留する精製ガス貯留タンクをさらに備え、前記制御手段は、装置の起動運転期間中、各前記吸着塔と前記精製ガス貯留タンクとの連通を遮断すると共に、前記起動運転期間中に吸着工程中の吸着塔から脱着工程中の吸着塔に精製ガスを供給する。

【0022】

このガス精製装置では、装置の運転停止中に吸着塔内部の吸着剤に付着した不純物が拡散する。したがって、ガス精製装置の起動運転時に、吸着塔で精製される精製ガスの純度が所定の品質に到達するまで時間を要する。その間に精製された精製ガスは、所定の純度に到達していないため、精製ガスとして精製ガス貯留タンクに貯留することはできない。

【0023】

そこで、ガス精製装置の起動運転期間中には、吸着塔と精製ガス貯留タンクの連通を遮断することにより、所定純度未満の精製ガスが精製ガス貯留タンクに貯留されることを防止する。

【0024】

また、ガス精製装置の起動運転期間中に、吸着工程にある吸着塔と脱着工程にある吸着塔を連通させることで、脱着工程にある吸着塔に吸着工程にある吸着塔から精製ガスを供給し、脱着工程にある吸着塔で吸着剤からの不純物の離脱を促進することができる。この結果、吸着塔の吸着剤に付着した不純物の除去に要する時間が短縮される。

【0025】

特に、ガス精製装置の起動運転期間中は、各吸着塔と精製ガス貯留タンクを遮断しているため、吸着工程中の吸着塔の圧力上昇速度が高く、吸着工程の設定時間以内に吸着塔の圧力が閾値圧力に到達する。すなわち、吸着工程と脱着工程との切換周期が短縮され、吸着塔の吸着剤に付着した不純物の除去に要する時間が短縮れさる。

【0026】

すなわち、ガス精製装置の起動運転期間、すなわち、吸着塔から送出される精製ガスが所定純度に到達するまでの時間が短縮される。

【0027】

請求項４記載のガス精製装置は、請求項３記載のガス精製装置において、前記制御手段は、前記起動運転期間中に各前記吸着塔と精製ガス貯留タンクとの連通を遮断した状態を維持させたまま、各前記吸着塔に吸着工程と脱着工程を少なくとも一回行わせる。

【0028】

このガス精製装置では、起動運転期間中に、各吸着塔が吸着工程と脱着工程の少なくとも一回行う間、各吸着塔と精製ガス貯留タンクとの連通を遮断している。したがって、装置の起動運転期間中に各吸着塔に他の吸着塔で生成された精製ガスを供給して不純物の離脱を促進することができる。すなわち、各吸着塔の不純物の離脱を促進して、装置の起動運転期間、すなわち、所定純度の精製ガスが精製されるまでの時間を短縮することができる。
請求項５記載のガス精製装置は、請求項１〜４いずれか１項記載のガス精製装置において、前記吸着塔から下流側へ前記精製ガスが送出される精製ガス流路と、前記精製ガス流路から分岐して外部に連通するベント流路と、前記ベント流路上に配設され、所定圧力以上となった場合には開弁するリリーフ弁と、前記精製ガス流路において、前記ベント流路との分岐位置よりも下流側に配設され、前記吸着塔と前記下流側とを連通又は遮断させる開閉弁と、前記精製ガスの純度を検出する純度検出手段と、をさらに備え、前記制御手段は、前記純度検出手段で検出された前記精製ガスの純度が所定純度未満の場合には、前記開閉弁を閉弁させる。

【0032】

請求項６記載の水素製造装置は、炭化水素を水蒸気改質した改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された改質ガスを前記原料ガスとし、前記改質ガスから不純物を分離して前記精製ガスとしての水素ガスを得る請求項１〜５記載のいずれか１項記載のガス精製装置と、を備える。

【0033】

この水素製造装置では、原料ガスとして炭化水素を水蒸気改質した改質ガスが圧縮機で圧縮された後、ガス精製装置に供給される。ガス精製装置では、改質ガスが吸着塔に供給され、吸着工程の吸着塔から精製された製品水素ガスが精製ガス貯留タンクに貯留される。

【0034】

また、ガス精製装置では、上記のように、吸着工程の設定時間以内に吸着工程中の各吸着塔の圧力が閾値圧力に到達すれば、閾値圧力到達時にその吸着塔の吸着工程と脱着工程を切り換えることによって、無駄時間が生ずることを防止できる。

【0035】

また、圧力上昇速度が高い場合に、吸着塔等の圧力が異常に高くなることや、圧力の上昇によって水素ガスが装置内部からベント（排気）されることを防止できる。

【0036】

一方、吸着工程の設定時間以内に吸着工程中の各吸着塔の圧力が閾値圧力に到達しない場合には、設定時間経過時にその吸着塔の吸着工程と脱着工程を切り換える。これにより、吸着工程中の吸着塔の圧力上昇速度が低い場合等に吸着工程や脱着工程が長時間かかることを抑制できる。

【0037】

この結果、ガス精製装置は、各吸着塔の吸着工程と脱着工程の切り換えを効率的に行うことができる。すなわち、水素製造装置を効率的に運転することができる。

【0038】

請求項７記載のガス精製装置の制御方法は、複数の吸着塔のうちの一部の吸着塔に原料ガスを供給し、吸着塔内部に充填された吸着剤に不純物を吸着させて、前記原料ガスから不純物を除去した精製ガスを送出する吸着工程と、前記複数の吸着塔のうちの他の一部の吸着塔の前記吸着剤から前記不純物を除去する脱着工程とが行われるガス精製装置において、前記吸着工程の設定時間以内に吸着工程中の各前記吸着塔内の圧力が閾値圧力に到達しない場合には、前記設定時間経過時に当該吸着塔の前記吸着工程と前記脱着工程とを切り換えると共に、前記設定時間以内に吸着工程中の各吸着塔内の圧力が閾値圧力に到達した場合には、閾値圧力到達時に当該吸着塔の前記吸着工程と前記脱着工程とを直ちに切り換える。

【0039】

このガス精製装置の制御方法では、吸着工程の設定時間以内に吸着工程中の各吸着塔の圧力が閾値圧力に到達すれば、閾値圧力到達時にその吸着塔の吸着工程と脱着工程を切り換えることによって、無駄時間が生ずることを防止できる。

【0040】

また、圧力上昇速度が高い場合に、吸着塔等の圧力が異常に高くなることや、圧力の上昇によって精製ガスが装置内部からベント（排気）されることを防止できる。

【0041】

一方、このガス精製装置の制御方法では、吸着工程の設定時間以内に吸着工程中の各吸着塔の圧力が閾値圧力に到達しない場合には、設定時間経過時にその吸着塔の吸着工程と脱着工程を切り換える。これにより、吸着工程中の吸着塔の圧力上昇速度が低い場合等に吸着工程や脱着工程が長時間かかることを抑制できる。

【0042】

この結果、ガス精製装置は、各吸着塔の吸着工程と脱着工程の切り換えを効率的に行うことができる。すなわち、ガス精製装置を効率的に運転することができる。

【0043】

請求項８記載のガス精製装置の制御方法は、複数の吸着塔のうちの一部の吸着塔に原料ガスを供給し、吸着塔内部に充填された吸着剤に不純物を吸着させて、前記原料ガスから不純物を除去した精製ガスを送出する吸着工程と、前記複数の吸着塔のうちの他の一部の吸着塔の前記吸着剤から前記不純物を除去する脱着工程とが行われるガス精製装置において、
前記吸着工程の設定時間以内に吸着工程中の各前記吸着塔内の圧力が閾値圧力に到達しない場合には、前記設定時間経過時に当該吸着塔の前記吸着工程と前記脱着工程とを、均圧工程を挟んで切り換えると共に、前記設定時間以内に吸着工程中の各吸着塔内の圧力が閾値圧力に到達した場合には、閾値圧力到達時に当該吸着塔の前記吸着工程と前記脱着工程とを、前記均圧工程を挟んで直ちに切り換える。

【0044】

このガス精製装置の制御方法では、吸着工程の設定時間以内に吸着工程中の各吸着塔の圧力が閾値圧力に到達すれば、閾値圧力到達時にその吸着塔の吸着工程と脱着工程を均圧工程を挟んで切り換えることによって、無駄時間が生ずることを防止できる。

【0045】

また、圧力上昇速度が高い場合に、吸着塔等の圧力が異常に高くなることや、圧力の上昇によって精製ガスが装置内部からベント（排気）されることを防止できる。

【0046】

一方、このガス精製装置の制御方法では、吸着工程の設定時間以内に吸着工程中の各吸着塔の圧力が閾値圧力に到達しない場合には、設定時間経過時にその吸着塔の吸着工程と脱着工程を均圧工程を挟んで切り換える。これにより、吸着工程中の吸着塔の圧力上昇速度が低い場合等に吸着工程や脱着工程が長時間かかることを抑制できる。

【0047】

この結果、ガス精製装置は、各吸着塔の吸着工程と脱着工程の均圧工程を挟んだ切り換えを効率的に行うことができる。すなわち、ガス精製装置を効率的に運転することができる。

【0048】

なお、吸着工程と脱着工程の間に均圧工程を挟むことにより、均圧工程前に脱着工程だった吸着塔の昇圧を迅速にすると共に、均圧工程前に吸着工程だった吸着塔の精製ガスを脱着工程だった吸着塔に移動させ、脱着工程だった吸着塔が次の吸着工程で精製ガスを次の用途に用いることができる。

【0049】

請求項９記載のガス精製装置の制御方法は、請求項７又は８記載のガス精製装置の制御方法において、前記精製ガスを貯留する精製ガス貯留タンクをさらに備えたガス精製装置の起動運転期間中、各前記吸着塔と前記精製ガス貯留タンクとの連通を遮断すると共に、前記起動運転期間中に吸着工程中の吸着塔から脱着工程中の吸着塔に精製ガスを供給する。

【0050】

このガス精製装置の制御方法では、起動運転期間、吸着塔と精製ガス貯留タンクの連通を遮断することにより、所定純度未満の精製ガスが精製ガスとして精製ガス貯留タンクに貯留されることを防止する。

【0051】

一方、ガス精製装置の起動運転期間中に、吸着工程中の吸着塔と脱着工程中の吸着塔を連通させることで、吸着工程中の吸着塔から脱着工程中の吸着塔に精製ガスを供給し、脱着工程中の吸着塔の不純物の離脱を促進することができる。この結果、吸着塔の不純物の除去に要する時間が短縮される。

【0052】

特に、ガス精製装置の起動運転期間は、各吸着塔と精製ガス貯留タンクを遮断しているため、吸着工程中の吸着塔の圧力上昇速度が高く、吸着工程の設定時間以内に吸着塔の圧力が閾値圧力に到達する。すなわち、吸着工程と脱着工程との切換周期が短縮され、吸着塔の吸着剤に付着した不純物の除去に要する時間が短縮れさる。

【0053】

ガス精製装置の起動運転期間、すなわち、吸着塔から送出される精製ガスが所定純度に到達するまでの時間が短縮される。

【0054】

請求項１０記載のガス精製装置の制御方法は、請求項９記載のガス精製装置の制御方法において、前記起動運転期間中に各前記吸着塔と精製ガス貯留タンクとの連通を遮断した状態を維持したまま、各前記吸着塔に吸着工程と脱着工程を少なくとも一回行う。

【0055】

このガス精製装置の制御方法では、起動運転期間、各吸着塔が吸着工程と脱着工程の少なくとも一回行う間、各吸着塔と精製ガス貯留タンクとの連通を遮断している。したがって、起動運転期間中に各吸着塔に他の吸着塔で生成された精製ガスを供給して不純物の離脱を促進することができる。各吸着塔の不純物の離脱を促進して、装置の起動期間、すなわち所定純度の精製ガスが精製されるまでの時間を短縮することができる。
請求項１１記載のガス精製装置の制御方法は、請求項７〜１０のいずれか１項記載のガス精製装置の制御方法において、前記吸着塔から下流側へ前記精製ガスが送出される精製ガス流路と、前記精製ガス流路から分岐して外部に連通するベント流路と、前記ベント流路上に配設され、所定圧力以上となった場合には開弁するリリーフ弁と、前記精製ガス流路において、前記ベント流路との分岐位置よりも下流側に配設され、前記吸着塔と前記下流側とを連通又は遮断させる開閉弁と、をさらに備えたガス精製装置において、前記精製ガスの純度が所定純度未満の場合には、前記開閉弁を閉弁する。

【発明の効果】

【0059】

請求項１〜５記載の発明に係るガス精製装置、請求項６記載の発明に係る水素製造装置、及び請求項７〜１１記載の発明に係るガス精製装置の制御方法では、上記構成としたので、効率的な運転ができる。

【図面の簡単な説明】

【0060】

【図1】一実施形態に係る水素製造装置を示した概略構成図である。

【図2】一実施形態に係るＰＳＡ装置を示した概略構成図である。

【図3】一実施形態に係るＰＳＡ装置のハードウェア構成を示したブロック図である。

【図4】一実施形態に係るＰＳＡ制御部のハードウェア構成を示したブロック図である。

【図5】一実施形態に係るＰＳＡ装置の定格運転の電磁開閉弁の切換制御のタイミングチャートと、各吸着塔の内部圧力変化を示す図である。

【図6】（Ａ）は、一実施形態に係るＰＳＡ装置の定格運転における各工程と各過程の設定時間を示す図であり、（Ｂ）は起動運転における各工程と各過程の設定時間を示す図である。

【図7】一実施形態に係るＰＳＡ装置の定格運転の昇圧過程における電磁開閉弁の開閉状態を示す図である。

【図8】一実施形態に係るＰＳＡ装置の定格運転の水素送出過程における電磁開閉弁の開閉状態を示す図である。

【図9】一実施形態に係るＰＳＡ装置の定格運転のパージ過程における電磁開閉弁の開閉状態を示す図である。

【図10】一実施形態に係るＰＳＡ装置の定格運転の排気停止過程における電磁開閉弁の開閉状態を示す図である。

【図11】一実施形態に係るＰＳＡ装置の定格運転の均圧工程における電磁開閉弁の開閉状態を示す図である。

【図12】一実施形態に係るＰＳＡ装置の定格運転において、吸着塔を切り換えた吸着工程における電磁開閉弁の開閉状態を示す図である。

【図13】一実施形態に係るＰＳＡ装置の起動運転の電磁開閉弁の切換制御のタイミングチャートと、各吸着塔の内部圧力変化を示す図である。

【図14】一実施形態に係るＰＳＡ装置の起動運転の昇圧過程における電磁開閉弁の開閉状態を示す図である。

【図15】一実施形態に係るＰＳＡ装置の起動運転のパージ過程における電磁開閉弁の開閉状態を示す図である。

【図16】一実施形態に係るＰＳＡ装置の起動運転の均圧工程における電磁開閉弁の開閉状態を示す図である。

【図17】一実施形態に係るＰＳＡ装置の起動運転において、吸着塔を切り換えた吸着工程における電磁開閉弁の開閉状態を示す図である。

【図18】一実施形態に係るＰＳＡ装置の水素純度低下時の電磁開閉弁の切換制御のタイミングチャートを示す図である。

【図19】一実施形態に係るＰＳＡ装置の水素純度低下時において、ベント時の電磁開閉弁の開閉状態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0061】

一実施形態に係るＰＳＡ装置、及びそのＰＳＡ装置が適用された水素製造装置を図１〜図１９を参照して説明する。

【0062】

〈水素製造装置〉
水素製造装置１０は、図１に示すように、炭化水素（都市ガス）から水蒸気改質した改質ガスを生成する改質器２０と、改質ガスを圧縮する圧縮機３０と、圧縮された改質ガスから不純物を除去して水素ガスを精製するＰＳＡ装置４０と、を備えている。

【0063】

また、水素製造装置１０は、圧縮機３０の上流側、下流側でそれぞれ改質ガスから水分を分離・除去する昇圧前水分離部５０、昇圧後水分離部６０と、改質器２０の後述する燃焼排ガスから水分を分離・除去する燃焼排ガス水分離部７０と、を備えている。

【0064】

なお、この水素製造装置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。

【0065】

（改質器）
改質器２０は、原料として供給される都市ガスと改質用の水とを混合しつつ加熱し、混合ガスを発生させる予熱流路と、水蒸気改質反応によって、混合ガスから水素を主成分とする改質ガスＧ１を生成する改質触媒層とを備えている。改質ガスＧ１には、水素、一酸化炭素、水蒸気、メタンが含まれている。

【0066】

また、改質器２０は、改質ガスＧ１に含まれる一酸化炭素と水蒸気とが反応して、水素と二酸化炭素とに変換された改質ガスＧ２を生成する（水性シフト反応が行われる）ＣＯ変成触媒層を備えている。改質ガスＧ２は、改質ガスＧ１に比べて一酸化炭素が低減される構成である。この改質ガスＧ２が、改質ガス排出管２４に送出される構成である。

【0067】

さらに、改質器２０には、バーナーが配置された燃焼室２２が設けられており、バーナーに都市ガス又はオフガスが燃料として供給され、燃焼室２２で空気と混合されて燃焼され、燃焼排ガスがガス排出管２６へ案内される構成である。なお、この燃焼熱によって、水蒸気改質反応が促進される構成である。

【0068】

改質器２０において生成された改質ガスは、図１に示すように、昇圧前水分離部５０、圧縮機３０、昇圧後水分離部６０、及びＰＳＡ装置４０をこの順番で流れる。つまり、ガスの流れ方向において、上流側から下流側に、改質器２０、昇圧前水分離部５０、圧縮機３０、昇圧後水分離部６０、及びＰＳＡ装置４０がこの順番で配置されている。

【0069】

（昇圧前水分離部）
昇圧前水分離部５０には、改質器２０から改質ガスＧ２を流入させる改質ガス排出管２４の下流端が接続されている。昇圧前水分離部５０の底部には水回収管５２が接続され、昇圧前水分離部５０の上部には連絡流路管５４が接続されている。

【0070】

改質ガス排出管２４上には、チラー５６で冷却された水と改質ガスＧ２とを熱交換する熱交換器ＨＥ１が設けられている。

【0071】

すなわち、改質ガスＧ２は、昇圧前水分離部５０の上流の改質ガス排出管２４に配置された熱交換器ＨＥ１において、冷却水との熱交換による冷却により水が凝縮されて分離され、昇圧前水分離部５０の下部に水（液相）が貯留可能とされている。当該水（液相）は、水回収管５２へ送出される構成である。改質ガスＧ２から水が凝縮された後の改質ガスＧ３は、連絡流路管５４へ送出される構成である。

【0072】

なお、連絡流路管５４上において、昇圧前水分離部５０と圧縮機３０との間には、バッファタンク５８が配設されている。

【0073】

（圧縮機）
圧縮機３０には、昇圧前水分離部５０からの改質ガスＧ３が流れる連絡流路管５４と、昇圧後水分離部６０へ供給される改質ガスＧ３が圧縮された改質ガスＧ４が流れる連絡流路管３２とが接続されている。圧縮機３０は、昇圧前水分離部５０から供給された改質ガスＧ３を圧縮し、圧縮された改質ガスＧ４を昇圧後水分離部６０へ供給可能とされている。

【0074】

（昇圧後水分離部）
昇圧後水分離部６０には、圧縮機３０から改質ガスＧ４を流入させる連絡流路管３２の下流端が接続されている。昇圧後水分離部６０の底部には水回収管６２が接続され、昇圧後水分離部６０の上部には連絡流路管６４が接続されている。

【0075】

連絡流路管３２上には、チラー６６で冷却された水と改質ガスＧ４とを熱交換する熱交換器ＨＥ２が設けられている。

【0076】

すなわち、改質ガスＧ４は、昇圧後水分離部６０の上流の連絡流路管３２に配置された熱交換器ＨＥ２において、冷却水との熱交換による冷却により水が凝縮されて分離され、昇圧後水分離部６０の下部に水（液相）が貯留可能されている。当該水（液相）は、水回収管６２へ送出される構成である。改質ガスＧ４から水が凝縮された後の改質ガスＧ５は、連絡流路管６４へ送出される構成である。

【0077】

なお、連絡流路管６４上において、昇圧後水分離部６０とＰＳＡ装置４０との間には、バッファタンク６８が配設されている。

【0078】

（ＰＳＡ装置（概略））
ＰＳＡ装置４０には、昇圧後水分離部６０からの改質ガスＧ５が流れる連絡流路管６４の下流端と、精製された水素（ガス）が送出される水素供給管４２の上流端と、ＰＳＡ装置４０で分離されたオフガスが送出されるオフガス供給管４４の上流端とが接続されている。さらに、ＰＳＡ装置４０には、内部の水素（ガス）圧力が過剰となった場合に、水素製造装置１０の外部に水素を排出するベント管４５の上流端が接続されている。

【0079】

ＰＳＡ装置４０は、水素精製器として用いられるものである。このＰＳＡ装置４０は、一対の吸着塔を備え、一方の吸着塔で吸着剤に不純物を吸着させる吸着工程を行い、他方の吸着塔で吸着剤に吸着した不純物を脱着させる脱着工程を行い、次に一方の吸着塔で脱着工程、他方の吸着塔で吸着工程を行う。これを周期的に繰り返すことで、改質ガスＧ５を水素と一酸化炭素を含む不純物（オフガスＯＧ）とに連続的に分離して、精製された水素が水素供給管４２に送出される構成である。

【0080】

一方、オフガス供給管４４は、改質器２０の燃焼室２２に連通している。また、オフガス供給管４４上には、オフガスバッファタンク４６が設けられている。したがって、オフガスＯＧは、オフガスバッファタンク４６を介して改質器２０の燃焼室２２にバーナーの燃料として供給される構成である。

【0081】

なお、ＰＳＡ装置４０の詳細については、後述する。また、ＰＳＡ装置４０が「ガス精製装置」に相当する。

【0082】

（燃焼排ガス水分離部）
燃焼排ガス水分離部７０には、改質器２０の燃焼室２２から燃焼排ガスを導くガス排出管２６の下流端が接続されている。燃焼排ガス水分離部７０の底部には水回収管７２が接続され、燃焼排ガス水分離部７０の上部にはガス排出管７４が接続されている。

【0083】

ガス排出管２６上には、チラー７６で冷却された水と燃焼排ガスとを熱交換する熱交換器ＨＥ３が設けられている。

【0084】

すなわち、燃焼室２２から排出される燃焼排ガスは、燃焼排ガス水分離部７０の上流のガス排出管２６に配置された熱交換器ＨＥ３において、冷却水との熱交換による冷却により水が凝縮されて分離され、燃焼排ガス水分離部７０の下部に水（液相）が貯留可能とされている。当該水（液相）は、水回収管７２へ送出される構成である。水が凝縮された後の燃焼排ガスは、ガス排出管７４から外気中へ排出される構成である。

【0085】

水回収管５２、６２、７２の各々の下流端は、改質用水供給管８０に接続されている。改質用水供給管８０には、溶存イオン成分を除去するための水処理器（イオン交換樹脂）８２が設けられている。また、改質用水供給管８０には、外部水供給部８４が接続されている。外部水供給部８４から改質用水供給管８０に、例えば純水または市水が供給される構成である。

【0086】

さらに、改質用水供給管８０には、ポンプＰ１が設けられている。昇圧前水分離部５０、昇圧後水分離部６０、燃焼排ガス水分離部７０で分離された水、又は外部水供給部８４から供給された水は、ポンプＰ１によって改質器２０へ供給される構成である。

【0087】

(ＰＳＡ装置（詳細））
ＰＳＡ装置４０の内部構造について図２を参照して詳細に説明する。

【0088】

図２に示すように、ＰＳＡ装置４０は、それぞれ改質ガスＧ５の不純物を吸着させる吸着剤が内部に配設された第１吸着塔１０２と、第２吸着塔１０４と、改質ガスＧ５を精製して製造された製品水素ガスを貯留する水素ガス貯留タンク１０６と、を有する。なお、水素ガス貯留タンク１０６が「精製ガス貯留タンク」に相当する。

【0089】

ＰＳＡ装置４０において、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４の原料ガス（改質ガスＧ５）供給側には、一端が連絡流路管６４に接続される原料ガス供給流路１０８と、原料ガス供給流路１０８の他端から分岐された原料ガス供給分岐流路１１０Ａ、１１０Ｂと、原料ガス供給分岐流路１１０Ａ、１１０Ｂにそれぞれ接続される共通流路１１２Ａ、１１２Ｂと、が配設されている。

【0090】

すなわち、第１吸着塔１０２には、原料ガス供給流路１０８、原料ガス供給分岐流路１１０Ａ、共通流路１１２Ａを介して連絡流路管６４から改質ガスＧ５が供給可能に構成されている。

【0091】

同様に、第２吸着塔１０４には、原料ガス供給流路１０８、原料ガス供給分岐流路１１０Ｂ、共通流路１１２Ｂを介して連絡流路管６４から改質ガスＧ５が供給可能に構成されている。

【0092】

また、原料ガス供給分岐流路１１０Ａ、１１０Ｂには、それぞれ電磁開閉弁１１４Ａ、１１４Ｂが配設されており、電磁開閉弁１１４Ａ、１１４Ｂの開閉によって第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４と原料ガス供給流路１０８（連絡流路管６４）とが連通又は遮断される構成である。

【0093】

ＰＳＡ装置４０において、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４のオフガス排出側には、オフガス供給管４４に一端が接続されたオフガス排出流路１１６と、オフガス排出流路１１６の他端で分岐されたオフガス排出分岐流路１１８Ａ、１１８Ｂと、オフガス排出分岐流路１１８Ａ、１１８Ｂがそれぞれ接続される共通流路１１２Ａ、１１２Ｂと、が設けられている。

【0094】

すなわち、第１吸着塔１０２から排出されたオフガスは、共通流路１１２Ａ、オフガス排出分岐流路１１８Ａ、オフガス排出流路１１６を介してオフガス供給管４４に送出可能に構成されている。

【0095】

同様に、第２吸着塔１０４から排出されたオフガスは、共通流路１１２Ｂ、オフガス排出分岐流路１１８Ｂ、オフガス排出流路１１６を介してオフガス供給管４４に送出可能に構成されている。

【0096】

なお、オフガス排出分岐流路１１８Ａ、１１８Ｂには、それぞれ電磁開閉弁１２０Ａ、１２０Ｂが配設されており、電磁開閉弁１２０Ａ、１２０Ｂの開閉によって第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４とオフガス排出流路１１６（オフガス供給管４４）とが連通又は遮断される構成である。

【0097】

さらに、共通流路１１２Ａと共通流路１１２Ｂは、連絡流路１２２で接続されている。

【0098】

したがって、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４は、共通流路１１２Ａ、連絡流路１２２、共通流路１１２Ｂを介して連通されている。

【0099】

なお、連絡流路１２２上には、一対の電磁開閉弁１２４Ａ、１２４Ｂが配設されており、一対の電磁開閉弁１２４Ａ、１２４Ｂの開閉によって第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４とが連通又は遮断される構成である。

【0100】

第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４の精製ガス（製品水素ガス）の送出側には、水素ガス貯留タンク１０６に一端が接続された製品水素ガス送出流路１２６と、製品水素ガス送出流路１２６の他端が接続される製品水素ガス送出分岐流路１２８Ａ、１２８Ｂと、製品水素ガス送出分岐流路１２８Ａと第１吸着塔１０２とを連通させる共通流路１３０Ａと、製品水素ガス送出分岐流路１２８Ｂと第２吸着塔１０４とを連通させる共通流路１３０Ｂと、が設けられている。

【0101】

なお、製品水素ガス送出分岐流路１２８Ａ、１２８Ｂ上には、それぞれ電磁開閉弁１３２Ａ、１３２Ｂが配設されており、電磁開閉弁１３２Ａ、１３２Ｂを開閉することにより、第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４と水素ガス貯留タンク１０６とが連通又は遮断される構成である。

【0102】

また、共通流路１３０Ａ、１３０Ｂ間には、両者を接続する連絡流路１３４が設けられている。連絡流路１３４の略中央には、局部的に縮径されたオリフィス１３６が設けられている。また、連絡流路１３４においてオリフィス１３６の両側には、それぞれ電磁開閉弁１３８Ａ、１３８Ｂが配設されている。

【0103】

したがって、電磁開閉弁１３８Ａ、１３８Ｂを開閉することにより、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４とが共通流路１３０Ａ、連絡流路１３４（オリフィス１３６）、共通流路１３０Ｂを介して連通又は遮断される構成である。

【0104】

また、連絡流路１３４において電磁開閉弁１３８Ａよりも共通流路１３０Ａ側と電磁開閉弁１３８Ｂよりも共通流路１３０Ｂ側とを連通させた連絡流路１４０が設けられており、連絡流路１４０上にも一対の電磁開閉弁１４２Ａ、１４２Ｂが配設されている。

【0105】

したがって、電磁開閉弁１４２Ａ、１４２Ｂを開閉することにより、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４とが連絡流路１４０を介して（オリフィス１３６を介さずに）連通又は遮断される構成である。

【0106】

水素ガス貯留タンク１０６の下流側には、製品水素ガス供給流路１４４の一端が接続されており、製品水素ガス供給流路１４４の他端が水素供給管４２に接続されている。なお、第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４の下流側に位置する製品水素ガス送出流路１２６、製品水素ガス供給流路１４４が「精製ガス流路」に相当する。

【0107】

製品水素ガス供給流路１４４上には、上流側からプレッシャーレギュレータ１４８、マスフロコントローラ１５０、電磁開閉弁１５２が配設されている。なお、電磁開閉弁１５２が「開閉弁」に相当する。また、マスフロコントローラ１５０は省略しても良い。

【0108】

プレッシャーレギュレータ１４８は、製品水素ガスを所定の圧力に調整して水素ガス利用者側に供給するものである。

【0109】

マスフロコントローラ１５０は、製品水素ガスの流量を調整するものである。

【0110】

電磁開閉弁１５２は、水素ガス貯留タンク１０６と水素供給管４２とを連通又は遮断させるものである。すなわち、製品水素ガスを水素ガス利用者側に供給可能又は供給不能（遮断）とするものである。

【0111】

なお、製品水素ガス供給流路１４４においてプレッシャーレギュレータ１４８の上流側から分岐して、ＰＳＡ装置４０の外部のベント管４５に接続される
ベント流路１５４が設けられている。ベント流路１５４には、所定圧力以上の場合のみ開放される逆止（リリーフ）弁１５６が設けられている。

【0112】

したがって、製品水素ガス供給流路１４４においてプレッシャーレギュレータ１４８の上流側の圧力が過剰となった場合に逆止弁１５６が開放され、製品水素ガスがベント流路１５４からベント管４５を介して水素製造装置１０の外部に排出される構成である。

【0113】

また、製品水素ガス供給流路１４４においてマスフロコントローラ１５０の下流側で電磁開閉弁１５２の上流側から分岐して、ＰＳＡ装置４０の外部に連通する水素ガス分析流路１５８が設けられている。この水素ガス分析流路１５８の先端には、水素ガス分析装置１５９が接続されており、精製された水素ガスの純度等を検出している。水素ガス分析装置１５９は、検出された水素ガスの純度が所定純度未満の場合には、ＰＳＡ制御部１７０に純度異常信号を出力する。なお、水素ガス分析装置１５９は、ＰＳＡ装置４０の外部で接続されているが、ＰＳＡ装置４０の「純度検出手段」に相当する。また、水素ガス分析装置１５９はＰＳＡ装置４０の内部に設けられていても良い。

【0114】

原料ガス供給流路１０８、第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４、製品水素ガス供給流路１４４には、それぞれ圧力センサ１６０、１６２、１６４、１６６が配設されている。圧力センサ１６２、１６４が圧力検出手段に相当する。

【0115】

原料ガス供給流路１０８に配設された圧力センサ１６０によってＰＳＡ装置４０に供給された原料ガス、すなわち改質ガスＧ５の圧力が検出される構成である。

【0116】

また、第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４にそれぞれ配設された圧力センサ１６２、１６４によって第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４の内部圧力がそれぞれ検出される構成である。

【0117】

さらに、製品水素ガス供給流路１４４においてプレッシャーレギュレータ１４８とマスフロコントローラ１５０との間に配設された圧力センサ１６６によってＰＳＡ装置４０から供給される製品水素ガスの圧力が検出される構成である。

【0118】

（制御部）
ＰＳＡ装置４０は、ＰＳＡ制御部１７０を有している。ＰＳＡ制御部１７０は、図３に示すように、電磁開閉弁１１４Ａ、１１４Ｂ、１２０Ａ、１２０Ｂ、１２４Ａ、１２４Ｂ、１３２Ａ、１３２Ｂ、１３８Ａ、１３８Ｂ、１４２Ａ、１４２Ｂ、１５２（以下、「電磁開閉弁１１４Ａ〜１５２」という）、圧力センサ１６０、１６２、１６４、１６６、及び水素ガス分析装置１５９と図示しない信号線で接続されており、後述する制御プログラムに沿って圧力センサ１６２、１６４の検出値や水素ガス分析装置１５９で検出された水素ガスの純度等に基づいて各電磁開閉弁１１４Ａ〜１５２を開閉制御するものである。

【0119】

なお、ＰＳＡ制御部１７０及び電磁開閉弁１１４Ａ〜１５２が「制御手段」に相当する。

【0120】

次に、ＰＳＡ制御部１７０のハードウェア構成について説明する。

【0121】

図４に示すように、ＰＳＡ制御部１７０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：プロセッサ）１７２、ＲＯＭ（Read Only Memory）１７４、ＲＡＭ（Random Access Memory）１７６、ストレージ１７８、及びインタフェース１８０を含んで構成されている。各構成は、バス１８２を介して相互に通信可能に接続されている。

【0122】

ＣＰＵ１７２は、中央演算処理ユニットであり、各種プログラムを実行したり、各部を制御したりする。すなわち、ＣＰＵ１７２は、ＲＯＭ１７４又はストレージ１７８からプログラムを読み出し、ＲＡＭ１７６を作業領域としてプログラムを実行する。ＣＰＵ１７２は、ＲＯＭ１７４又はストレージ１７８に記録されているプログラムに従って、上記各構成の制御および各種の演算処理を行う。

【0123】

ＲＯＭ１７４は、各種プログラムおよび各種データを格納する。ＲＡＭ１７６は、作業領域として一時的にプログラムまたはデータを記憶する。ストレージ１７８は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）またはＳＳＤ（Solid State Drive）により構成され、オペレーティングシステムを含む各種プログラム、および各種データを格納する。

【0124】

インタフェース１８０は、ＰＳＡ制御部１７０が他の機器と接続するためのインタフェースである。

【0125】

（作用）
次に、水素製造装置１０及びＰＳＡ装置４０の作用について説明する。先ず、水素製造装置１０の作用について説明する。

【0126】

図１に示すように、水素製造装置１０の改質器２０へ供給された都市ガスは、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、燃焼室２２の燃焼排ガスからの熱を受け、水蒸気改質反応によって混合ガスから水素を主成分とする改質ガスＧ１が生成される。この改質ガスＧ１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Ｇ１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た改質ガスＧ２は、改質ガス排出管２４へ送出される。

【0127】

この際、改質器２０の燃焼室２２では、供給された都市ガス又はオフガスと空気とが混合された気体がバーナーによって燃焼される。燃焼排ガスは、燃焼室２２からガス排出管２６を介して燃焼排ガス水分離部７０へ供給される。図１に示すように、燃焼排ガスに含まれる水は、熱交換器ＨＥ３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７０に貯留され、水回収管７２へ送出される。水が分離された燃焼排ガスは、ガス排出管７４から外気中へ排出される。

【0128】

一方、図１に示すように、改質ガスＧ２は、改質ガス排出管２４を経て、昇圧前水分離部５０へ供給される。昇圧前水分離部５０では、熱交換器ＨＥ１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５２へ送出される。改質ガスＧ２から水が分離された改質ガスＧ３は、連絡流路管５４からバッファタンク５８を介して圧縮機３０へ供給され、圧縮機３０によって圧縮される。

【0129】

改質ガスＧ３が圧縮された改質ガスＧ４は、連絡流路管３２から昇圧後水分離部６０へ供給される。昇圧後水分離部６０では、熱交換器ＨＥ２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６２へ送出される。改質ガスＧ４から水が分離された改質ガスＧ５は、連絡流路管６４からバッファタンク６８を介してＰＳＡ装置４０へ供給される。

【0130】

なお、昇圧前水分離部５０、昇圧後水分離部６０、燃焼排ガス水分離部７０からそれぞれ水回収管５２、６２、７２に送出された水は、改質用水供給管８０に戻される。ポンプＰ１の駆動により、改質用水供給管８０から改質器２０に改質水として供給される。

【0131】

ＰＳＡ装置４０では、圧力スイング方式が採用されており、一対の吸着塔の一方では吸着剤に水素以外の不純物が吸着され、他方の吸着塔では吸着剤に吸着された不純物が脱着されている。ＰＳＡ装置４０では、この吸着工程と脱着工程をそれぞれの吸着塔で一定の周期で繰り返すことにより、改質ガスＧ３から連続的に水素と不純物が分離されて水素が精製される。

【0132】

続いて、ＰＳＡ装置４０の具体的動作について図５〜図１９を参照して説明する。

【0133】

図５は、第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４の工程と、電磁開閉弁１１４Ａ〜１５２の開閉タイミングを記載したタイミングチャートと、その際の第１吸着塔１０２、１０４の圧力変化（実線が第１吸着塔１０２の圧力（圧力センサ１６２の検出値）、破線が第２吸着塔１０４の圧力（圧力センサ１６４の検出値））を示したものである。図１３も同様である。

【0134】

（定格運転）
先ず、ＰＳＡ装置４０の定格運転について図５〜図１２を参照して説明する。この場合には、ＰＳＡ制御部１７０は、定格運転制御プログラムをストレージ１７８から読み出し、実行することにより、電磁開閉弁１１４Ａ〜１５２の開閉制御を行うものである。

【0135】

ここで、第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４における吸着工程(吸着工程内の昇圧過程、水素送出過程、パージ過程、排気停止過程の各過程)、均圧工程、脱着工程、均圧工程の切り換えは、それぞれの設定時間によって基本的に制御されている。定格運転の各工程、各過程の設定時間を図６（Ａ）に示す。

【0136】

但し、後述する吸着塔内部の圧力が吸着工程の設定時間内に閾値圧力Ｔｈ１に到達した場合には、次工程に切り換えられる構成である。

【0137】

なお、水素製造装置１０の改質器２０及び圧縮機３０は連続的に運転され、改質器２０で製造され、圧縮機３０で圧縮された改質ガスＧ５が連続的にＰＳＡ装置４０に供給されている。

【0138】

第１吸着塔１０２が吸着工程、第２吸着塔１０４が脱着工程で開始される状態から説明する。なお、各電磁開閉弁の開閉は、ＰＳＡ制御部１７０からの制御信号によって制御されている。

【0139】

図５及び図７に示すように、先ず、時刻Ｔ０において、ＰＳＡ制御部１７０からの制御信号により電磁開閉弁１１４Ａが開弁され、連絡流路管６４から原料ガス供給流路１０８を介して第１吸着塔１０２に改質ガスＧ５が供給される。この際、第１吸着塔１０２の下流側に位置する電磁開閉弁１３２Ａ、１３８Ａ、１４２Ａは全て閉弁している。この結果、第１吸着塔１０２内の圧力が上昇する（昇圧過程）。

【0140】

なお、電磁開閉弁１１４Ａ〜１５２の開閉がＰＳＡ制御部１７０からの制御信号に基いて行われることは明らかであるため、以下の各電磁開閉弁１１４Ａ〜１５２の開閉については「ＰＳＡ制御部１７０からの制御信号により」の記述を省略する。

【0141】

また、時刻Ｔ０において、電磁開閉弁１２０Ｂが開弁され、第２吸着塔１０４がオフガス排出流路１１６と連通される。これにより、第２吸着塔１０４からオフガス排出流路１１６を介してオフガス供給管４４にオフガスＯＧが排出される。

【0142】

なお、図７において、ＰＳＡ装置４０の各流路のうち太線で記載されている部分が、ガスが流れている部分である。また、図７において、電磁開閉弁１１４Ａ〜１５２を黒塗りで示した場合が閉弁状態を表し、電磁開閉弁１１４Ａ〜１５２を白抜きで示した場合が開弁状態を表す。以下、他の図でも同様である。

【0143】

次に、図５及び図８に示すように、時刻Ｔ０から設定時間ｔ１経過後の時刻Ｔ１で電磁開閉弁１３２Ａを開弁する。換言すれば、第１吸着塔１０２内の圧力が十分に上昇し、吸着剤が不純物を十分に吸着して第１吸着塔１０２から所定の純度の水素ガスが送出可能となるように、設定時間ｔ１が設定されている。これにより、第１吸着塔１０２と水素ガス貯留タンク１０６とを連通させ、第１吸着塔１０２で精製された精製水素ガスを水素ガス貯留タンク１０６に供給する（水素送出過程）。

【0144】

なお、ＰＳＡ装置４０の定格運転中は、電磁開閉弁１５２は常時開弁されており、水素ガス貯留タンク１０６から送出された製品水素ガスは、プレッシャーレギュレータ１４８で所定圧力とされ、マスフロコントローラ１５０で所定流量とされた後、水素供給管４２を介して水素ガス利用者側に供給される。

【0145】

この際、製品水素ガス供給流路１４４から水素ガス分析流路１５８を介して水素ガス分析装置１５９に製品水素ガスが供給され、製品水素ガスの水素純度が所定純度以上か否かが検出されている。製品水素ガスの水素純度が所定純度未満となった場合には、水素ガス分析装置１５９からＰＳＡ制御部１７０に純度異常信号が出力される構成である。

【0146】

さらに、図５及び図９に示すように、時刻Ｔ１から設定時間ｔ２経過後の時刻Ｔ２で、電磁開閉弁１３８Ａ、１３８Ｂを開弁する。この結果、第１吸着塔１０２及び水素ガス貯留タンク１０６と第２吸着塔１０４とが、オリフィス１３６を介して連通する。これにより、第１吸着塔１０２又は水素ガス貯留タンク１０６から第２吸着塔１０４に精製された水素ガスが供給され、第２吸着塔１０４内の吸着剤に付着した不純物が水素ガスで除去され、オフガスとしてオフガス排出流路１１６からオフガス供給管４４に排出される（パージ過程）。

【0147】

また、図５及び図１０に示すように、時刻Ｔ２から設定時間ｔ３経過後の時刻Ｔ３で、電磁開閉弁１２０Ｂが閉弁される。すなわち、第２吸着塔１０４とオフガス排出流路１１６との連通が遮断される。これにより、第２吸着塔１０４では、オリフィス１３６から水素ガスが供給される一方、オフガスの排出が停止されるため、内部の圧力が上昇する（排気停止過程）。

【0148】

さらに、図５及び図１１に示すように、時刻Ｔ３から設定時間ｔ４経過後の時刻Ｔ４で電磁開閉弁１１４Ａ、１３２Ａ、１３８Ａ、１３８Ｂが閉弁される。これにより、第１吸着塔１０２が原料ガス供給流路１０８と遮断されると共に、水素ガス貯留タンク１０６及びオリフィス１３６と遮断される。

【0149】

これにより、第１吸着塔１０２に改質ガスが供給されなくなると共に、第１吸着塔１０２から水素ガス貯留タンク１０６に精製された水素ガスが送出されることも停止される。

【0150】

また、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４とのオリフィス１３６を介しての連通も遮断される。

【0151】

このタイミングで電磁開閉弁１２４Ａ、１２４Ｂと電磁開閉弁１４２Ａ、１４２Ｂが開弁される。これにより、第１吸着塔１０２の上流側と第２吸着塔１０４の上流側、第１吸着塔１０２の下流側と第２吸着塔１０４の下流側が連通される。

【0152】

このように、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４がオリフィス１３６を介さずに上流側と下流側で連通されることにより、圧力が均等化される（均圧工程）。

【0153】

さらに、図５及び図１２に示すように、時刻Ｔ４から設定時間Ｔｓ２経過後の時刻Ｔ５で、電磁開閉弁１２４Ａ、１２４Ｂと電磁開閉弁１４２Ａ、１４２Ｂが閉弁され、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４との連通が遮断される。

【0154】

同時に、電磁開閉弁１１４Ｂが開弁され、第２吸着塔１０４と原料ガス供給流路１０８とが連通され、連絡流路管６４から原料ガス供給流路１０８を介して第２吸着塔１０４に改質ガスＧ５が供給される。

【0155】

また、電磁開閉弁１２０Ａが開弁され、第１吸着塔１０２とオフガス排出流路１１６とが連通され、第１吸着塔１０２からオフガス排出流路１１６を介してオフガス供給管４４にオフガスが排出される。

【0156】

以下、時刻Ｔ０から時刻Ｔ５までのタイミングと同様に、時刻Ｔ５から時刻Ｔ１０までのタイミングで電磁開閉弁の開閉制御が行われることにより、第１吸着塔１０２で脱着工程と均圧工程が行われ、第２吸着塔１０４で吸着工程と均圧工程が行われる。これは、吸着塔を入れ替えただけで動作は同様であるので詳細な説明を省略する。

【0157】

この後は、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４を切り換えながら、この制御を繰り返していく。

【0158】

なお、このＰＳＡ装置４０では、図５に示すように、定格運転中の第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４の最大圧力値よりも少し高い圧力に閾値圧力Ｔｈ１が設定されている。

【0159】

これは、ＰＳＡ装置４０の定格運転期間中に、何らかの事情より第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４の圧力が閾値圧力Ｔｈ１よりも高まった場合や、水素ガス貯留タンク１０６の圧力が高まった場合には、逆止弁１５６が開弁されることにより、水素ガス貯留タンク１０６からベント流路１５４、ベント管４５を介して水素製造装置１０の外部に水素が排出される（水素がベントされる）構成とされている。

【0160】

したがって、ＰＳＡ制御部１７０における定格運転及び後述する起動運転では、吸着工程、脱着工程、均圧工程等の切り換えを基本的に設定時間に基づいて行うが、第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４の圧力（圧力センサ１６２、１６４の検出値）が設定時間以内に閾値圧力Ｔｈ１に到達すると、吸着工程と脱着工程とを直ちに切り換える。これにより、第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４の圧力が閾値圧力Ｔｈ１を超えてＰＳＡ装置４０のベント流路１５４からベント管４５を介して水素ガスがベントされることを防止する構成である。本実施形態のように、吸着工程と脱着工程の間に均圧工程を挟んでいる場合には、吸着工程又は脱着工程から均圧工程に直ちに移行する構成である。

【0161】

なお、「ＰＳＡ装置の定格運転」とは、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４の一方が吸着工程を行い、他方が脱着工程を行い、次に一方が脱着工程を行い、他方が吸着工程を行うことを繰り返し行い、改質ガスＧ５を所定純度以上の製品水素ガスに精製する運転のことをいう。本実施形態のように吸着工程と脱着工程を切り換える際に、均圧工程を挟むものも含む。

【0162】

（起動運転）
次に、ＰＳＡ装置４０を起動させる場合について、図１３〜図１７を参照して説明する。

【0163】

この際、水素製造装置１０の図示しない制御部からＰＳＡ制御部１７０に起動信号が入力される。

【0164】

ＰＳＡ制御部１７０では、起動信号が入力されると、起動運転制御プログラムをストレージ１７８から読み出し、実行することにより、電磁開閉弁１１４Ａ〜１５２の開閉制御を行い、起動運転が行われる。なお、「ＰＳＡ装置の起動運転」とは、ＰＳＡ装置４０の起動開始から少なくとも各吸着塔から所定純度の水素ガスが送出可能となるまでのＰＳＡ装置４０の運転をいう。

【0165】

ＰＳＡ制御部１７０では、起動運転制御プログラムに従って上記定格運転と同様に時間制御を基本として制御する。ただし、起動運転期間中、電磁開閉弁１３２Ａ、１３２Ｂを閉弁した状態を維持することによって、所定純度未満の水素ガスが水素ガス貯留タンク１０６に貯蔵されることを防止するものである。このため、定格運転の吸着工程における水素送出過程を省略しているものである。すなわち、起動運転の吸着工程（脱着工程）の設定時間Ｔｓ３は、その分だけ定格運転の吸着工程の設定時間Ｔｓ１よりも短く設定されている（Ｔｓ３＝Ｔｓ１−ｔ２）。なお、各過程の設定時間は、定格運転と同様である（図６（Ｂ）参照）。

【0166】

また、本実施形態のＰＳＡ装置４０では、起動運転として、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４が吸着工程と脱着工程をそれぞれ一回ずつ行った後、定格運転に移行するものである。

【0167】

なお、水素製造装置１０の改質器２０及び圧縮機３０は連続的に運転され、改質器２０で製造され、圧縮機３０で圧縮された改質ガスＧ５が連続的にＰＳＡ装置４０に供給されている。

【0168】

なお、ＰＳＡ制御部１７０では、ＰＳＡ装置４０の運転終了直前に脱着工程であった吸着塔を記憶しており、その吸着塔が吸着工程で開始するように起動される。

【0169】

本実施形態では、第１吸着塔１０２が吸着工程、第２吸着塔１０４が脱着工程で開始される。なお、各電磁開閉弁の開閉は、ＰＳＡ制御部１７０からの制御信号によって制御されている。

【0170】

図１３及び図１４に示すように、先ず、時刻Ｔ１１において、電磁開閉弁１１４Ａが開弁され、連絡流路管６４から原料ガス供給流路１０８を介して第１吸着塔１０２に改質ガスＧ５が供給される。この際、第１吸着塔１０２の下流側に位置する電磁開閉弁１３２Ａ、１３８Ａ、１４２Ａは全て閉弁している。この結果、第１吸着塔１０２内の圧力が上昇する（昇圧過程）。

【0171】

また、時刻Ｔ１１において、電磁開閉弁１２０Ｂが開弁され、第２吸着塔１０４がオフガス排出流路１１６に連通される。これにより、第２吸着塔１０４からオフガス排出流路１１６を介してオフガス供給管４４にオフガスＯＧが排出される。

【0172】

次に、図１３及び図１５に示すように、時刻Ｔ１１から設定時間ｔ１経過後の時刻Ｔ１２で、電磁開閉弁１３８Ａ、１３８Ｂを開放する。これにより、第１吸着塔１０２又は水素ガス貯留タンク１０６と第２吸着塔１０４とが、オリフィス１３６を介して連通する。これにより、第１吸着塔１０２又は水素ガス貯留タンク１０６から第２吸着塔１０４に精製された水素ガスが供給され、第２吸着塔１０４内の吸着剤に付着した不純物が水素ガスで除去され、オフガスとしてオフガス排出流路１１６からオフガス供給管４４に排出される（パージ過程）。

【0173】

なお、定格運転では、図５及び図８に示すように、第１吸着塔１０２内の圧力が十分に上昇した場合には（時刻Ｔ１で）、電磁開閉弁１３２Ａを開弁し、第１吸着塔１０２で精製された精製水素ガスを水素ガス貯留タンク１０６に供給する水素送出過程が行われるが、起動運転期間中は、図１３に示すように、電磁開閉弁１３２Ａの閉弁状態が維持され、水素送出過程が省略されている。

【0174】

これは、起動運転時には、ＰＳＡ装置４０の運転停止中に吸着塔内の吸着剤内部で不純物が拡散しており、昇圧過程終了時（設定時間ｔ１経過後の時刻Ｔ１２）でも精製された水素ガスの純度が所定純度まで到達していないからである。

【0175】

また、ＰＳＡ装置４０の起動運転中は、電磁開閉弁１５２は常時閉弁されており、水素ガス貯留タンク１０６から水素供給管４２を介して水素ガス利用者側に供給されていない。

【0176】

ところで、上記パージ過程時には、定格運転と異なり、電磁開閉弁１３２Ａが閉弁されているため、第１吸着塔１０２から送出された精製された水素ガスが水素ガス貯留タンク１０６に供給されることはない。したがって、第１吸着塔１０２の圧力上昇速度が高い。この結果、プログラムに設定された吸着工程の設定時間Ｔｓ３（パージ過程の設定時間ｔ３）経過前の時刻Ｔ１３で、第１吸着塔１０２の圧力が閾値圧力Ｔｈ１に到達する（図１３参照）。

【0177】

ＰＳＡ制御部１７０は、圧力センサ１６２の検出結果に基づいて第１吸着塔１０２の圧力が起動運転の吸着工程の設定時間Ｔｓ３以内で閾値圧力Ｔｈ１に到達したことを検知すると、第１吸着塔１０２の吸着工程、第２吸着塔１０４の脱着工程を直ちに終了させ、均圧工程に移行させる。なお、本実施形態において、起動運転の吸着工程の設定時間Ｔｓ３とは、定格運転の吸着工程の設定時間Ｔｓ１（＝ｔ１+ｔ２+ｔ３+ｔ４、図５、図６（Ａ）参照）から水素送出過程の設定時間ｔ２を引いた時間である（Ｔｓ３＝Ｔｓ１-ｔ２＝ｔ１+ｔ３+ｔ４、図５、図６（Ｂ）、図１３参照）。

【0178】

具体的には、図１３及び図１６に示すように、第１吸着塔１０２の圧力が閾値圧力Ｔｈ１に到達した時刻Ｔ１３において電磁開閉弁１１４Ａ、１３８Ａ、１３８Ｂが閉弁される。この結果、第１吸着塔１０２が原料ガス供給流路１０８と遮断されると共に、オリフィス１３６と遮断される。これにより、第１吸着塔１０２に改質ガスが供給されなくなる。

【0179】

また、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４とのオリフィス１３６を介しての連通も遮断される。

【0180】

このタイミングで、図１６に示すように、電磁開閉弁１２４Ａ、１２４Ｂと電磁開閉弁１４２Ａ、１４２Ｂが開弁される。これにより、第１吸着塔１０２の上流側と第２吸着塔１０４の上流側、第１吸着塔１０２の下流側と第２吸着塔１０４の下流側とが連通される。

【0181】

このように、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４がオリフィス１３６を介さずに上流側と下流側とで連通されることにより、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４の圧力が均等化される（均圧工程）。

【0182】

さらに、図１３及び図１７に示すように、時刻Ｔ１３から均圧工程の設定時間Ｔｓ２経過後の時刻Ｔ１４で、電磁開閉弁１２４Ａ、１２４Ｂと電磁開閉弁１４２Ａ、１４２Ｂが閉弁され、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４との連通が遮断される（均圧工程が終了される）。

【0183】

同時に、電磁開閉弁１１４Ｂが開弁され、第２吸着塔１０４と原料ガス供給流路１０８とが連通され、連絡流路管６４から原料ガス供給流路１０８を介して第２吸着塔１０４に改質ガスＧ５が供給される。すなわち、第２吸着塔１０４で吸着工程が開始される。

【0184】

また、電磁開閉弁１２０Ａが開弁され、第１吸着塔１０２とオフガス排出流路１１６とが連通され、第１吸着塔１０２からオフガス排出流路１１６を介してオフガス供給管４４にオフガスが排出される。すなわち、第１吸着塔１０２で脱着工程が開始される。

【0185】

以下、時刻Ｔ１１から時刻Ｔ１４までのタイミングと同様に、時刻Ｔ１４から時刻Ｔ１７までのタイミングで電磁開閉弁の開閉制御が行われることにより、第１吸着塔１０２で脱着工程と均圧工程が行われ、第２吸着塔１０４で吸着工程と均圧工程が行われる。これは、吸着塔を入れ替えただけで動作は同様であるので詳細な説明を省略する。

【0186】

このように、ＰＳＡ装置４０の全吸着塔、すなわち第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４が吸着工程と脱着工程をそれぞれ一回ずつ、すなわち一周期実施した段階で起動運転が終了され、以下、定格運転が実施される。

【0187】

これは、第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４において、吸着剤内で拡散していた不純物が十分に除去され、改質ガスを精製することによって製造された水素ガスが所定純度に到達したと判断して水素ガス貯留タンク１０６に送出するものである。

【0188】

すなわち、定格運転の吸着工程の水素送出過程やパージ過程において、電磁開閉弁１３２Ａ又は電磁開閉弁１３２Ｂが開弁されていることによって、第１吸着塔１０２又は第２吸着塔１０４で精製された水素ガスを水素ガス貯留タンク１０６に送出するため、吸着塔の圧力上昇速度が抑制される。したがって、第１吸着塔１０２又は第２吸着塔１０４の圧力が閾値圧力Ｔｈ１に到達する前に定格運転の吸着工程の設定時間Ｔｓ１（＝ｔ１+ｔ２+ｔ３+ｔ４）が経過し、設定時間Ｔｓ１経過時に（例えば、時刻Ｔ２１で）次工程（均圧工程）に切り換えられるものである。

【0189】

この後は、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４の吸着工程と脱着工程を切り換えながら、この制御を繰り返していく。

【0190】

（水素純度低下時）
続いて、ＰＳＡ装置４０において、精製された製品水素ガスの水素純度が所定純度未満に低下した場合の運転について説明する。

【0191】

ＰＳＡ装置４０では、運転時に常時、水素ガス分析流路１５８から製品水素ガスを水素ガス分析装置１５９に供給し、水素ガス分析装置１５９で製品水素ガスの純度を検出している。水素ガス分析装置１５９で検出された製品純度が所定純度未満の場合には、純度異常信号が水素ガス分析装置１５９からＰＳＡ制御部１７０に出力される。

【0192】

ＰＳＡ制御部１７０に純度異常信号が入力されたのが、例えば、定格運転のパージ過程の場合には、図１８及び図１９に示すように、電磁開閉弁１５２が閉弁される。すなわち、水素ガス貯留タンク１０６と水素供給管４２とが遮断される。この結果、所定純度未満の製品水素ガスが水素ガス貯留タンク１０６から製品水素ガス供給流路１４４、水素供給管４２を介してユーザー側へ供給されることが停止される。

【0193】

また、水素ガス貯留タンク１０６では、第１吸着塔１０２から精製された水素ガスが供給される一方、水素供給管４２への供給が停止されるため、圧力が上昇する。この結果、逆止弁１５６が開弁され、ベント流路１５４からベント管４５を介して水素製造装置１０の外部に所定純度未満の水素ガスが排出される。

【0194】

水素ガス分析装置１５９で検出された製品水素ガスの純度が所定純度以上に復帰した場合には、すなわち、水素ガス分析装置１５９からＰＳＡ制御部１７０への純度異常信号の入力が停止した場合には、純度復帰時から、第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４のそれぞれで吸着工程と脱着工程を二回ずつ行った（所定時間経過）後、定格運転に復帰する。

【0195】

これは、電磁開閉弁１５２の開弁を純度復帰時から所定時間遅延させることで、水素ガス貯留タンク１０６や製品水素ガス供給流路１４４から所定純度未満の水素ガスを確実にベント流路１５４を介して外部に排出するためである。

【0196】

この後、電磁開閉弁１５２が開弁されると共に、第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４でそれぞれ吸着工程、脱着工程が行われることにより、水素ガス貯留タンク１０６に製品水素ガスが貯留され、水素ガス貯留タンク１０６から水素供給管４２（水素ガス利用者側）に所定純度以上の製品水素ガスが供給される。

【0197】

なお、一定時間経過しても製品水素ガスの純度が所定純度に復帰しない場合には、第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４が均圧工程に到達した時点で、水素製造装置１０の運転を停止して装置の検査を行う。

【0198】

（効果）
このように、ＰＳＡ装置４０では、定格運転の設定時間に基づいて各工程（吸着工程、脱着工程、均圧工程）や各過程（昇圧過程、水素送出過程、パージ過程、排気停止過程）等を切り換えることにより、簡単な制御で所定の純度の水素を製造することができる。

【0199】

また、このＰＳＡ装置４０では吸着工程の設定時間内に吸着工程中の吸着塔が所定圧力に到達した場合には、設定時間内でも直ちに均圧工程に切り換える。これは、吸着塔の圧力が所定圧力以上になった場合には、ＰＳＡ装置内の圧力が高くなり過ぎることを防止すると共に、処理の無駄時間を排除できる。

【0200】

このように、ＰＳＡ装置４０では、各工程の切り換えを時間だけでなく圧力でも制御することにより、簡単な制御で改質ガスＧ５を所定純度の水素ガスに精製するだけでなく、効率的に製造すると共に、装置の安全性も高めることができる。

【0201】

また、起動運転では、起動運転制御プログラムに従って定格運転（定格運転制御プログラム）と異なる運転を行うことにより、以下の効果がある。

【0202】

先ず、起動運転期間中、電磁開閉弁１３２Ａ、１３２Ｂの閉弁状態を維持すること（「締切運転」という）により、吸着工程の吸着塔から水素ガス貯留タンク１０６に精製された水素ガスが供給されることが防止される。すなわち、起動運転期間中に所定純度未満の水素ガスが水素ガス貯留タンク１０６に送出され、水素ガス利用者側に供給されることを確実に防止できる。

【0203】

また、起動運転期間中にパージ過程を行うことによって、吸着工程中の吸着塔（例えば、第１吸着塔１０２）で精製された所定純度未満の水素ガスを脱着工程中の吸着塔（例えば、第２吸着塔１０４）に供給し、脱着工程中の吸着塔のパージに使用することができる。これにより、吸着塔内の吸着剤からの不純物の離脱を促進し、吸着塔で精製された水素ガスが所定の純度まで到達する時間を短縮することができる。また、所定純度未満の水素ガスをパージ過程に用いることにより、有効利用することができる。

【0204】

さらに、起動運転期間中に第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４のいずれもが少なくとも一回ずつ吸着工程と脱着工程を行う（少なくとも一周期実施する）ことにより、各吸着塔が少なくとも一回脱着工程を行うことになり、停止中に各吸着塔の吸着剤の内部で拡散していた不純物が除去され、精製水素ガスの純度を所定純度まで迅速に向上させることができる。

【0205】

また、起動運転期間中に締切運転することで、吸着工程中の吸着塔（例えば、第１吸着塔１０２）の圧力上昇速度が定格運転と比較して高くなり、吸着工程の設定時間Ｔｓ３以内に吸着中の吸着塔の圧力が閾値圧力Ｔｈ１に到達して吸着工程が終了され、直ちに均圧工程に切り換えられる。すなわち、起動運転における吸着工程（脱着工程）時間が定格運転と比較して短縮される。この結果、起動運転の吸着工程と脱着工程の切り換え周期が短縮され、精製された水素が所定純度に到達するまでの時間が短縮される。

【0206】

さらに、起動運転は、定格運転の水素送出過程を省略しているため、締切運転により吸着塔の圧力上昇速度が高く、吸着工程時間が短縮されても、パージ過程を十分に行うことができ、脱着工程中の吸着塔の吸着剤内に拡散していた不純物を十分に除去することができる。

【0207】

また、ＰＳＡ制御部１７０は、ＰＳＡ装置４０の停止直前に脱着工程であった吸着塔を記憶しており、起動運転開始時に当該吸着塔の吸着工程から開始させるものである。これにより、停止直前に吸着工程であった吸着塔に対して、停止直前に脱着工程であった吸着塔で精製された水素ガスが供給されてパージされる。すなわち、起動運転開始時により純度の高い水素ガスが脱着工程中の吸着塔に供給され、不純物の除去が促進される。

【0208】

さらに、ＰＳＡ装置４０は、各吸着塔を外部と遮断した後に電磁開閉弁１２４Ａ、１２４Ｂ、１４２Ａ、１４２Ｂを開弁することで、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４とをそれぞれ上流側、下流側で連通させて均圧化している。これにより、相対的に圧力が低い脱着工程側の吸着塔の圧力を上昇させ、当該吸着塔の吸着剤に付着した不純物の拡散が抑制される。すなわち、ＰＳＡ装置４０の起動運転期間に吸着剤に付着した不純物を除去して所定の純度の製品水素ガスを精製するまでの時間を短縮することができる。

【0209】

また、水素ガス分析装置１５９で検出された製品水素ガスの純度が所定純度未満の場合には、ＰＳＡ制御部１７０は、直ちに電磁開閉弁１５２を閉弁することで、水素ガス貯留タンク１０６と水素供給管４２を遮断し、所定純度未満の製品水素ガスが水素ガス利用者側へ供給されることを阻止できる。

【0210】

さらに、ＰＳＡ装置４０では、電磁開閉弁１５２を閉弁することにより、水素ガス貯留タンク１０６の圧力が上昇することによって、逆止弁１５６が開弁され、水素ガス貯留タンク１０６から所定純度に達しない製品水素ガスが外部に排出される。すなわち、水素ガス貯留タンク１０６に所定純度に達しない製品水素ガスが貯留され、運転再開時に水素供給管４２に供給されることを防止できる。

【0211】

（その他）
本実施形態では、ＰＳＡ装置４０を水素製造装置１０に適用したものであり、ＰＳＡ装置４０は改質ガスＧ５から水素（ガス）を精製していたが、これに限定するものではない。ＰＳＡ装置が原料ガスから不純物を除去して精製ガスに精製するものであれば、適用可能である。

【0212】

また、本実施形態のＰＳＡ装置４０では、定格運転に排気停止過程を含んでいたが、排気停止過程を省略しても良い。すなわち、パージ過程後、直ちに均圧工程となるように制御しても良い。

【0213】

さらに、本実施形態のＰＳＡ装置４０では、起動運転を各吸着塔の１周期分だけ実施するように制御しているが、２周期以上実施するようにしても良い。

【0214】

また、本実施形態のＰＳＡ装置４０では、起動運転の吸着工程において昇圧過程の次がパージ過程となるように制御することによって定格運転の水素送出過程（時間）を省略したが、その時間分、昇圧過程を延長しても良い。この場合には、パージ過程に到達する前に吸着工程中の吸着塔の圧力が閾値圧力（Ｔｈ１）に到達しないことが望ましい。脱着工程中の吸着塔がパージ過程を経ずに脱着工程が終了すると、吸着剤中の不純物の除去が進まず、各吸着塔で精製される水素ガスの純度が所定純度に到達するまでの時間が長期化するおそれがあるためである。

【0215】

なお、この場合には、起動運転の吸着工程の設定時間Ｔｓ３は、定格運転の設定時間Ｔｓ１と等しくなる（図６参照、Ｔｓ３＝Ｔｓ１＝ｔ１+ｔ２+ｔ３+ｔ４）。

【0216】

さらに、本実施形態のＰＳＡ装置４０では、吸着工程と脱着工程の間に均圧工程を入れているが、均圧工程がないものでも良い。この場合には、起動運転期間中に吸着塔の圧力が吸着工程の設定時間Ｔｓ３以内で閾値圧力Ｔｈ１に到達した場合には、閾値圧力到達時に吸着工程から直接、脱着工程に切り換えられる。

【0217】

また、本実施形態のＰＳＡ装置４０は、第１吸着塔１０２と第２吸着塔１０４の２つの吸着塔を有する構成であったが、３以上の吸着塔を有するものでも良い。

【0218】

さらに、本実施形態のＰＳＡ装置４０は、起動運転プログラムと定格運転プログラムを別プログラムとしたが、単一の運転プログラムで、例えば、起動運転のサブルーチンを有するものでも良い。

【0219】

また、本実施形態のＰＳＡ装置４０では、起動運転期間中に吸着工程の設定時間Ｔｓ３以内で第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４の圧力が閾値圧力Ｔｈ１に到達する場合について説明したが、到達しない構成でも良い。この場合には、吸着工程の設定時間Ｔｓ３の経過時に第１吸着塔１０２、第２吸着塔１０４の吸着工程（脱着工程）が均圧工程に切り換えられ、均圧工程の設定時間経過後に脱着工程（吸着工程）とされる。

【0220】

さらに、本実施形態のＰＳＡ装置４０では、製品水素ガス供給流路１４４を流れる製品水素ガスの水素純度を水素ガス分析装置１５９で検出したが、少なくとも水素ガス貯留タンク１０６よりも水素ガス利用者側であれば、いずれの位置で検出しても良い。

【0221】

また、ベント流路１５４は、水素ガス貯留タンク１０６よりも上流側の製品水素ガス送出流路１２６から分岐する構成でも良い。

【0222】

さらに、ＰＳＡ装置４０が均圧工程中にＰＳＡ制御部１７０で圧力センサ１６０の圧力をモニタリングすることにより、圧力センサ１６０で検出された圧力が閾値圧力以上となった場合に連絡流路管６４から水素製造装置１０の外部に改質ガスをベントする構成としても良い。

【符号の説明】

【0223】

１０ 水素製造装置
２０ 改質器
３０ 圧縮機
４０ ＰＳＡ装置（ガス精製装置）
１０２ 第１吸着塔
１０４ 第２吸着塔
１０６ 水素ガス貯留タンク（精製ガス貯留タンク）
１１４Ａ 電磁開閉弁（制御手段）
１１４Ｂ 電磁開閉弁（制御手段）
１２０Ａ 電磁開閉弁（制御手段）
１２０Ｂ 電磁開閉弁（制御手段）
１２４Ａ 電磁開閉弁（制御手段）
１２４Ｂ 電磁開閉弁（制御手段）
１２６ 製品水素ガス送出流路（精製ガス流路）
１３２Ａ 電磁開閉弁（制御手段）
１３２Ｂ 電磁開閉弁（制御手段）
１３８Ａ 電磁開閉弁（制御手段）
１３８Ｂ 電磁開閉弁（制御手段）
１４２Ａ 電磁開閉弁（制御手段）
１４２Ｂ 電磁開閉弁（制御手段）
１４４ 製品水素ガス供給流路（精製ガス流路）
１５２ 電磁開閉弁（制御手段、開閉弁）
１５４ ベント流路
１５６ 逆止弁（リリーフ弁）
１５９ 水素ガス分析装置（純度検出手段）
１６２ 圧力センサ（圧力検出手段）
１６４ 圧力センサ（圧力検出手段）
１７０ ＰＳＡ制御部（制御手段）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】