特許 7129323 水素製造装置、水素製造方法、圧縮機寿命監視制御プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-08-24

(45)【発行日】2022-09-01

(54)【発明の名称】水素製造装置、水素製造方法、圧縮機寿命監視制御プログラム

(51)【国際特許分類】

   C01B 3/38 20060101AFI20220825BHJP

   C01B 3/56 20060101ALI20220825BHJP

   B01D 53/047 20060101ALI20220825BHJP

【ＦＩ】

C01B3/38

C01B3/56 Z

B01D53/047

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2018231904

(22)【出願日】2018-12-11

(65)【公開番号】P2020093948

(43)【公開日】2020-06-18

【審査請求日】2021-06-09

(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】山本 吾一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０８８４９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０１８３０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０９１３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２８５９７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２７８６０５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０１Ｂ ３／００

Ｂ０１Ｄ ５３／０２

Ｃ１０Ｋ

Ｆ０４Ｂ

Ｆ０４Ｃ

Ｆ０４Ｄ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

原料炭化水素を水蒸気改質して改質ガスを放出する改質器と、前記改質器から放出された改質ガスを所定の圧力に調整する圧縮機と、前記圧縮機から排出された前記改質ガスを受け入れて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、
前記圧縮機における前記改質ガスの調整圧力に相関して変化する水素製造中の状態情報を取得する取得部と、
前記取得部で取得した前記状態情報の推移に基づいて、前記圧縮機の圧縮能力の異常を判定する判定部とを有し、
前記水素精製器は、受け入れた改質ガスの圧力を監視する圧力監視デバイスを備え、当該圧力監視デバイスの検出値をトリガとして、加圧及び減圧を交互に切り替えて、前記改質ガスから炭酸ガス、一酸化炭素、及び炭化水素を含むオフガスを除去して水素を分離濃縮しており、
前記取得部で取得する状態情報が、前記圧力監視デバイスで検出され、前記水素精製器における水素精製に依存して周期的に変化する前記検出値の微分値であり、
前記判定部では、前記検出値の微分値における、正常な初期段階の値と、徐々に加圧能力が低下していく段階の値とを、継続的に比較する、水素製造装置。

【請求項2】

前記判定部が、前記検出値の微分値から、前記圧縮機により周期的に変化する圧力制御のピーク値を、前記状態情報として抽出する、請求項１記載の水素製造装置。

【請求項3】

前記判定部が、前記状態情報の推移を解析して、現在以降の状態情報の推移から、前記圧縮機の圧縮能力の異常時期を特定し、寿命を予測する、ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の水素製造装置。

【請求項4】

改質器で原料炭化水素を水蒸気改質して改質ガスを放出し、圧縮機で前記改質器から放出された改質ガスを所定の圧力に調整し、水素精製器で前記圧縮機から排出された前記改質ガスを受け入れてオフガスと水素とに分離して水素を精製する水素製造方法であって、
前記水素精製器は、受け入れた改質ガスの圧力を監視する圧力監視デバイスを備え、当該圧力監視デバイスの検出値をトリガとして、加圧及び減圧を交互に切り替えて、前記改質ガスから炭酸ガス、一酸化炭素、及び炭化水素を含むオフガスを除去して水素を分離濃縮しており、
前記圧縮機における前記改質ガスの調整圧力に相関して変化する水素製造中の状態情報として、前記圧力監視デバイスで検出され、前記水素精製器における水素精製に依存して周期的に変化する圧力の微分値を取得し、
取得した前記圧力の微分値における、正常な初期段階と、徐々に加圧能力が低下していく段階とを、継続的に比較して、前記圧縮機の圧縮能力の異常を判定する、
ことを特徴とする水素製造方法。

【請求項5】

前記検出値の微分値から、前記圧縮機により周期的に変化する圧力制御のピーク値を、前記状態情報として抽出する、請求項４記載の水素製造方法。

【請求項6】

前記判定では、前記状態情報の推移を解析して、現在以降の状態情報の推移から、前記圧縮機の圧縮能力の異常時期を特定し、寿命を予測する、ことを特徴とする請求項４又は請求項５記載の水素製造方法。

【請求項7】

コンピュータを、
請求項１～請求項３の何れか１項記載の取得部及び判定部として機能させる、
圧縮機寿命監視制御プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、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、及び水素精製器へ送出する改質ガスを加圧する圧縮機の寿命を監視するための圧縮機寿命監視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、改質ガスを圧縮機で圧縮し、例えば、バッファタンクによって、所定の圧力で安定させた状態の改質ガスをＰＳＡ装置へ送り込み、ＰＳＡ装置で水素を生成すると共に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る。

【0003】

ところで、ＰＳＡ装置に送り込まれる改質ガスは所定の圧力に圧縮されることで、高純度の水素の製品を得ることができるため、圧縮機の圧縮能力は重要なファクタとなる。

【0004】

特許文献１には、ＰＳＡ装置へ供給する原料ガスの圧力変動を抑え、原料ガス圧縮機を比較的定常な連続運転状態とするＰＳＡ装置への原料ガス供給方法について記載されている。

【0005】

特許文献１では、原料ガス受入ラインからＰＳＡ装置に供給する原料ガスの圧力を必要な圧力まで高めるため、原料ガス圧縮機が設けられ、ＰＳＡ装置で受け入れる量が少ないときは、原料ガスを原料ガス受槽へ受け入れる経路を構築し、ＰＳＡ装置で受け入れる量が多いときは、通常の供給経路と共に原料ガス受槽内で加圧された原料ガスもＰＳＡ装置へ供給する経路を構築するようになっている。

【0006】

特許文献２には、改質器の温度測定値が改質器の耐熱性の観点から定めた所定の設定値を超えた場合には、圧縮機の吐出圧力を測定する圧力計の測定値に基づき、圧縮機の吐出圧力を上昇させるように制御し、ＰＳＡにおける水素収率を向上させ、改質器の温度を設定値以下に低下させることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２００１－２０５０３０号公報

【文献】特開２０００－２８１３０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ここで、圧縮機を構成する部品、特にシール材等の消耗部品は、定期点検の点検項目とし、適宜交換する必要がある。

【0009】

しかしながら、シール材等の消耗部品の交換が遅れると、圧縮機の気密性を保つことができない。消耗部品の寿命が固定的であれば定期的に交換すればよいが、水素製造量（改質ガス量）等によって寿命時期は変動し得るため、日常的な点検が望まれるが、作業効率の面から、作業員による日常的な点検は困難となる。

【0010】

また、消耗品が寿命に到達してかからの交換では、交換作業中の水素製造が滞ることになる。

【0011】

本発明は、ＰＳＡ装置へ送り込む改質ガスの圧力を定常的に安定させることができる水素製造装置、水素製造方法、及び圧縮機寿命監視制御プログラムを得ることにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明に係る水素製造装置は、原料炭化水素を水蒸気改質して改質ガスを放出する改質器と、前記改質器から放出された改質ガスを所定の圧力に調整する圧縮機と、前記圧縮機から排出された前記改質ガスを受け入れて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、前記圧縮機における前記改質ガスの調整圧力に相関して変化する水素製造中の状態情報を取得する取得部と、前記取得部で取得した前記状態情報の推移に基づいて、前記圧縮機の圧縮能力の異常を判定する判定部とを有し、前記水素精製器は、受け入れた改質ガスの圧力を監視する圧力監視デバイスを備え、当該圧力監視デバイスの検出値をトリガとして、加圧及び減圧を交互に切り替えて、前記改質ガスから炭酸ガス、一酸化炭素、及び炭化水素を含むオフガスを除去して水素を分離濃縮しており、前記取得部で取得する状態情報が、前記圧力監視デバイスで検出され、前記水素精製器における水素精製に依存して周期的に変化する前記検出値の微分値であり、前記判定部では、前記検出値の微分値における、正常な初期段階の値と、徐々に加圧能力が低下していく段階の値とを、継続的に比較する、ことを特徴としている。
また、本発明において、前記判定部が、前記検出値の微分値から、前記圧縮機により周期的に変化する圧力制御のピーク値を、前記状態情報として抽出することを特徴としている

【0013】

本発明によれば、取得部では、圧縮機における改質ガスの調整圧力に相関して変化する水素製造中の状態情報を取得する。判定手段では、取得部で取得した前記状態情報の推移に基づいて、前記圧縮機の圧縮能力の異常を判定する。

【0014】

言い換えれば、圧縮機での圧力を直接検出しなくても、圧縮機の寿命時期よりも前に、例えば、消耗品交換の時期を認識することができ、例えば、寿命に到達する前の定常の運転休止中に、消耗品の交換等の作業を行うことができる。なお、水素精製装置は、ＰＳＡ装置に限定されるものではない。

【0016】

ＰＳＡ装置には、圧力を監視する圧力監視デバイスが予め設けられており、例えば、吸収剤を対象とした加圧、減圧の相互切り替えのトリガとして用いられている。この圧力監視デバイスから得た状態情報（圧力変化の履歴データ）を、圧縮機の寿命判定のための状態情報として用いることができる。

【0017】

本発明において、前記判定部が、前記状態情報の推移を解析して、現在以降の状態情報の推移から、前記圧縮機の圧縮能力の異常時期を特定し、寿命を予測する、ことを特徴としている。

【0018】

判定部では、状態情報の推移を解析して、現在以降の状態情報の推移から、圧縮機の圧縮能力の異常時期を特定し、寿命を予測する。

【0019】

本発明に係る水素製造方法は、改質器で原料炭化水素を水蒸気改質して改質ガスを放出し、圧縮機で前記改質器から放出された改質ガスを所定の圧力に調整し、水素精製器で前記圧縮機から排出された前記改質ガスを受け入れてオフガスと水素とに分離して水素を精製する水素製造方法であって、前記水素精製器は、受け入れた改質ガスの圧力を監視する圧力監視デバイスを備え、当該圧力監視デバイスの検出値をトリガとして、加圧及び減圧を交互に切り替えて、前記改質ガスから炭酸ガス、一酸化炭素、及び炭化水素を含むオフガスを除去して水素を分離濃縮しており、前記圧縮機における前記改質ガスの調整圧力に相関して変化する水素製造中の状態情報として、前記圧力監視デバイスで検出され、前記水素精製器における水素精製に依存して周期的に変化する圧力の微分値を取得し、取得した前記圧力の微分値における、正常な初期段階と、徐々に加圧能力が低下していく段階とを、継続的に比較して、前記圧縮機の圧縮能力の異常を判定する、ことを特徴としている。

【0020】

本発明において、前記検出値の微分値から、前記圧縮機により周期的に変化する圧力制御のピーク値を、前記状態情報として抽出することを特徴としている。

【0021】

本発明において、前記判定では、前記状態情報の推移を解析して、現在以降の状態情報の推移から、前記圧縮機の圧縮能力の異常時期を特定し、寿命を予測する、ことを特徴としている。

【0022】

本発明の圧縮機寿命監視制御プログラムは、コンピュータを、取得部及び判定部として機能させることを特徴としている。

【0023】

以上説明したように本発明は、水素製造に関わる状態情報に基づいて、圧縮機の寿命を判定することができ、寿命の早期判定により、水素製造の運転に支障をきたすことなく、消耗品の交換作業等を行うことができる。

【発明の効果】

【0024】

以上説明した如く本発明では、ＰＳＡ装置へ送り込む改質ガスの圧力を定常的に安定させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【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ＭＣＵで実行される、圧縮機の寿命を監視する寿命監視制御部を示す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。

【図4】（Ａ）はガス成分別の圧力－吸着率特性図、（Ｂ）はＰＳＡ装置での水素精製のための圧力制御タイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

（改質器１２）

【0029】

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。

【0030】

空間は、内側から順に、燃焼室、燃焼排ガス流路、予熱流路、及び改質ガス流路とされている。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。

【0031】

燃焼室にはバーナが配置され、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へ案内され、予熱流路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。

【0032】

予熱流路には、上流側に螺旋部材が設けられ、下流側に改質触媒層が設けられている。混合ガスは、螺旋部材によって螺旋状に移動して燃焼排ガス流路を流れる燃焼排ガスからの熱を受け、その後、改質触媒層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。

【0033】

改質ガスは、最外層の空間である改質ガス流路を通過するときに、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。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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

（ＰＳＡ装置２０）

【0045】

ＰＳＡ装置２０では、改質ガスＧ５を、圧力制御（図４参照）によって、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。

【0046】

図４に従い、ＰＳＡ装置２０で水素精製の原理を説明する。

【0047】

図４（Ａ）に示される如く、圧力が高い状態では、水素は吸着されずにスルーするが、その他のガス成分（二酸化炭素、メタン、及び一酸化炭素等）は吸着されるので、所定の圧力を維持すれば、高純度の水素を精製することができる。

【0048】

一方、圧力が低いときには、水素を含む全てのガス成分が吸着されずスルーしていく。これは、水素精製品にはならないので、オフガスとしてバッファタンク４２へ回す。すなわち、圧力が高いときに吸着したガス成分が除去され、水素以外のガス成分を吸着する能力が復活する。

【0049】

そこで、図４（Ｂ）に示される如く、ＰＳＡ装置２０において、圧力の上げ下げを繰り返す（圧力制御）ことで、ＰＳＡ装置２０での水素精製を継続することができる。

【0050】

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。

【0051】

（１）高圧ガス

【0052】

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。

【0053】

（２）液体水素

【0054】

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。

【0055】

（３）有機ハイドライド

【0056】

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。

【0057】

（４）パイプライン

【0058】

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。

【0059】

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の燃焼室に設けられたバーナへ供給される。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

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

【0063】

一方、改質器１２の燃焼室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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

（圧縮機１６による改質ガス圧力）

【0067】

ところで、ＰＳＡ装置２０に送り込まれる改質ガスは所定の圧力に圧縮され、所定の圧力とすることで、高純度の水素の製品を得ることができる。従って、圧縮機１６の圧縮能力を維持するため、圧縮機１６を構成する部品、特にシール材等の消耗部品は、定期点検の点検項目とし、適宜交換する必要がある。言い換えれば、シール材等の消耗部品の交換が遅れると、圧縮機１６の気密性を保つことができない。

【0068】

このため、日常的な点検が望まれる反面、作業効率の面から、作業員による日常的な点検は難しい。また、圧縮機１６で圧縮された改質ガスＧ４の圧力を自動的に監視するためには、当該改質ガスＧ４の圧力を検出する圧力センサ等が別途必要となり、部品点数の増加を招く。

【0069】

そこで、本実施の形態では、ＰＳＡ装置２０に予め備わっている圧力を監視するデバイス（圧力センサ６６）を利用し、圧縮機１６で圧縮された改質ガスＧ４の圧力を監視する構成を構築した。

【0070】

ＰＳＡ装置２０に予め備わっている圧力センサ６６を適用する課題として、以下の事が挙げられる。

【0071】

圧縮機１６から出力される改質ガスＧ４をＰＳＡ装置２０へ供給する流路管３４、４０、及び４４には、熱交換部３６、バッファタンク４２、及び昇圧後水分離部１８が設けられている。すなわち、改質ガスＧ４は、熱交換部３６、バッファタンク４２、及び昇圧後水分離部１８を通過するため、改質ガスＧ４の圧力とＰＳＡ装置２０で受ける改質ガスＧ５の圧力とは異なる。

【0072】

そこで、本実施の形態では、ＰＳＡ装置２０に設けられた圧力センサ６６から取り込んだ圧力検出値を累積記憶し、日時情報に基づく経時変化状態（圧力変化率）に基づいて、圧縮機１６の寿命を判定するようにした。

【0073】

より詳しくは、圧縮機１６から排出される改質ガスＧ４の圧力変動よりも小さく、ＰＳＡ装置２０では許容範囲である僅かな圧力変化（圧力低下）であっても、圧力センサ６６で検出した圧力の微分値、すなわち、経時的に変化する傾き（圧力変化率）に基づき（さらに、変化度合いを増幅してもよい）、圧縮機１６の加圧能力を監視する。これにより、圧縮機１６が正常な加圧能力を持つ初期段階と、消耗部品の劣化等に起因して徐々に加圧能力が低下していく段階とを、継続的に比較することができ、予め定めた純度以上の水素を精製するために必要な加圧能力を監視することができる。

【0074】

本実施の形態のように、ＰＳＡ装置２０に予め備わっている圧力センサ６６を適用した場合、ＰＳＡ装置内の圧力制御は、水素精製に依存して変化する（図４（Ｂ）に示す周期的変化参照）。

【0075】

そこで、一例として、図４（Ｂ）のように周期的に変化する圧力制御のピーク値を抽出して、当該ピーク値が徐々に低下していく状態（圧力変化）を監視することで、圧縮機２０の寿命を判定することができる。

【0076】

なお、ピーク値の監視に限定されるものではなく、一定の周期毎の圧力値を抽出するようにしてもよいし、周期的に変化する圧力制御の積分値（図４（Ｂ）では、三角波の面積）の変化を監視することも可能である。

【0077】

図２は、本実施の形態に係る圧縮機１６の寿命を監視するための寿命監視制御部６８の機能ブロック図である。なお、図２の各ブロックは、寿命監視に必要な機能をブロック化して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。

【0078】

寿命監視制御部６８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）７０の一部として機能する。寿命監視制御部６８は、ＭＣＵ７０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。

【0079】

ＰＳＡ装置２０に設けられた圧力センサ６６は、寿命監視制御部６８は、圧力情報取込部７２に接続されている。

【0080】

圧力情報取込部７２では、日時情報管理部７４で管理している日時情報に基づき、予め定めた時期（ＰＳＡ装置２０での加圧時期）に、圧力センサ６６からの信号を取り込み、累積処理部７６によってデータベース７８に格納する。

【0081】

日時情報管理部７４は、圧力変化率演算部８０に接続されている。日時情報管理部７４では、予め定めた期間毎に、圧力変化率演算部８０に対して、圧縮機１６の寿命判定の実行を指示する。

【0082】

圧力変化率演算部８０では、寿命判定指示を受けると、データベース７８から過去の一定期間に蓄積された圧力情報を取り込み、当該圧力情報の変化率を演算する。なお、ＰＳＡ装置２０では圧力変動がバッファタンク３０等により抑制されているため、演算した変化率を増幅してもよい。

【0083】

圧力変化率演算部８０は、比較部８２に接続されており、演算結果を当該比較部８２へ送出する。

【0084】

比較部８２では、しきい値格納部８４からしきい値を読み出して比較する。比較部８２での比較結果は、寿命判定部８６へ送出される。寿命判定部８６では、比較結果に基づき出力部８８を介して、外部へ圧力異常であることを報知する。

【0085】

なお、寿命判定部８６は、比較部８２の比較結果によって寿命判定するが、１回の結果ではなく、例えば、複数回の比較結果を取り込んで、連続して圧力変化率がしきい値を超えている場合に異常判定する(例１)。すなわち、突発的な圧力変動は、寿命による異常ではないため、異常判定に猶予を持たせることが好ましい。突発的な圧力変動は、別途報知してもよい。

【0086】

また、寿命判定部８６では、データベース７８に格納された膨大な圧力変化率に関する情報と、比較結果とに基づいて機械学習し、圧縮機１６の将来の寿命予測を行うようにしてもよい(例２)。

【0087】

以下に、本実施の形態の作用を説明する。

【0088】

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。

【0089】

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。

【0090】

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２２へ送出される。

【0091】

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。

【0092】

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。

【0093】

ＰＳＡ装置２０では、圧力制御（図４参照）により、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。

【0094】

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。

【0095】

改質器１２の燃焼室では、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。

【0096】

図３は、本実施の形態に係る圧縮機１６の寿命判定制御ルーチンを示すフローチャートである。

【0097】

ステップ１００では日時情報を取得し、次いで、ステップ１０２へ移行して、ＰＳＡ装置２０での加圧期間の適宜時期に、ＰＳＡ装置２０に設けられた圧力センサ６６で検出した圧力情報を取り込み、ステップ１０４へ移行する。

【0098】

ステップ１０４では、日時情報と圧力情報とを関連付けて、データベース７８へ累積記憶し、ステップ１０６へ移行する。

【0099】

ステップ１０６では、圧縮機１６の寿命判定時期か否かを判断し、否定判定された場合は、ステップ１００へ移行して、上記工程を繰り返す。

【0100】

なお、このステップ１０６では、寿命判定時期を設定したが、消耗品交換直後又は交換直後の早い時期から寿命等を判定してもよい。

【0101】

例えば、消耗部品の寿命時期が、新品で使用開始してからＬ時間（例えば、Ｌ＝１０００時間）後に設定され、Ｌ時間よりもｘ時間（例えば、ｘ＝２００時間）前から寿命判定時期とした場合、Ｌ時間よりもｙ時間（ｘ＜ｙ、例えば、ｙ＝９００時間）前に寿命と同等の性能に低下したときの判定が遅れる場合がある（例えば、欠陥品等の発見の遅延）。

【0102】

このため、消耗部品の交換直後から常に監視するようなアルゴリズムとすれば、寿命に加え、欠陥品を含む、突発的な不具合（圧力低下）の監視にも適用可能となる。

【0103】

また、ステップ１０６で肯定判定されると、ステップ１０８へ移行して、データベース７８に累積記憶した一定期間の圧力情報を読み出し、次いでステップ１１０へ移行して、圧力変化率（ｄＰ／ｄｔ）を演算し、ステップ１１２へ移行する。

【0104】

ステップ１１２では、圧力変化率を比較するためのしきい値を読み出し、ステップ１１４へ移行して、圧力変化率としきい値とを比較し、ステップ１１６へ移行する。ステップ１１６では、比較結果に基づき、寿命判定を行う。

【0105】

ステップ１１６の寿命判定では、例えば、１回の比較結果ではなく、例えば、複数回の比較結果から、連続して圧力変化率がしきい値を超えている場合に異常判定する。

【0106】

すなわち、所定期間以内に、ＰＳＡ装置２０で精製される水素の純度に影響を与える程度の圧力低下が起きる可能性が有るか否かを判断する（例１）。

【0107】

また、単純に複数回の比較結果からではなく、データベース７８に格納される、膨大な圧力情報による圧力変動の傾向と、比較結果等を機械学習し、正確な圧縮機１６の寿命を予測するようにしてもよい（例２）。

【0108】

次のステップ１１８では、圧縮機１６が寿命であるか否かを判断し、否定判定された場合は、ステップ１００へ戻り、上記工程を繰り返す。

【0109】

また、ステップ１１８で肯定判定された場合は、ステップ１２０へ移行して圧縮機１６の寿命（消耗品の交換等）を報知し、ステップ１２２へ移行する。

【0110】

ステップ１２２では、消耗品を交換した旨の履歴を取得したか否かを判断し、肯定判定されると、ステップ１２４へ移行して、報知をクリアし、このルーチンは終了する。

【0111】

以上説明したように本実施の形態では、圧縮機１６の寿命、特に、シール材等の消耗部品の寿命を起因とする圧縮能力の低下が、ＰＳＡ装置２０で精製される水素の純度に影響を及ぼすことを鑑み（図４参照）、既存の設備を用いて（ＰＳＡ装置２０に予め設けられた圧力センサ６６を用いて）、圧縮機１６の圧縮能力を監視し、寿命を監視することで、ＰＳＡ装置２０で精製される水素の純度に影響を及ぼす前に、消耗品交換等のメンテナンスを確実に行うことができる。

【0112】

なお、本実施の形態では、圧縮機１６の圧縮能力の監視を、ＰＳＡ装置２０に設けられた圧力センサ６６を利用した。

【0113】

圧力センサ６６は、本発明の状態情報を取得する手段の内、圧力情報を取得する手段の一例である。圧力情報の取得は、当該圧力センサ６６に限らず、他の既存の圧力センサを用いてもよい。

【0114】

また、状態情報を圧力情報（上記では、圧力センサ６６を適用）としたが、圧力情報に限らず、状態情報を得るデバイスとして、流量センサや温度センサ等を用いてもよい。

【符号の説明】

【0115】

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
６６ 圧力センサ（圧力監視デバイス）
６８ 寿命監視制御部
７０ ＭＣＵ
７２ 圧力情報取込部（取得部）
７４ 日時情報管理部（取得部）
７６ 累積処理部（取得部）
７８ データベース（取得部）
８０ 圧力変化率演算部（判定部)
８２ 比較部（判定部)
８４ しきい値格納部（判定部)
８６ 寿命判定部（判定部)
８８ 出力部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】