特許 7195942 水素製造システム、水素製造装置制御プログラム、及び、水素製造装置の洗浄方法

(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】2022-12-16

(45)【発行日】2022-12-26

(54)【発明の名称】水素製造システム、水素製造装置制御プログラム、及び、水素製造装置の洗浄方法

(51)【国際特許分類】

   C01B 3/38 20060101AFI20221219BHJP

   C01B 3/56 20060101ALI20221219BHJP

   B01D 53/047 20060101ALI20221219BHJP

【ＦＩ】

C01B3/38

C01B3/56 Z

B01D53/047

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2019004449

(22)【出願日】2019-01-15

(65)【公開番号】P2020111487

(43)【公開日】2020-07-27

【審査請求日】2021-09-22

(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】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】飯沼 広基

(72)【発明者】

【氏名】櫛 拓人

(72)【発明者】

【氏名】江口 晃平

【審査官】廣野 知子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１３５２４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２７２５９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０８８４９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１７９４８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０８８４８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２６１９０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６１２５１４０（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特表２０１６－５１１５２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０１Ｂ ３／００－６／３４

Ｈ０１Ｍ ８／００－８／０２９７

Ｈ０１Ｍ ８／０８－８／２４９５

Ｂ０１Ｄ ５３／０４７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

原料を改質し水素を主成分とした改質ガスを生成する改質器からの前記改質ガスを、水素リッチガスと不純物を含むオフガスとに分離し、前記オフガスを送出するオフガス送出路及び前記水素リッチガスを送出する水素ガス送出路を有する水素精製器、を有する複数の水素製造装置と、
前記水素ガス送出路から分岐され、前記水素リッチガスを他の水素製造装置の前記水素精製器へ供給する他機洗浄ガス供給路と、
を備えた水素製造システム。

【請求項2】

前記複数の水素製造装置の各々の前記水素精製器は、前記不純物を吸着する吸着部を有し、
前記複数の水素製造装置の内、洗浄対象となる被洗浄水素製造装置の前記吸着部への前記改質ガスの流入を止めると共に、前記複数の水素製造装置の内、前記被洗浄水素製造装置と異なる他の水素製造装置から前記他機洗浄ガス供給路を介して前記被洗浄水素製造装置の前記吸着部へ前記水素リッチガスを他機洗浄ガスとして供給して前記吸着部の洗浄処理を行う洗浄実行部、
を備えた、請求項１に記載の水素製造システム。

【請求項3】

前記洗浄実行部は、前記洗浄処理に使用された後の前記水素リッチガスを、前記被洗浄水素製造装置の前記水素精製器から前記オフガス送出路へ送出する、請求項２に記載の水素製造システム。

【請求項4】

前記洗浄実行部は、前記他の水素製造装置の前記水素ガス送出路における水素リッチガスの水素純度が、製品水素純度の閾値よりも低い洗浄純度以上の場合に、前記水素リッチガスを、前記被洗浄水素製造装置を洗浄する他機洗浄ガスとして前記被洗浄水素製造装置の前記水素精製器へ供給する、請求項２または請求項３に記載の水素製造システム。

【請求項5】

複数の水素製造装置の内の一部の水素製造装置において、改質器から供給される水素を主成分とした改質ガスを、水素精製器で水素リッチガスと不純物を含むオフガスとに分離し、前記オフガスをオフガス送出路へ送出すると共に、前記水素リッチガスを水素ガス送出路へ送出し、
前記一部の水素製造装置の前記水素ガス送出路から送出された前記水素リッチガスを、前記複数の水素製造装置の内の洗浄対象となる被洗浄水素製造装置の他機洗浄ガスとして、前記被洗浄水素製造装置の水素精製器へ供給して洗浄処理を行う、水素製造装置の洗浄方法。

【請求項6】

前記複数の水素製造装置の各々の前記水素精製器は、前記不純物を吸着する吸着部を有し、
前記洗浄処理は、前記被洗浄水素製造装置の前記吸着部への前記改質ガスの流入を止めると共に、前記被洗浄水素製造装置と異なる他の水素製造装置から前記被洗浄水素製造装置の前記吸着部へ前記水素リッチガスを他機洗浄ガスとして供給する、請求項５に記載の水素製造装置の洗浄方法。

【請求項7】

前記洗浄処理に使用された後の前記水素リッチガスを、前記被洗浄水素製造装置の前記水素精製器から前記オフガス送出路へ送出する、請求項５または請求項６に記載の水素製造装置の洗浄方法。

【請求項8】

前記被洗浄水素製造装置と異なる他の水素製造装置の前記水素ガス送出路における水素リッチガスの水素純度が、製品水素純度の閾値よりも低い洗浄純度以上の場合に、前記水素リッチガスを、前記被洗浄水素製造装置を洗浄する他機洗浄ガスとして前記被洗浄水素製造装置の前記水素精製器へ供給する、請求項５～請求項７のいずれか１項に記載の水素製造装置の洗浄方法。

【請求項9】

コンピュータを、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の水素製造装置の各部として機能させるための水素製造装置制御プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数の水素製造装置を有する水素製造システム、水素製造装置制御プログラム、及び、水素製造装置の洗浄方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、水素を得るための水素製造装置としては、原料炭化水素を改質装置で改質ガスに改質した後、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）器へ供給して改質ガスを精製することにより高純度の水素を得るものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このように、水素精製器を用いる場合、水素以外の物質が水素精製器内に残留することがあるため、起動時等に水素精製器を洗浄して水素精製器内の不純物を除去することが行われる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－８８４９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記の洗浄には水素ガスが用いられるが、洗浄用の水素ガスを供給するために水素ガスタンク等を設置すると、装置構成が複雑になる。当該水素精製器の洗浄を簡易な構成で行うことが求められる。

【0005】

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、水素精製器の洗浄を簡易な構成で行うことができる水素製造システム、水素製造装置制御プログラム、及び、水素製造装置の洗浄方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の請求項１に係る水素製造システムは、原料を改質し水素を主成分とした改質ガスを生成する改質器からの前記改質ガスを、水素リッチガスと不純物を含むオフガスとに分離し、前記オフガスを送出するオフガス送出路及び前記水素リッチガスを送出する水素ガス送出路を有する水素精製器、を有する複数の水素製造装置と、前記水素ガス送出路から分岐され、前記水素リッチガスを他の水素製造装置の前記水素精製器へ供給する他機洗浄ガス供給路と、を備えている。

【0007】

請求項１に係る水素製造システムは、複数の水素製造装置を備えている。各々の水素製造装置では、改質器において原料が改質されて改質ガスが生成され、水素精製器において、改質ガスが水素リッチガスと不純物を含むオフガスとに分離される。水素精製器には、分離されたオフガスを送出するオフガス送出路、水素リッチガスを送出する水素ガス送出路を有している。そして、複数の水素製造装置の間には、水素ガス送出路から送出された水素リッチガスを、他の水素製造装置の水素精製器へ供給する他機洗浄ガス供給路が設けられている。

【0008】

請求項１に係る水素製造システムによれば、他機洗浄ガス供給路を介して複数の水素製造装置の内の一部の水素製造装置から他の水素製造装置の水素精製器へ水素リッチガスを供給することができる。したがって、水素精製器の洗浄用の水素ガスを他機から得ることができ、簡易な構成で水素精製器の洗浄を行うことができる。

【0009】

請求項２に係る水素製造システムは、前記複数の水素製造装置の各々の前記水素精製器は、前記不純物を吸着する吸着部を有し、前記複数の水素製造装置の内、洗浄対象となる被洗浄水素製造装置の前記吸着部への前記改質ガスの流入を止めると共に、前記複数の水素製造装置の内、前記被洗浄水素製造装置と異なる他の水素製造装置から前記他機洗浄ガス供給路を介して前記被洗浄水素製造装置の前記吸着部へ前記水素リッチガスを他機洗浄ガスとして供給して前記吸着部の洗浄処理を行う洗浄実行部、を備えている。

【0010】

請求項２に係る水素製造システムでは、洗浄実行部により洗浄処理が行われる。洗浄処理は、被洗浄水素製造装置の吸着部への改質ガスの流入が止められると共に、他機洗浄ガス供給路を介して、他の水素製造装置から被洗浄水素製造装置の吸着部へ水素リッチガスが他機洗浄ガスとして供給されることにより行われる。このように、他の水素製造装置で精製された水素リッチガスを、被洗浄水素製造装置の水素精製器の洗浄に用いることにより、簡易な構成で水素精製器の洗浄を行うことができる。

【0011】

請求項３に係る水素製造システムは、前記洗浄実行部は、前記洗浄処理に使用された後の前記水素リッチガスを、前記被洗浄水素製造装置の前記水素精製器から前記オフガス送出路へ送出する。

【0012】

請求項３に係る水素製造システムによれば、洗浄処理において使用された後の水素リッチガスがオフガス路へ送出されるので、不純物と共に送出される水素リッチガスを、通常の水素精製処理において分離されたオフガスと同様に処理することができる。

【0013】

請求項４に係る水素製造システムは、前記洗浄実行部は、前記他の水素製造装置の前記水素ガス送出路における水素リッチガスの水素純度が、製品水素純度の閾値よりも低い洗浄純度以上の場合に、前記水素リッチガスを、前記被洗浄水素製造装置を洗浄する他機洗浄ガスとして前記被洗浄水素製造装置の前記水素精製器へ供給する。

【0014】

請求項４に係る水素製造システムによれば、洗浄純度以上の水素リッチガスが被洗水素製造装置を洗浄する他機洗浄ガスとして供給されるので、洗浄処理を効果的に行うことができる。

【0015】

請求項５に係る水素製造装置の洗浄方法は、複数の水素製造装置の内の一部の水素製造装置において、改質器から供給される水素を主成分とした改質ガスを、水素精製器で水素リッチガスと不純物を含むオフガスとに分離し、前記オフガスをオフガス送出路へ送出すると共に、前記水素リッチガスを水素ガス送出路へ送出し、前記１の水素製造装置の前記水素ガス送出路から送出された前記水素リッチガスを、前記複数の水素製造装置の内の洗浄対象となる被洗浄水素製造装置の他機洗浄ガスとして、前記被洗浄水素製造装置の水素精製器へ供給して洗浄処理を行う。

【0016】

請求項５に係る水素製造装置の洗浄方法では、複数の水素製造装置の内の一部の水素製造装置の水素精製器で精製された水素リッチガスを、洗浄対象となる被洗浄水素製造装置の他機洗浄ガスとして用いる。したがって、水素精製器の洗浄用の水素ガスを他機から得ることができ、簡易な構成で水素精製器の洗浄を行うことができる。なお、一部の水素製造装置とは、複数の水素製造装置の内の１機であってもよいし、２機以上であってもよいが、全機ではないことを意味している。

【0017】

請求項６に係る水素製造装置の洗浄方法は、前記複数の水素製造装置の各々の前記水素精製器は、前記不純物を吸着する吸着部を有し、前記洗浄処理は、前記被洗浄水素製造装置の前記吸着部への前記改質ガスの流入を止めると共に、前記被洗浄水素製造装置と異なる他の水素製造装置から前記被洗浄水素製造装置の前記吸着部へ前記水素リッチガスを他機洗浄ガスとして供給する。

【0018】

請求項６に係る水素製造装置の洗浄方法によれば、被洗浄水素製造装置の吸着部への改質ガスの流入を止めると共に、被洗浄水素製造装置と異なる他の水素製造装置から被洗浄水素製造装置の吸着部へ前記水素リッチガスを他機洗浄ガスとして供給することにより、洗浄処理を実行することができる。

【0019】

請求項７に係る水素製造装置の洗浄方法は、前記洗浄処理に使用された後の前記水素リッチガスを、前記被洗浄水素製造装置の前記水素精製器から前記オフガス送出路へ送出する。

【0020】

請求項７に係る水素製造装置の洗浄方法によれば、洗浄処理において使用された後の水素リッチガスがオフガス路へ送出されるので、不純物をと共に送出される水素リッチガスを、通常の水素精製処理において分離されたオフガスと同様に処理することができる。

【0021】

請求項８に係る水素製造装置の洗浄方法は、前記被洗浄水素製造装置と異なる他の水素製造装置の前記水素ガス送出路における水素リッチガスの水素純度が、製品水素純度の閾値よりも低い洗浄純度以上の場合に、前記水素リッチガスを、前記被洗浄水素製造装置を洗浄する他機洗浄ガスとして前記被洗浄水素製造装置の前記水素精製器へ供給する。

【0022】

請求項８に係る水素製造装置の洗浄方法によれば、洗浄純度以上の水素リッチガスが被洗浄水素製造装置を洗浄する他機洗浄ガスとして供給されるので、洗浄処理を効果的に行うことができる。

【0023】

請求項９に係る水素製造装置制御プログラムは、コンピュータを、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の水素製造装置の各部として機能させるためのプログラムである。

【0024】

請求項９に係る水素製造装置制御プログラムによれば、他機洗浄ガス供給路を介して複数の水素製造装置の内の一部の水素製造装置から他の水素製造装置の水素精製器へ水素リッチガスを供給するように、各水素製造装置を制御することができる

【発明の効果】

【0025】

本発明によれば、簡易な構成で水素精製器の洗浄を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本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】本実施形態に係る水素製造装置の多重筒型改質器を示した断面図である。

【図3】本実施形態に係る水素製造装置の制御部とその接続部材とのブロック図である。

【図4】本実施形態に係る水素精製器の概略構成図である。

【図5】本実施形態の他機洗浄処理の流れを示すフローチャートである。

【図6】本実施形態の変形例に係る他機洗浄処理の流れを示すフローチャートである。

【図7】本実施形態の変形例に係る水素製造システムの一部を示した概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

本発明の実施形態に係る水素製造装置システムの一例を図面に従って説明する。

【0028】

本実施形態の水素製造システム７０は、複数の水素製造装置１０を備えている。図１には、２機の水素製造装置１０を備えた例が示されており、各々の水素製造装置１０は同一構成である。本実施形態では、各水素製造装置１０を区別するために、水素製造装置１０Ａ、１０Ｂと称する。

【0029】

本実施形態に係る水素製造装置１０（１０Ａ、１０Ｂ）は、多重筒型改質器１２、圧縮機１４、水素精製器１６、オフガスタンク１８を備えている。また、昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、及び、燃焼排ガス水分離部３４を備えている。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。なお、図１では、水素製造装置１０の構成を概略的に示しており、水素製造装置１０は、他の構成を含んでいてもよい。

【0030】

また、水素製造システム７０は、各々の水素製造装置１０を制御する制御部６０を備えている（図３参照）。制御部６０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：プロセッサ）６０Ａ、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）６０Ｂ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）６０Ｃ、ストレージ６０Ｄ、入出力インターフェース（Ｉ／Ｆ）６０Ｅ、を有する。各構成は、バス６２を介して相互に通信可能に接続されている。

【0031】

ＣＰＵ６０Ａ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、ＣＰＵ６０Ａは、ＲＯＭ６０Ｂまたはストレージ６０Ｄからプログラムを読み出し、ＲＡＭ６０Ｃを作業領域としてプログラムを実行する。ＣＰＵ６０Ａは、ＲＯＭ６０Ｂまたはストレージ６０Ｄに記録されているプログラムにしたがって、上記各構成の制御および各種の演算処理を行う。

【0032】

ＲＯＭ６０Ｂは、各種プログラムおよび各種データを格納する。ＲＡＭ６０Ｃ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６０Ｄ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。本実施形態では、ＲＯＭ６０Ｂまたはストレージ６０Ｄには、後述する各水素製造装置１０Ａ、１０Ｂの水素精製器１６を洗浄する他機洗浄処理についてのプログラム等が格納されている。入出力Ｉ／Ｆ６０Ｅは、信号線を介して、各水素製造装置１０の、後述する開閉弁Ｖ１～Ｖ５、水素純度センサ４６、第１切換部１５、第２切換部１７と接続されている。

【0033】

（改質器）
多重筒型改質器１２は、図２に示されるように、多重に配置された複数の筒状壁２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄを有している。複数の筒状壁２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄは、例えば円筒状や楕円筒状に形成される。複数の筒状壁２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄのうち内側から一番目の筒状壁２０Ａの内部には、燃焼空間である燃焼部２１が形成されている。一番目の筒状壁２０Ａと二番目の筒状壁２０Ｂとの間には、燃焼排ガス流路２３が形成されている。また、二番目の筒状壁２０Ｂと三番目の筒状壁２０Ｃとの間には、第一流路２４が形成されている。さらに、三番目の筒状壁２０Ｃと四番目の筒状壁２０Ｄとの間には、第二流路２５が形成されている。なお、多重筒型改質器１２は、改質器の一例であり、他の形態の改質器が用いられてもよい。

【0034】

第一流路２４の上部は、予熱流路２４Ａとして形成されており、予熱流路２４Ａには螺旋部材２４Ｂが設けられている。この螺旋部材２４Ｂにより、予熱流路２４Ａは、螺旋状に形成されている。予熱流路２４Ａの上端部には、原料として都市ガスを供給するための原料供給管Ｐ１、及び、改質水を供給するための改質水供給管Ｐ９が接続されている。予熱流路２４Ａには、原料供給管Ｐ１から都市ガスが供給され、改質水供給管Ｐ９から改質水が供給される。都市ガス及び改質水は、予熱流路２４Ａを上側から下側に流れ、二番目の筒状壁２０Ｂを介して燃焼排ガスと熱交換され水が気化される。この予熱流路２４Ａでは、都市ガス及び気相の改質用水（水蒸気）が混合されることにより、混合ガスが生成される。

【0035】

なお、本実施形態では、原料として都市ガスを用いるが、水蒸気改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。

【0036】

第一流路２４における予熱流路２４Ａの下側には、改質触媒層２４Ｃが設けられている。改質触媒層２４Ｃには、都市ガスを水蒸気改質して水素を主成分とする改質ガスを生成するための触媒が設けられている。予熱流路２４Ａにて生成された混合ガスは、改質触媒層２４Ｃへ供給される。改質触媒層２４Ｃでは、混合ガスが燃焼排ガス流路２３を流れる燃焼排ガスにより加熱され、水蒸気改質反応によって、水素を主成分とする改質ガスが生成される。

【0037】

第二流路２５は、第一流路２４の径方向外側に配置されており、第二流路２５の下端部は、第一流路２４の下端部と連通されている。第二流路２５には、予熱流路２４Ａに対応する位置にＣＯ変成触媒層２６及びＣＯ選択酸化触媒層２７が形成されている。ＣＯ変成触媒層２６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。

【0038】

ＣＯ選択酸化触媒層２７は、ＣＯ変成触媒層２６よりも下流側に配置されている。ＣＯ変成触媒層２６とＣＯ選択酸化触媒層２７の間には、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給管Ｐ２Ｂが接続されている。ＣＯ選択酸化触媒層２７では、一酸化炭素が酸素と反応して二酸化炭素に変換され、一酸化炭素が除去される。ＣＯ選択酸化触媒層２７の下流側で第二流路２５の上端部には、改質ガス排出管Ｐ３が接続されている。改質ガスは、ＣＯ選択酸化触媒層２７で一酸化炭素が除去された後、改質ガス排出管Ｐ３から送出される。

【0039】

なお、本実施形態では、ＣＯ選択酸化触媒層２７を設けたが、ＣＯ選択酸化触媒層２７は必須ではなく、ＣＯ選択酸化触媒層２７を設けない構成とすることもできる。この場合には、酸化剤ガス供給管Ｐ２Ｂも不要となる。

【0040】

燃焼部２１の上部には、バーナ２２が下向きに配置されている。バーナ２２には、オフガス管Ｐ７が接続されており、後述するオフガスがオフガス管Ｐ７から燃料として供給される。さらに、この燃焼部２１の上端部には、燃焼用空気を供給するための空気供給管Ｐ２が接続されている。バーナ２２には、さらに原料供給管Ｐ１から分岐された原料分岐管Ｐ１Ａが接続されている。原料分岐管Ｐ１Ａには、空気供給管Ｐ２から分岐された空気分岐管Ｐ２Ａが接続されている。バーナ２２には、都市ガスに空気が混合された気体が、オフガスとは別に供給される。燃焼用のオフガスと都市ガスは、いずれか一方、または両方が、必要に応じて供給される。

【0041】

燃焼排ガス流路２３は、燃焼部２１の径方向外側に形成され、燃焼排ガス流路２３の下端部は、燃焼部２１と連通されている。燃焼排ガス流路２３の上端部には、ガスを排出するためのガス排出管Ｐ１０が接続されている。ガス排出管Ｐ１０は、多重筒型改質器１２の上端面に接続されている。燃焼部２１から排出された燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路２３を下側から上側に流れ、ガス排出管Ｐ１０を通じて多重筒型改質器１２の外に排出される。

【0042】

多重筒型改質器１２から改質ガス排出管Ｐ３へ送出された改質ガスは、図１に示したように、昇圧前水分離部３０、圧縮機１４、昇圧後水分離部３２、及び水素精製器１６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、多重筒型改質器１２、昇圧前水分離部３０、圧縮機１４、昇圧後水分離部３２、及び水素精製器１６がこの順番で配置されている。

【0043】

（昇圧前分離部）
昇圧前水分離部３０は、上部が気体室３０Ａとされ、下部が液体室３０Ｂとされている。気体室３０Ａには、改質ガス排出管Ｐ３の下流端が接続されている。また、気体室３０Ａには、連絡流路管Ｐ４の上流端が接続されている。液体室３０Ｂの底部には水送出口３０Ｃが形成されており、水送出口３０Ｃには改質ガス水配管Ｐ８Ａが接続されている。改質ガス中の水蒸気は、昇圧前水分離部３０の上流に配置された熱交換器ＨＥ１において冷却されることによって凝縮される。凝縮により改質ガスから分離された水は、液体室３０Ｂに貯留され、改質ガス水配管Ｐ８Ａへ送出される。

【0044】

（圧縮機）
圧縮機１４には、昇圧前水分離部３０からの改質ガスが流れる連絡流路管Ｐ４と、昇圧後水分離部３２へ供給される改質ガスが流れる連絡流路管Ｐ５とが接続されている。圧縮機１４は、昇圧前水分離部３０から供給された改質ガスを圧縮して昇圧し、昇圧後水分離部３２へ供給する。

【0045】

（昇圧後分離部）
昇圧後水分離部３２は、上部が気体室３２Ａとされ、下部が液体室３２Ｂとされている。気体室３２Ａには、連絡流路管Ｐ５の下流端が接続されている。また、気体室３２Ａには、連絡流路管Ｐ６の上流端が接続されている。液体室３２Ｂの底部には水送出口３２Ｃが形成されており、水送出口３２Ｃには改質ガス水配管Ｐ８Ｂが接続されている。改質ガス中の水蒸気は、昇圧後水分離部３２の上流に配置された熱交換器ＨＥ２において冷却されることによって凝縮される。凝縮により改質ガスから分離された水は、液体室３２Ｂに貯留され、改質ガス水配管Ｐ８Ｂへ送出される。連絡流路管Ｐ６の下流端は、水素精製器１６と接続されている。

【0046】

昇圧後水分離部３２よりも下流側、水素精製器１６よりも上流側には、バッファタンク３６が設けられている。バッファタンク３６は、昇圧後水分離部３２から供給される改質ガスを蓄積する。バッファタンク３６で一旦蓄積された改質ガスは、水素精製器１６へ送出される。連絡流路管Ｐ６のバッファタンク３６よりも下流側には、開閉弁Ｖ５が設けられている。

【0047】

（水素精製器）
水素精製器１６には、昇圧後水分離部３２からの改質ガスが流れる連絡流路管Ｐ６の下流端が接続されている。水素精製器１６には、一例として、ＰＳＡ装置が使用される。水素精製器１６は、図４に示すように、２機の吸着部１６Ａ、１６Ｂを備えている。２機の吸着部１６Ａ、１６Ｂの各々には、第１切換部１５を介して連絡流路管Ｐ６の下流端、及びオフガス管Ｐ７の上流端が接続されている。また、２機の吸着部１６Ａ、１６Ｂの各々には、第２切換部１７を介して水素ガス送出管Ｐ１１の上流端、及び洗浄ガス管Ｐ１２の下流端が接続されている。洗浄ガス管Ｐ１２には、開閉弁Ｖ４（図１参照）が設けられている。

【0048】

第１切換部１５と吸着部１６Ａとは、配管Ｐ１５Ａを介して接続されており、第１切換部１５と吸着部１６Ｂとは、配管Ｐ１５Ｂを介して接続されている。また、第２切換部１７と吸着部１６Ａとは、配管Ｐ１７Ａを介して接続されており、第２切換部１７と吸着部１６Ｂとは、配管Ｐ１７Ｂを介して接続されている。

【0049】

第１切換部１５、第２切換部１７は、接続路、複数の電磁弁を含んで構成されており、信号線により制御部６０と接続されている。第１切換部１５、第２切換部１７内の各電磁弁が制御部６０により制御され、吸着部１６Ａ、１６Ｂへのガスの流入／送出、及び停止が切換えられる。

【0050】

吸着部１６Ａ、１６Ｂには、吸着剤が収容されており、吸着部１６Ａ、１６Ｂで不純物が吸着されることにより、改質ガスが水素リッチガスと不純物を含むオフガスとに分離される。改質ガスが、配管Ｐ１５Ａ、１５Ｂの接続側から流入し、配管Ｐ１７Ａ、１７Ｂの接続側へ至るまでに、不純物が吸着されて精製される。吸着部１６Ａ、１６Ｂを透過した水素リッチガスは、水素精製器１６の水素リッチガス出口側に配設される水素ガス送出管Ｐ１１へ送出される。吸着部１６Ａ、１６Ｂで吸着された不純物は、吸着部１６Ａ、１６Ｂが所定のタイミングで減圧されることにより吸着剤から脱着され、オフガス出口側に配設された、後述するオフガス管Ｐ７へ送出される。

【0051】

図１に示されるように、水素ガス送出管Ｐ１１は、水素供給管Ｐ１１Ａ、オフガス合流管Ｐ１１Ｂ、及び、他機洗浄ガス供給管Ｐ１１Ｃに３分岐されている。

【0052】

水素ガス送出管Ｐ１１の当該３分岐部分よりも上流側には、水素純度センサ４６が設けられている。水素純度センサ４６では、水素ガス送出管Ｐ１１へ送出された水素リッチガスの水素純度が検出される。検出された純度が高いほど水素濃度は高くなる。水素純度センサ４６は、信号線により制御部６０と接続されており、検出した水素純度に関するデータ（水素純度データ）が制御部６０へ送られる。水素の純度を検出する水素純度センサ４６としては、例えば、薄膜円筒の共振周波数が周囲のガス密度により変化することを原理として用いた水素純度計や、光学的に水素の純度を検出するセンサ等、水素の純度が検出可能であれば何れのセンサを用いてもよい。

【0053】

水素供給管Ｐ１１Ａには、開閉弁Ｖ１が設けられている。開閉弁Ｖ１は、水素純度センサ４６で検出される水素純度データＤ１の値が閾値α以上の場合に開放され、製品水素が水素供給管Ｐ１１Ａへ送出される。閾値αは、要求される水素純度に応じて設定することができ、例えば、９９．９９％に設定することができる。製品水素は、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。

【0054】

他機洗浄ガス供給管Ｐ１１Ｃは、他の水素製造装置１０（水素製造装置１０Ａであれば他の水素製造装置は水素製造装置１０Ｂ、水素製造装置１０Ｂであれば他の水素製造装置は水素製造装置１０Ａ）へ延出され、他の水素製造装置１０の洗浄ガス管Ｐ１２と接続されている。

【0055】

他機洗浄ガス供給管Ｐ１１Ｃには、開閉弁Ｖ３が設けられている。開閉弁Ｖ３は、後述する他機洗浄処理のときに、他機洗浄ガスを供給する水素製造装置１０において開放される。

【0056】

なお、本実施形態では、水素純度センサ４６で水素ガス送出管Ｐ１１へ送出された水素リッチガスの水素純度を検出したが、閾値βに関して、改質触媒の温度を検出して、当該温度に対応させた水素純度を推定してもよい。例えば、定格運転で水素が製造されている作動時と比較して、改質触媒の温度が低温のＬ１の場合には、閾値βよりも水素純度が低いと判断することができる。

【0057】

さらに、閾値βに関して、水素精製器１６の作動における圧力差を検出して、当該圧力差に対応させた水素純度を推定してもよい。例えば、定格運転で水素が製造されている作動時と比較して、圧力差が小さいＬ２の場合には、閾値βよりも水素純度が低いと判断することができる。また、前述の改質触媒の温度と、当該圧力差とを合わせて水素純度を推定してもよい。

【0058】

オフガス合流管Ｐ１１Ｂは、後述するオフガス管Ｐ７と合流されている。オフガス合流管Ｐ１１Ｂには、開閉弁Ｖ２が設けられている。開閉弁Ｖ２は、水素純度センサ４６で検出される水素純度データＤ１の値が閾値α未満の場合に開放される。また、後述する他機洗浄処理のときには、水素純度センサ４６で検出される水素純度データＤ１の値が閾値β未満の場合に開放される。

【0059】

開閉弁Ｖ１～５は、制御部６０と信号線により接続されており、制御部６０により開閉が制御される。

【0060】

水素精製器１６のオフガス出口側には、オフガス管Ｐ７の上流端が接続されている。また、オフガス管Ｐ７には、オフガス合流管Ｐ１１Ｂが接続されている。オフガス管Ｐ７の下流端は、多重筒型改質器１２のバーナ２２と接続されている。水素精製器１６からは、分離されたオフガスが、オフガス管Ｐ７へ送出される。オフガス管Ｐ７には、オフガスタンク１８が設けられている。オフガスは、オフガスタンク１８に一時貯留され、オフガス管Ｐ７を流れて燃料として多重筒型改質器１２のバーナ２２（図２参照）へ供給される。

【0061】

（燃焼排ガス水分離部）
燃焼排ガス水分離部３４は、上部が気体室３４Ａとされ、下部が液体室３４Ｂとされている。気体室３４Ａには、ガス排出管Ｐ１０の下流端が接続されている。また、気体室３４Ａには、外部排出管Ｐ１３が接続されている。液体室３４Ｂ底部には、水送出口３４Ｃが形成されており、水送出口３４Ｃに燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃが接続されている。燃焼排ガス水分離部３４は、昇圧前水分離部３０及び昇圧後水分離部３２よりも大容量とされている。なお、燃焼排ガス水分離部３４は、昇圧前水分離部３０及び昇圧後水分離部３２よりも底面積を大きくすることにより容量を大きくすることが好ましい。

【0062】

燃焼排ガスは、燃焼部２１から燃焼排ガス流路２３を経てガス排出管Ｐ１０へ送出される。燃焼排ガス中の水蒸気は、燃焼排ガス水分離部３４の上流に配置された熱交換器ＨＥ３において冷却されることによって凝縮される。凝縮により燃焼排ガスから分離された水は、液体室３４Ｂに貯留され、燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃへ送出される。水が分離された後の燃焼排ガスは、外部排出管Ｐ１３から外部へ排出される。

【0063】

水素製造装置１０の底部には、水タンク４０が配置されている。水タンク４０の天面には、水流入口４０Ａが形成されており、改質ガス水配管Ｐ８Ａ、Ｐ８Ｂ、及び燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃは、合流後に水流入口４０Ａと接続されている。合流後の配管を水流入管Ｐ８と称する。水タンク４０には、昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、燃焼排ガス水分離部３４で分離された水が流入し、貯留される。

【0064】

水タンク４０には、改質水供給管Ｐ９の上流端が接続されている。改質水供給管Ｐ９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）４２が設けられている。また、改質水供給管Ｐ９には、ポンプ４４が設けられており、ポンプ４４の駆動により、水タンク４０に貯留された水が水処理器４２を経て多重筒型改質器１２へ供給される。

【0065】

なお、水タンク４０に外部からの水を供給して改質水が不足した場合に補うようにしてもよい。

【0066】

（作用）
次に、水素製造システム７０の作用について説明する。

【0067】

まず、各々の水素製造装置１０（１０Ａ、１０Ｂ）による水素製造工程の概略の流れを説明する。原料供給管Ｐ１から多重筒型改質器１２へ供給された都市ガスは、予熱流路２４Ａで改質水と混合されつつ加熱され、混合ガスとなって改質触媒層２４Ｃへ供給される。改質触媒層２４Ｃでは、燃焼排ガス流路２３を流れる燃焼排ガスからの熱を受けて混合ガスが水蒸気改質され、水素を主成分とする改質ガスが生成される。改質ガスは、改質ガス流路２５を通ってＣＯ変成触媒層２６へ供給される。ＣＯ変成触媒層２６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。ＣＯ変成触媒層２６を通過した改質ガスは、酸化剤ガス供給管Ｐ２Ｂから供給される酸化ガス（空気）と共にＣＯ選択酸化触媒層２７へ供給され、触媒上で一酸化炭素が酸素と反応して二酸化炭素に変換され、一酸化炭素が除去される。ＣＯ選択酸化触媒層２７で一酸化炭素が低減された改質ガスは、改質ガス排出管Ｐ３へ送出される。

【0068】

改質ガスは、改質ガス排出管Ｐ３に設けられた熱交換器ＨＥ１を経て、昇圧前水分離部３０の気体室３０Ａへ供給される。気体室３０Ａへ供給された改質ガスに含まれる水は、熱交換器ＨＥ１での冷却により凝縮されて液体室３０Ｂへ貯留され、改質ガス水配管Ｐ８Ａを経て水タンク４０へ送出される。気体室３０Ａから、水が分離された改質ガスが、連絡流路管Ｐ４を流れて圧縮機１４へ供給され、圧縮機１４によって圧縮される。

【0069】

圧縮された改質ガスは、連絡流路管Ｐ６を流れて昇圧後水分離部３２の気体室３２Ａへ供給される。気体室３２Ａへ供給された改質ガスに含まれる水蒸気は、熱交換器ＨＥ２での冷却により凝縮されて液体室３２Ｂへ貯留され、改質ガス水配管Ｐ８Ｂを経て水タンク４０へ送出される。気体室３２Ａから、水が分離された改質ガスが、連絡流路管Ｐ６を流れて水素精製器１６へ供給される。

【0070】

水素精製器１６では、吸着部１６Ａ、１６Ｂで不純物が吸着されることにより、改質ガスがオフガスと水素リッチガスとに分離され、オフガスは、オフガス管Ｐ７を流れて燃料として多重筒型改質器１２のバーナ２２へ供給される。 多重筒型改質器１２の燃焼部２１では、オフガスが燃焼され、燃焼排ガスがガス排出管Ｐ１０を介して燃焼排ガス水分離部３４の気体室３４Ａへ供給される。気体室３４Ａへ供給された燃焼排ガスに含まれる水蒸気は、熱交換器ＨＥ３での冷却により凝縮されて液体室３４Ｂへ貯留され、燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃを経て水タンク４０へ送出される。水が分離された燃焼排ガスは、外部排出管Ｐ１３を経て外部へ排出される。水素リッチガスは、水素ガス送出管Ｐ１１へ送出される。

【0071】

次に、他機洗浄処理について説明する。この他機洗浄処理は、水素精製器１６から送出される製品水素の純度が低下した場合や、予め定めた一定時間の経過後に、吸着部１６Ａに残存する不純物を除去するために行われる。また、水素製造装置１０の運転開始前や運転停止前などにも行われる。本実施形態では、水素製造装置１０Ａ、１０Ｂ共に水素製造運転中で、水素製造装置１０Ａの洗浄を行う場合（水素製造装置１０Ａが被洗浄水素製造装置となる場合）について説明する。

【0072】

水素製造装置１０Ａについて、ユーザーから他機洗浄処理実行の指示が開始されると、制御部６０において、図５に示す他機洗浄処理が実行される。まず、ステップＳ１０で、水素製造装置１０Ｂの開閉弁Ｖ１が閉鎖されると共に、開閉弁Ｖ３が開放される。ステップＳ１２で、水素製造装置１０Ａの開閉弁Ｖ４が開放される。そして、ステップＳ１４で、水素製造装置１０Ａの第１切換部１５及び第２切換部１７が制御されて第１洗浄処理が行われる。第１洗浄処理は、吸着部１６Ａを洗浄する処理であり、吸着部１６Ａへ他機洗浄ガスが供給されると共に吸着部１６Ａからオフガス管Ｐ７へ使用済みの他機洗浄ガスが送出され、吸着部１６Ｂへ改質ガスが供給されると共に吸着部１６Ｂから水素ガス送出管Ｐ１１へ吸着部１６Ｂで非吸着の水素リッチガスが送出されるように、第１切換部１５及び第２切換部１７が制御される。

【0073】

これにより、水素製造装置１０Ｂから吸着部１６Ａへ水素リッチガスが他機洗浄ガスとして供給され、他機洗浄ガスは吸着部１６Ａを透過してオフガス管Ｐ７へ送出される。なお、吸着部１６Ａへの改質ガスの供給は停止され、吸着部１６Ａはオフガス排気時と同様の減圧状態とされている。また、吸着部１６Ｂでは、通常の水素精製モードで水素リッチガスが精製される。

【0074】

次に、ステップＳ１６で、所定時間Ｔ１が経過したかどうかを判断する。ここでの時間Ｔ１は、吸着部１６Ａに残留している不純物をオフガス管Ｐ７へ送出するために必要とされる時間が設定される。所定時間Ｔ１が経過していない場合には、所定時間Ｔ１が経過するまで待機する。

【0075】

所定時間Ｔ１が経過したら、ステップＳ１８へ進んで、水素製造装置１０Ａの第１切換部１５及び第２切換部１７が制御されて第２洗浄処理が行われる。第２洗浄処理は、吸着部１６Ｂを洗浄する処理であり、吸着部１６Ｂへ他機洗浄ガスが供給されると共に吸着部１６Ｂからオフガス管Ｐ７へ使用済みの他機洗浄ガスが送出され、吸着部１６Ａへ改質ガスが供給されると共に吸着部１６Ａから水素ガス送出管Ｐ１１へ吸着部１６Ａで非吸着の水素リッチガスが送出されるように、第１切換部１５及び第２切換部１７が制御される。

【0076】

これにより、水素製造装置１０Ｂから吸着部１６Ｂへ水素リッチガスが他機洗浄ガスとして供給され、他機洗浄ガスは吸着部１６Ｂを透過してオフガス管Ｐ７へ送出される。なお、吸着部１６Ｂへの改質ガスの供給は停止され、オフガス排気時と同様の減圧状態とされている。また、吸着部１６Ａでは、通常の水素精製モードで水素リッチガスが精製される。

【0077】

次に、ステップＳ２０で、所定時間Ｔ２が経過したかどうかを判断する。ここでの時間Ｔ２は、吸着部１６Ｂに残留している不純物をオフガス管Ｐ７へ送出するために必要とされる時間が設定される。所定時間Ｔ２が経過していない場合には、所定時間Ｔ２が経過するまで待機する。

【0078】

所定時間Ｔ２が経過したら、ステップＳ２２へ進んで、水素製造装置１０Ａの開閉弁Ｖ４を閉鎖し、ステップＳ２４で、水素製造装置１０Ｂの開閉弁Ｖ３を閉鎖すると共に、開閉弁Ｖ１を開放し、本処理を終了する。なお、ステップＳ２２とステップＳ２４は、処理の順序が逆でもよい。水素製造装置１０Ａの開閉弁Ｖ４の閉鎖、水素製造装置１０Ｂの開閉弁Ｖ３の閉鎖、開閉弁Ｖ１の開放は、ほぼ同時に行われる。

【0079】

この他機洗浄処理により、吸着部１６Ａ、１６Ｂに滞留していた不純物が除去され、水素ガス送出管Ｐ１１へ送出される水素リッチガスに含まれる不純物の量を少なくすることができる。

【0080】

また、自機（水素製造装置１０Ａ）の水素精製器１６の洗浄を、他機（水素製造装置１０Ｂ）で精製された水素リッチガスを用いて行うので、洗浄用の水素タンクを備える必要がなく、簡易な構成で水素精製器１６の洗浄を行うことができる。

【0081】

また、本実施形態では、洗浄に用いた他機洗浄ガスをオフガス管Ｐ７へ送出するので、使用後の他機洗浄ガスをオフガスと同様に処理することができる。

【0082】

なお、本実施形態では、水素製造装置１０Ａ、１０Ｂ共に運転途中で他機洗浄処理を行う例について説明したが、水素製造装置１０Ｂの起動時に、水素製造装置１０Ａを洗浄してもよい。

【0083】

この場合の他機洗浄処理は、水素製造装置１０Ｂの運転開始と共に他機洗浄処理を実行する旨の指示が入力されると、制御部６０により実行される。図６に示されるように、まず、ステップＳ３０で、水素製造装置１０Ｂを起動させて水素の製造を開始する。次に、ステップＳ３２で、水素製造装置１０Ｂの開閉弁Ｖ２、Ｖ５を開放する。これにより、水素製造装置１０Ｂで水素製造が開始される。

【0084】

ステップＳ３４で、水素純度センサ４６から水素純度データＤ１を取得し、ステップＳ３６で水素純度データＤ１が閾値β以上かどうかを判断する。水素純度データＤ１が閾値β未満の場合には、水素純度データＤ１が閾値β以上になるまで待機し、水素純度データＤ１が閾値β以上になった場合には、ステップＳ３８へ進んで、水素製造装置１０Ｂの開閉弁Ｖ２を閉鎖し、開閉弁Ｖ３を開放する。

【0085】

次に、ステップＳ４０で、洗浄処理を実行する。この洗浄処理は、図５に示すステップＳ１２からステップＳ２２の処理と同じである。

【0086】

これにより、水素製造装置１０Ｂの水素精製器１６で分離された水素リッチガスが、水素ガス送出管Ｐ１１から他機洗浄ガス供給管Ｐ１１Ｃ、洗浄ガス管Ｐ１２を経て、水素製造装置１０Ａの水素精製器１６へ供給される。この水素リッチガスは、水素製造装置１０Ｂが起動直後であることから、通常、低純度水素ガスである。

【0087】

水素製造装置１０Ａの水素精製器１６では、供給された低純度水素ガスで、吸着部１６Ａ、１６Ｂの洗浄が順次行われる。当該処理中、オフガスとして分離されたガスは、水素純度に応じて、水素製造装置１０Ａ内のオフガスタンク１８、または水素製造装置１０Ａの低純度水素タンク５０へ送出される。これにより、水素製造装置１０Ａの吸着部１６Ａ、１６Ｂに滞留していた不純物が除去される。

【0088】

次に、ステップＳ４２で、水素製造装置１０Ｂの開閉弁Ｖ３を閉鎖し、開閉弁Ｖ１を開放して、本処理を終了する。

【0089】

この他機洗浄処理でも、水素精製器１６の吸着部１６Ａ、１６Ｂに残留していた不純物が除去され、水素製造装置１０Ａにおいて、水素ガス送出管Ｐ１１へ送出される水素リッチガスに含まれる不純物の量を少なくすることができる。

【0090】

なお、洗浄に使用する水素リッチガスの水素純度に関する閾値βは、水素精製器１６の洗浄に使用できる水素純度として設定されており、７７％～９９．９９％の範囲で設定することができる。なお、閾値βは、より効果的に洗浄を行って洗浄間隔を長くするために、９９．５％以上であることが好ましい。なお、外気温が高い夏場などには、水素精製器１６内の温度が上昇して吸着部１６Ａ、１６Ｂにおける吸着性能が低下する傾向にある。そこで、外気温に応じて閾値βを変化させてもよい。すなわち、外気温が高い場合には、閾値βを比較的高く設定し、外気温が低い場合には、閾値βを比較的低く設定してもよい。

【0091】

また、本実施形態では、同一構成の水素製造装置を複数機有する場合について説明したが、各々の水素製造装置は、改質器及び水素精製器を有するものであれば、異なる構成のものであってもよい。

【0092】

また、本実施形態では、他機洗浄ガス供給管Ｐ１１Ｃが、他の水素製造装置１０へ延出され、他の水素製造装置１０の洗浄ガス管Ｐ１２と接続される構成としたが、他の水素製造装置１０との接続は、他の構成としてもよい。例えば、図７に示される水素製造システム７０Ａのように、水素製造装置１０が３機（水素製造装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）以上の場合には、他機同士の接続を共通の共用配管Ｐ１８で行ってもよい。この場合には、各々の水素製造装置１０における他機洗浄ガス供給管Ｐ１１Ｃ及び洗浄ガス管Ｐ１２が、共用配管Ｐ１８と接続される。

【符号の説明】

【0093】

１０、１０Ａ、１０Ｂ 水素製造装置
１２ 多重筒型改質器（改質器）
１５ 第１切換部（洗浄実行部）
１７ 第２切換部（洗浄実行部）
１６ 水素精製器
１６Ａ、１６Ｂ 吸着部
６０ 制御部（洗浄実行部）
７０ 水素製造システム
Ｐ７ オフガス管（オフガス送出路）
Ｐ１１ 水素ガス送出管（水素ガス送出路）
Ｐ１１Ｃ 他機洗浄ガス供給管（他機洗浄ガス供給路）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】