JP2020083740A - 水素製造装置及び水素製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】改質器の起動時に所定の水素濃度に達していない改質ガスが水素精製器に供給されることを防止すると共に、装置全体の熱効率を向上させた水素製造装置及び水素製造方法を提供する。【解決手段】水素製造装置１０は、改質器１２のおける改質ガスが所定の水素濃度に達していない場合には、第１開閉弁１０２を閉弁し、第２開閉弁１０４を開弁することによって、当該改質ガスをオフガスタンク１１２に供給し、オフガス還流管１１０を介して改質器１２のバーナー２６に供給して燃焼室２５で燃焼させる。これによって、所定の水素濃度に達していない改質ガスが水素精製器９０に供給されて製品水素の純度が低下することが防止とされると共に、燃料ガスとして改質器１２のバーナー２６に供給されることで、水素製造装置全体の熱効率が向上する。【選択図】図１

Description

本発明は、水素製造装置及び水素製造方法に関し、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及び水素製造方法に関する。

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（水蒸気）改質した後、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）装置（水素精製器）へ供給するものが知られている。ＰＳＡで改質ガスから不純物と分離された水素が取り出される。

改質装置では、原料炭化水素から水蒸気改質された改質ガスの水素濃度等が所定の濃度に達していないことがある。例えば、改質装置の起動時には、改質装置の内部温度が所定温度まで上昇せず、水蒸気改質された改質ガスが所定の水素濃度に達しない（一酸化炭素濃度が高い）ことがある。そこで、特許文献１の水素製造装置では、改質装置で生成される所定の水素濃度に達していない改質ガスをフレアに供給している。すなわち、改質装置で生成された所定の水素濃度に達していない改質ガスを水素精製器に供給しないことにより、所定品質に到達していない製品水素が製造されることを防止している。

特開２００９−１４９４６６号公報

特許文献１記載の水素製造装置は、所定品質に到達していない製品水素の製造を防止するという観点では優れているが、水素製造装置の熱効率の点で改善の余地がある。

本発明の課題は、所定の水素濃度に達していない改質ガスが水素精製器に供給されることが防止されると共に、装置全体の熱効率を向上させた水素製造装置及び水素製造方法を提供することである。

請求項１記載の水素製造装置は、原料として供給された炭化水素を改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器と、前記改質器と接続され、前記改質ガスを製品水素と不純物であるオフガスとに分離して製品水素を精製する水素精製器と、前記水素精製器から前記改質器の燃焼室に前記オフガスを燃料として戻すオフガス流路と、前記オフガス流路上に設けられ、前記オフガスを一旦貯留した後、前記改質器に供給するオフガスタンクと、前記改質器から前記水素精製器に到る改質ガス流路から分岐して前記オフガスタンクに到る改質ガス分岐流路と、前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と、下流側又は前記改質ガス分岐流路のいずれか一方と連通し、他方と遮断する切換手段と、を備える。

この水素製造装置では、改質器の内部温度が所定温度に到達していないと、改質器で水蒸気改質が十分に行われず、所定の水素濃度に達していない改質ガスが生成される。

例えば、改質器の起動時に内部温度が所定温度に到達するまでは、改質器で所定の水素濃度に達していない改質ガスが生成される。この際、水素製造装置では、切換手段によって改質ガス流路の上流側と下流側とを遮断させ、上流側と改質ガス分岐流路とを連通させることができる。これにより、改質器で生成された改質ガスはオフガスタンクに供給され、オフガスタンクから改質器の燃焼室に燃料として供給され、改質器の加熱に供される。

すなわち、改質器で生成された所定の水素濃度に達しない改質ガスが水素精製器に到達することが防止されると共に、所定の水素濃度に達しない改質ガスをフレアに供給する装置と比較して装置全体の熱効率が向上する。

一方、例えば、改質器の起動時間から所定時間経過すると、改質器の内部温度が上昇して所定温度に到達し、改質器で所定の水素濃度に達した改質ガスが生成される。この際、水素製造装置では、切換手段によって改質ガス流路の上流側と下流側とを連通させ、上流側と改質ガス分岐流路とを遮断させることができる。これにより、改質ガスが改質器から水素精製器に到達し、所定品質の製品水素が製造されると共に、水素精製器からオフガスタンクを介して改質器の燃焼室にオフガスが燃料として戻され、改質器の加熱に供される。この場合にも、オフガスを改質器に燃料として供給しない水素製造装置と比較して水素製造装置全体の熱効率が向上する。

さらに、この切換時に、改質ガスが水素精製器に到達し、水素精製器で改質ガスから分離されたオフガスがオフガスタンクに到達するまでの間、オフガスタンクに貯留されていた改質ガスを改質器の燃焼室に供給することができる。したがって、切換時における改質器の燃焼室に対する燃料供給を安定的に維持し、改質器の加熱に供することができる。

これにより、所定の水素濃度に達しない改質ガスをフレアに供給する水素製造装置と比較して水素製造装置全体の熱効率が一層向上する。

請求項２記載の水素製造装置は、請求項１記載の水素製造装置において、前記改質器における前記改質ガスの温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段で検出された前記改質ガスの温度に基づいて、前記切換手段を制御する制御部と、を備える。

この水素製造装置では、制御部が温度検出手段で検出された改質ガスの温度に基づいて生成された改質ガスが所定品質であるか否かを判定し、切換手段を切り換えている。

制御部は、温度検出手段で検出された改質ガスの温度に基づいて、改質ガスの水素濃度が所定濃度に達しているか否かを判定している。制御部は、例えば、改質ガスの温度が所定温度未満の場合には、改質ガスが所定の水素濃度に達していないと判定し、切換手段によって改質ガス流路の上流側と下流側とを遮断させ、上流側と改質ガス分岐流路とを連通させる。これによって、所定の水素濃度に達していない改質ガスを改質器からオフガスタンクを介して改質器の燃焼室に燃料として供給する。すなわち、所定の水素濃度に達していない改質ガスを改質器の加熱に供する。

一方、制御部は、改質器の改質ガスの温度が所定温度以上の場合には、改質ガスが所定の水素濃度に達したと判定し、切換手段によって改質ガス流路の上流側と下流側とを連通させ、上流側と改質ガス分岐流路とを遮断させている。これによって、所定の水素濃度に達した改質ガスを水素精製器に供給し、製品水素を製造する。

このように、制御部では改質器の改質ガス温度に基づいて改質ガスが所定の水素濃度に達しているか否かを判定し、これに基づいて切換手段を制御しているため、製品水素の品質を維持しつつ、装置全体の熱効率を向上させることができる。

請求項３記載の水素製造装置は、請求項２記載の水素製造装置において、前記オフガス流路の前記オフガスタンクよりも下流側に設けられ、ガス流量を検出するガス流量検出手段と、前記改質器の燃焼室に空気を供給する空気供給流路と、前記空気供給流路上に設けられ、前記燃焼室に供給される空気流量を調整する空気流量調整弁と、を備え、前記制御部は、前記ガス流量検出手段で検出された前記ガス流量に基づいて、前記空気流量調整弁を制御して前記空気流量を調整する。

この水素製造装置では、改質ガスの温度に基づいて切換手段が切換られることにより、所定の水素濃度に達していない改質ガスがオフガスタンクを経由して改質器に燃料として供給される。この際、オフガス流路に設けられたガス流量検出手段で改質ガスの流量が検出され、制御部は、この改質ガス流量に基づいて改質器の燃焼室に供給される空気流量を調整することで、燃焼室の燃焼性を良好に維持している。

請求項４記載の水素製造装置は、請求項２記載の水素製造装置において、前記オフガス流路の前記オフガスタンクよりも下流側に設けられ、ガス流量を検出するガス流量検出手段と、前記改質器の燃焼室に空気を供給する空気供給流路と、前記空気供給流路上に設けられ、前記燃焼室に供給される空気流量を調整する空気流量調整弁と、を備え、前記制御部は、前記改質ガスの温度と、前記ガス流量検出手段で検出された前記ガス流量に基づいて、前記空気流量調整弁を制御として前記空気流量を調整する。

この水素製造装置では、改質ガスの温度に基づいて切換手段が切換られることにより、所定の水素濃度に達していない改質ガスがオフガスタンクを経由して改質器に燃料として供給される。この際、オフガス流路に設けられたガス流量検出手段で改質ガスの流量が検出され、制御部ではこの改質ガスの流量と温度に基づいて改質器の燃焼室に流れる空気流量を調整することで、燃焼室の燃焼性を良好に維持している。

特に、制御部では、改質ガスの流量のみならず改質ガスの温度を参照することで、温度によって異なる改質ガスの組成に対応して燃焼室に供給する空気流量を調整するため、燃焼室の燃焼性が一層良好になる。
請求項５記載の水素製造方法は、請求項１記載の水素製造装置を用いて、前記改質器で生成された前記改質ガスの水素濃度が所定の水素濃度に達していない場合には、前記切換手段によって前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と下流側とを遮断させ、前記上流側と前記改質ガス分岐流路とを連通させ、前記改質器で生成された前記改質ガスの水素濃度が所定の水素濃度に到達した場合には、前記切換手段によって前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と下流側とを連通させ、前記上流側と前記改質ガス分岐流路とを遮断させる。
この水素製造方法では、改質器で生成された改質ガスの水素濃度が所定の水素濃度に達していない場合には、切換手段によって改質ガス流路の上流側と下流側とを遮断させ、上流側と改質ガス分岐流路とを連通させる。これにより、改質器で生成された改質ガスはオフガスタンクに供給され、オフガスタンクから改質器の燃焼室に燃料として供給され、改質器の加熱に供される。

すなわち、改質器で生成された所定の水素濃度に達しない改質ガスが水素精製器に到達することが防止されると共に、所定の水素濃度に達しない改質ガスをフレアに供給する装置と比較して装置全体の熱効率が向上する。

一方、改質器で生成された改質ガスが所定の水素濃度に到達すると、切換手段によって改質ガス流路の上流側と下流側とを連通させ、上流側と改質ガス分岐流路とを遮断させる。これにより、改質ガスが改質器から水素精製器に到達し、所定品質の製品水素が製造されると共に、水素精製器からオフガスタンクを介して改質器の燃焼室にオフガスが燃料として戻され、改質器の加熱に供される。この場合にも、オフガスを改質器に燃料として供給しない水素製造装置と比較して水素製造装置全体の熱効率が向上する。

さらに、この切換時に、改質ガスが水素精製器に到達し、水素精製器で改質ガスから分離されたオフガスがオフガスタンクに到達するまでの間、オフガスタンクに貯留されていた改質ガスを改質器の燃焼室に供給することができる。したがって、切換時における改質器の燃焼室に対する燃料供給を安定的に維持し、改質器の加熱に供することができる。

これにより、所定の水素濃度に達しない改質ガスをフレアに供給する水素製造装置と比較して水素製造装置全体の熱効率が一層向上する。
請求項６記載の水素製造方法は、請求項１記載の水素製造装置を用いて、前記改質器で生成された改質ガスの温度が閾値未満の場合には、前記切換手段によって前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と下流側とを遮断させ、前記上流側と前記改質ガス分岐流路とを連通させ、前記改質器で生成された前記改質ガスの温度が閾値以上の場合には、前記切換手段によって前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と下流側とを連通させ、前記上流側と前記改質ガス分岐流路とを遮断させる。
この水素製造方法では、改質器で生成された改質ガスの温度が閾値未満の場合には、改質ガスが所定の水素濃度に達していないと判定し、切換手段によって改質ガス流路の上流側と下流側とを遮断させ、上流側と改質ガス分岐流路とを連通させる。これによって、所定の水素濃度に達していない改質ガスを改質器からオフガスタンクを介して改質器の燃焼室に燃料として供給する。すなわち、所定の水素濃度に達していない改質ガスを改質器の加熱に供する。

一方、改質器で生成された改質ガスの温度が閾値以上の場合には、改質ガスが所定の水素濃度に達したと判定し、切換手段によって改質ガス流路の上流側と下流側とを連通させ、上流側と改質ガス分岐流路とを遮断させている。これによって、所定の水素濃度に達した改質ガスを水素精製器に供給し、製品水素を製造する。

このように、この水素製造方法では、改質器の改質ガス温度に基づいて改質ガスが所定の水素濃度に達しているか否かを判定し、これに基づいて切換手段を制御しているため、製品水素の品質を維持しつつ、装置全体の熱効率を向上させることができる。
請求項７記載の水素製造方法は、請求項６記載の水素製造方法において、少なくとも前記改質ガスの温度が閾値未満の場合には、前記オフガス流路において前記オフガスタンクよりも下流側のガス流量に基づいて前記改質器の燃焼室に供給される空気流量を調整する。
この水素製造方法では、少なくとも改質ガスの温度が閾値未満の場合には、切換手段によって改質ガス流路の上流側と下流側とを遮断させ、上流側と改質ガス分岐流路とを連通させる。これにより、所定の水素濃度に達していない改質ガスがオフガスタンクを経由して改質器に燃料として供給される。この際、オフガス流路において前記オフガスタンクよりも下流側のガス流量に基づいて改質器の燃焼室に供給される空気流量を調整することで、燃焼室の燃焼性を良好に維持することができる。
請求項８記載の水素製造方法は、請求項６記載の水素製造方法において、少なくとも前記改質ガスの温度が閾値未満の場合には、前記改質ガスの温度と、前記オフガス流路において前記オフガスタンクよりも下流側のガス流量とに基づいて前記改質器の燃焼室に供給される空気流量を調整する。
この水素製造方法では、少なくとも改質ガスの温度が閾値未満の場合には、切換手段によって改質ガス流路の上流側と下流側とを遮断させ、上流側と改質ガス分岐流路とを連通させる。これにより、所定の水素濃度に達していない改質ガスがオフガスタンクを経由して改質器に燃料として供給される。この際、改質ガスの温度とオフガス流路において前記オフガスタンクよりも下流側のガス流量に基づいて改質器の燃焼室に供給される空気流量を調整することで、燃焼室の燃焼性を良好に維持することができる。

請求項１、２記載の発明に係る水素製造装置は、上記構成としたので、改質器の起動時等に所定の水素濃度に達していない改質ガスが水素精製器に供給されることが防止されると共に、装置全体の熱効率を向上させることができる。

また、請求項３、４記載の発明に係る水素製造装置は、上記構成としたので、燃焼室における改質ガスの燃焼性を良好にすることができる。

さらに、請求項５、６記載の発明に係る水素製造方法は、上記構成としたので、改質器の起動時等に所定の水素濃度に達していない改質ガスが水素精製器に供給されることが防止されると共に、装置全体の熱効率を向上させることができる。

また、請求項７、８記載の発明に係る水素製造方法は、上記構成としたので、燃焼室における改質ガスの燃焼性を良好にすることができる。

本発明の第１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。 本発明の第１実施形態に係る多重筒型改質器を示した断面図である。 本発明の第１実施形態に係る水素製造装置の制御構成を示したブロック図である。 本発明の第２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。 本発明の第２実施形態に係る水素製造装置の制御構成を示したブロック図である。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る水素製造装置及び水素製造方法の一例を図１及び図２を参照して説明する。

〈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多重筒型改質器（以下、「改質器」という場合がある）１２と、改質ガスを圧縮する圧縮機８０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水素精製器９０と、を備えている。また、水素製造装置１０は、圧縮機８０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１２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。

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。

（多重筒型改質器）
多重筒型改質器１２は、図２に示すように、多重に配置された複数の筒状壁２１、２２、２３、２４（以下、「筒状壁２１〜２４」という場合がある）を有している。複数の筒状壁２１〜２４は、例えば円筒状や楕円筒状に形成される。複数の筒状壁２１〜２４のうち内側から一番目の筒状壁２１の内部には、燃焼室２５が形成されており、この燃焼室２５の上部には、バーナー２６が下向きに配置されている。この多重筒型改質器１２は、改質器の一例である。

さらに、この燃焼室２５の上端部には、外部から燃焼用空気を供給するための空気供給管４０が接続されている。バーナー２６には、さらに都市ガスを供給するための原料供給管３３から分岐された原料分岐管３３Ａが接続されている。原料分岐管３３Ａには、空気供給管４０から分岐された空気分岐管４０Ａが接続されている。したがって、バーナー２６には、都市ガスに空気が混合された気体が、供給される構成である。なお、空気供給管４０が「空気供給流路」に相当する。

一番目の筒状壁２１と二番目の筒状壁２２との間には、燃焼排ガス流路２７が形成されている。燃焼排ガス流路２７の下端部は、燃焼室２５と連通されており、燃焼排ガス流路２７の上端部には、ガスを排出するためのガス排出管２８が接続されている。燃焼室２５から排出された燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路２７を下側から上側に流れ、ガス排出管２８を通じて燃焼排ガス水分離部７０へ送出される構成である。

また、二番目の筒状壁２２と三番目の筒状壁２３との間には、第１流路３１が形成されている。この第１流路３１の上部は、予熱流路３２として形成されており、この予熱流路３２の上端部には、都市ガスを供給するための原料供給管３３と、改質用水を供給するための改質用水供給管３４とが接続されている。さらに、二番目の筒状壁２２と三番目の筒状壁２３との間には、螺旋部材３５が設けられており、この螺旋部材３５により、予熱流路３２は、螺旋状に形成されている。

予熱流路３２には、都市ガスが原料供給管３３から供給可能とされ、さらに、改質用水が改質用水供給管３４から供給可能とされている。都市ガス及び改質用水は、予熱流路３２を上側から下側に流れ、二番目の筒状壁２２を介して燃焼排ガスと熱交換され水が気化される構成である。この予熱流路３２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構成である。

また、第１流路３１における予熱流路３２の下側には、改質触媒層３６が設けられており、予熱流路３２にて生成された混合ガスは、改質触媒層３６へ供給される構成である。改質触媒層３６では、燃焼排ガス流路２７を流れる燃焼排ガスからの熱を受け、混合ガスが水蒸気改質反応することによって、水素を主成分とする改質ガスが生成される構成である。

なお、第１流路３１において、改質触媒層３６の下流側には、生成された改質ガスの温度を検出する温度センサ３７が配設されている。温度センサ３７の検出信号は、後述する制御部１０６に出力される。なお、温度センサ３７が「温度検出手段」に相当する。

さらに、三番目の筒状壁２３と四番目の筒状壁２４との間には、第２流路４２が形成されている。第２流路４２の下端部は、第１流路３１の下端部と連通されている。第２流路４２の下部は、改質ガス流路４３として形成されており、第２流路４２の上端部には、改質ガス排出管４４が接続されている。

また、第２流路４２における改質ガス流路４３よりも上側には、ＣＯ変成触媒層４５が設けられており、改質触媒層３６で生成された改質ガスは、改質ガス流路４３を通過した後、ＣＯ変成触媒層４５へ供給される構成である。ＣＯ変成触媒層４５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（水性シフト反応）、改質ガス中の一酸化炭素が低減可能とされている。

さらに、ＣＯ変成触媒層４５の上側には、酸化剤ガス供給管４６が接続されており、第２流路４２におけるＣＯ変成触媒層４５よりも上側には、ＣＯ選択酸化触媒層４７が設けられている。酸化剤ガス供給管４６を通じて取り入れられた酸化剤ガス（例えば空気）、及び、ＣＯ変成触媒層４５を通過した改質ガスは、ＣＯ選択酸化触媒層４７へ供給される構成である。ＣＯ選択酸化触媒層４７では、例えば白金やルテニウム等の貴金属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、一酸化炭素が除去可能とされている。ＣＯ変成触媒層４５及びＣＯ選択酸化触媒層４７で一酸化炭素が低減された改質ガスＧ１は、改質ガス排出管４４を通じて排出される構成である。

多重筒型改質器１２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８０、昇圧後水分離部６０、及び水素精製器９０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５０、圧縮機８０、昇圧後水分離部６０、及び水素精製器９０がこの順番で配置されている。

（昇圧前水分離部）
昇圧前水分離部５０には、多重筒型改質器１２から改質ガスＧ１を流入させる改質ガス排出管４４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５９が接続され、昇圧前水分離部５０の上部には連絡流路管５６が接続されている。改質ガスＧ１は、昇圧前水分離部５０の上流の改質ガス排出管４４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５９へ送出される構成である。水が凝縮された後の改質ガスＧ２は、連絡流路管５６へ送出される構成である。

なお、連絡流路管５６は、途中で分岐管１００の上流端が接続されている。分岐管１００の下流端は、後述するオフガスタンク１１２に接続されている。また、連絡流路管５６において、分岐管１００との分岐位置よりも下流側には、昇圧前水分離部５０と圧縮機８０とを連通又は遮断する第１開閉弁１０２が配設されている。さらに、分岐管１００には、昇圧前水分離部５０とオフガスタンク１１２とを連通又は遮断する第２開閉弁１０４が配設されている。なお、分岐管１００が「改質ガス分岐流路」に相当する。また、第１開閉弁１０２、第２開閉弁１０４が「切換手段」に相当する。

この第１開閉弁１０２、第２開閉弁１０４は、図３に示すように、制御部１０６からの制御信号によって開閉されるように構成されている。

具体的には、温度センサ３７で検出された改質ガスの温度が閾値未満の場合には、第１開閉弁１０２が閉弁され、第２開閉弁１０４が開弁される構成である。すなわち、昇圧前水分離部５０と圧縮機８０とが遮断され、昇圧前水分離部５０とオフガスタンク１１２が連通される構成である。

一方、温度センサ３７で検出された改質ガスの温度が閾値以上の場合には、第１開閉弁１０２が開弁され、第２開閉弁１０４が閉弁される構成である。すなわち、昇圧前水分離部５０と圧縮機８０とが連通され、昇圧前水分離部５０とオフガスタンク１１２が遮断される構成である。

（圧縮機）
圧縮機８０には、昇圧前水分離部５０からの改質ガスＧ２が流れる連絡流路管５６と、昇圧後水分離部６０へ供給される改質ガスＧ２が流れる連絡流路管６６とが接続されている。圧縮機８０は、昇圧前水分離部５０から供給された改質ガスＧ２を圧縮し、昇圧後水分離部６０へ供給可能とされている。

（昇圧後水分離部）
昇圧後水分離部６０には、圧縮機８０から改質ガスＧ２を流入させる連絡流路管６６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６９が接続され、昇圧後水分離部６０の上部には連絡流路管６８が接続されている。改質ガスＧ２は、昇圧後水分離部６０の上流の連絡流路管６６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６９へ送出される構成である。水が凝縮された後の改質ガスＧ３は、連絡流路管６８へ送出される構成である。

（水素精製器）
水素精製器９０には、昇圧後水分離部６０からの改質ガスＧ３が流れる連絡流路管６８の下流端と、精製された水素が送出される水素供給管９２の上流端と、水素精製器９０で分離されたオフガスが送出されるオフガス還流管１１０の上流端とが接続されている。

水素精製器９０は、一例として、ＰＳＡ装置が使用されている。この水素精製器９０では、一対の吸着槽を備え、一方の吸着槽で吸着剤に不純物を吸着させる吸着工程を行い、他方の吸着槽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、次に一方の吸着槽で脱着工程、他方の吸着槽で吸着工程を行う。これを周期的に繰り返すことで、改質ガスＧ３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、水素が精製される構成である。精製された水素は、水素供給管９２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出可能とされている。

水素精製器９０のオフガスは、オフガス還流管１１０を介して改質器１２の燃焼室２５に設けられたバーナー２６に供給可能とされている。なお、オフガス還流管１１０が「オフガス流路」に相当する。また、改質器１２から水素精製器９０に到る改質ガスの流路、具体的には、改質ガス排出管４４、昇圧前水分離部５０、連絡流路管５６、圧縮機８０、連絡流路管６６、昇圧後水分離部６０、連絡流路管６８が「改質ガス流路」に相当する。

（燃焼排ガス水分離部）
燃焼排ガス水分離部７０には、改質器１２の燃焼排ガス流路２７から燃焼排ガスを導くガス排出管２８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７８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７６が接続されている。燃焼室２５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２８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７８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７６から外気中へ排出される構成である。

水回収管５９、６９、７８の各々の下流端は、改質用水供給管３４に接続されている。改質用水供給管３４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）３４Ａが設けられている。また、改質用水供給管３４には、外部水供給部１７が接続されている。外部水供給部１７から改質用水供給管３４に、例えば純水または市水が供給される構成である。

さらに、改質用水供給管３４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１７から供給された水は、ポンプＰ１によって多重筒型改質器１２へ供給される構成である。

〈オフガスタンク〉
オフガスタンク１１２は、水素精製器９０と改質器１２のバーナー２６とを連通するオフガス還流管１１０上に設けられている。また、オフガスタンク１１２には、分岐管１００の下流端が接続されている。

したがって、第１開閉弁１０２が開弁され、第２開閉弁１０４が閉弁された場合には、水素精製器９０から供給されたオフガスがオフガスタンク１１２に一旦貯留され、流量や組成が平準化された後、改質器１２のバーナー２６に供給される構成である。

一方、第１開閉弁１０２が閉弁され、第２開閉弁１０４が開弁された場合には、昇圧前水分離部５０から供給された改質ガスがオフガスタンク１１２に一旦貯留された後、オフガス還流管１１０を介して改質器１２のバーナー２６に供給される構成である。

（制御部）
続いて、第１開閉弁１０２、第２開閉弁１０４の開閉制御を行う制御部１０６について説明する。

制御部１０６は、図３に示すように、温度センサ３７の検出信号が入力されると共に、第１開閉弁１０２と第２開閉弁１０４に制御信号（開弁信号、閉弁信号）が出力される構成である。特に、制御部１０６は、第１開閉弁１０２と第２開閉弁１０４のいずれか一方に開弁信号、他方に閉弁信号を出力するものである。

制御部１０６は、図示しない改質ガスが所定の水素濃度に達しているか否かを判定する改質ガスの温度の閾値を記憶している。すなわち、制御部１０６は、温度センサ３７で検出された改質ガスの温度が入力されると、改質ガスの温度と記憶されている閾値と比較する構成である。

制御部１０６は、温度センサ３７で検出された改質ガスの温度が閾値以上の場合には、制御部１０６は所定の水素濃度に達した改質ガスが生成されたと判定して、第１開閉弁１０２に開弁信号、第２開閉弁１０４に閉弁信号を出力する構成である。

逆に、温度センサ３７で検出された改質ガスの温度が閾値未満の場合には、制御部１０６は所定の水素濃度に達していない改質ガスが生成されたと判定して、第１開閉弁１０２に閉弁信号、第２開閉弁１０４に開弁信号を出力する構成である。

（作用）
次に、水素製造装置１０及び水素製造方法の作用について説明する。

都市ガスが、原料供給管３３から多重筒型改質器１２に供給される。図２に示すように、多重筒型改質器１２へ供給された都市ガスは、多重筒型改質器１２の予熱流路３２で改質用の水と混合されつつ加熱され、改質触媒層３６へ供給される。改質触媒層３６では、燃焼排ガス流路２７を流れる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が生成される。この改質ガスは、改質ガス流路４３を通ってＣＯ変成触媒層４５へ供給される。ＣＯ変成触媒層４５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。

さらに、ＣＯ変成触媒層４５を通過した改質ガスは、酸化剤ガス供給管４６から供給される酸化ガス（空気）と共にＣＯ選択酸化触媒層４７へ供給され、貴金属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４７で一酸化炭素が低減された改質ガスＧ１は、改質ガス排出管４４へ送出される。

この際、多重筒型改質器１２の燃焼室２５では、原料分岐管３３Ａと空気分岐管４０Ａから供給された都市ガスと空気とが混合された気体がバーナー２６によって燃焼される。燃焼排ガスは、燃焼室２５から燃焼排ガス流路２７、ガス排出管２８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７８へ送出される。水が分離された燃焼排ガスは、ガス排出管７６から外気中へ排出される。

ここで、水素製造装置１０（改質器１２）の起動時には、改質器１２の燃焼室２５でバーナー２６が燃焼されることによって改質器内部の温度が所定温度に到達するまで時間を要する。この間、燃焼排ガス流路２７を流れる燃焼排ガスとの熱交換によって、改質触媒層３６における水蒸気改質によって生成された改質ガスは所定の水素濃度に達していない。また、所定の水素濃度に達していない改質ガスの温度は、所定の水素濃度に達した改質ガスの温度と比較して低い。

生成された改質ガスの温度は、第１流路３１の改質触媒層３６の下流側に設けられた温度センサ３７で検出される。制御部１０６では、温度センサ３７で検出された改質ガスの温度が閾値以上であるか否かを判定する。

改質ガスの温度が閾値未満の場合には、所定の水素濃度に達していない改質ガスであると判定し、第１開閉弁１０２に閉弁信号を出力し、第２開閉弁１０４に開弁信号を出力する。

これにより、第１開閉弁１０２が閉弁され、第２開閉弁１０４が開弁される。この結果、昇圧前水分離部５０と圧縮機８０とが遮断され、昇圧前水分離部５０とオフガスタンク１１２とが連通される。

この状態で、改質器１２から改質ガス排出管４４に送出された所定の水素濃度に達していない改質ガスＧ１は、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５９へ送出される。

水が分離された改質ガスＧ２は、連絡流路管５６から分岐管１００を介してオフガスタンク１１２に供給される。オフガスタンク１１２に一旦貯留された改質ガスＧ２は、オフガス還流管１１０を介して改質器１２のバーナー２６に供給され、燃焼室２５で燃焼される（改質器１２の加熱に供される）。

一方、制御部１０６では、温度センサ３７で検出された改質ガスの温度が閾値以上となった場合には、改質器１２で生成された改質ガスが所定の水素濃度に達したと判定し、第１開閉弁１０２に開弁信号、第２開閉弁１０４に閉弁信号を出力する。

これにより、第１開閉弁１０２が開弁され、第２開閉弁１０４が閉弁される。この結果、昇圧前水分離部５０と圧縮機８０とが連通され、昇圧前水分離部５０とオフガスタンク１１２とが遮断される。

したがって、図１に示すように、改質器１２から送出された所定品質の改質ガスＧ１は、改質ガス排出管４４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５９へ送出される。水が分離された改質ガスＧ２は、連絡流路管５６から圧縮機８０へ供給され、圧縮機８０によって圧縮される。

圧縮された改質ガスＧ２は、連絡流路管６６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６９へ送出される。水が分離された改質ガスＧ３は、連絡流路管６８から水素精製器９０へ供給される。

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５９、６９、７８に送出された水は、改質用水供給管３４に戻される。ポンプＰ１の駆動により、改質用水供給管３４から多重筒型改質器１２に改質水として供給される。

水素精製器９０では、圧力スイング方式が採用されており、一対の吸着槽の一方では吸着剤に水素以外の不純物が吸着され、他方の吸着槽では吸着剤に吸着された不純物が脱着されている。水素精製器９０では、この吸着工程と脱着工程をそれぞれの吸着槽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。

水素精製器９０で精製された製品としての水素は水素供給管９２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る。

一方、水素精製器９０から排出されたオフガスＯＧは、オフガス還流管１１０を介して改質器１２に供給される。すなわち、オフガス還流管１１０上に設けられたオフガスタンク１１２に一旦貯留された後、改質器１２のバーナー２６に供給される。

なお、このオフガスＯＧには、改質器１２で除去しきれなかった一酸化炭素と水素精製器９０で分離しきれなかった水素が含有されている。したがって、オフガスは、バーナー２６に供給されることにより燃焼室２５内で燃焼される（改質器１２の加熱に供される）。

ところで、第１開閉弁１０２を閉弁から開弁、第２開閉弁１０４を開弁から閉弁へ切り換えした時（以下、「切換時」という）には、改質ガスが昇圧前水分離部５０から水素精製器９０に到達し、水素精製器９０で改質ガスＧ３から分離されたオフガスＯＧがオフガス還流管１１０を介してオフガスタンク１１２に到達するまで、時間を要する。

この間、オフガスタンク１１２に供給される可燃ガス（改質ガスＧ２及びオフガスＯＧ）はないが、オフガスタンク１１２に貯留されていた改質ガスＧ２がオフガスタンク１１２から改質器１２のバーナー２６に供給される。すなわち、バーナー２６には、オフガスタンク１１２から燃料ガス（改質ガスＧ２又はオフガスＯＧ）の供給が遮断されることになく継続される。したがって、バーナー２６の燃焼状態が良好に維持される。

このように、水素製造装置１０では、改質器１２で生成される改質ガスが所定の水素濃度に達していない場合には、第１開閉弁１０２を閉弁、第２開閉弁１０４を開弁させることで、分岐管１００を介してオフガス還流管１１０上に設けられたオフガスタンク１１２に供給することができる。この結果、所定の水素濃度に達していない改質ガスをオフガスタンク１１２から改質器１２のバーナー２６に燃料として供給し、燃焼室２５で燃焼させている。

したがって、所定の水素濃度に達していない改質ガスが水素精製器９０に供給されることが防止され、水素精製器９０で精製された（製品）水素の純度（品質）が低下することが防止される（製品水素の品質を高く維持することができる）。

また、所定の水素濃度に達していない改質ガスを改質器１２のバーナー２６に供給して燃焼室２５で燃焼させることにより、この改質ガスをフレアに供給する水素製造装置と比較して水素製造装置１０の熱効率を向上させている。

さらに、制御部１０６は、改質ガスが所定品質に到達しているか否かを、温度センサ３７で検出された改質ガスの温度に基づいて判定しているため、精度良く改質ガスの品質を判定することができる。

さらにまた、改質ガスがオフガスタンク１１２に供給されている状態からオフガスがオフガスタンク１１２に供給されている状態に切り換える場合（切換時）には、オフガスタンク１１２に対する改質ガスの供給が停止した状態からオフガスがオフガスタンク１１２に到達するまでの間、オフガスタンク１１２に貯留された改質ガスが改質器１２のバーナー２６に供給される。したがって、オフガスタンク１１２からバーナー２６へ燃料ガス（改質ガス又はオフガス）の供給が遮断することはなく、バーナー２６の燃焼性が良好に維持される。

オフガスタンク１１２からバーナー２６へ燃料ガス（改質ガス又はオフガス）の供給が遮断された場合には、バーナー２６に都市ガスを供給すること、又は都市ガスの供給量を増加させることが必要となる。水素製造装置１０では、切換時にオフガスタンク１１２からバーナー２６へ燃料ガス（改質ガス又はオフガス）の供給が遮断することはないため、バーナー２６に対する燃料ガス（改質ガス、オフガス、都市ガス）の流量制御が簡単になると共に、装置全体の熱効率が一層向上する。

なお、オフガス還流管１１０の途中にオフガスタンク１１２を設け、オフガスタンク１１２にオフガスＯＧを一旦貯留することで、例えば水素精製器９０がＰＳＡ装置である場合に周期的に変動するオフガスの流量や組成を平準化して改質器１２のバーナー２６に供給することができる。これによって、バーナー２６の燃焼性を良好に維持できる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る水素製造装置２００及び水素製造方法について、図４及び図５を参照して説明する。第１実施形態と同様の構成要素については同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。また、水素製造装置２００は、水素製造装置１０に流量検出器２０２と、流量制御弁２０４を追加したのみなので、当該部分に関する構成及び作用のみを説明し、第１実施形態と同様の作用効果については詳細な説明を省略する。

（構成）
図４に示すように、水素製造装置２００は、オフガス還流管１１０上においてオフガスタンク１１２の下流側にオフガス還流管１１０を流れるガス流量を検出する流量検出器２０２を設けている。図５に示すように、流量検出器２０２の検出信号が制御部１０６に出力される。なお、流量検出器２０２が「流量検出手段」に相当する。

また、図４に示すように、空気供給管４０上には、空気供給管４０を流れる空気流量を調整する流量制御弁２０４が設けられている。図５に示すように、流量制御弁２０４は、制御部１０６からの制御信号が入力されることにより駆動され、空気供給管４０を流れる空気流量を調整する。この流量制御弁２０４が「空気流量調整弁」に相当する。

図５に示すように、制御部１０６では、温度センサ３７と流量検出器２０２の検出信号が入力されると共に、第１開閉弁１０２、第２開閉弁１０４、流量制御弁２０４に制御信号が出力される構成である。

また、制御部１０６には、流量検出器２０２と温度センサ３７で検出された改質ガスの流量及び温度と、これらに対応した空気供給管４０に流れる空気流量（空気流量調整弁の開度）との対応関係を示すテーブルが格納されている。これは、バーナー２６に改質ガスが供給されることによって燃焼される場合、改質ガスの組成が改質ガスの温度によって異なることから、改質ガスの流量と温度に対応して燃焼室２５に供給される空気流量を調整することで、燃焼室２５における燃焼性（空燃比）を適切に調整するものである。

したがって、制御部１０６では、温度センサ３７で検出された温度と閾値を比較することにより、第１開閉弁１０２と第２開閉弁１０４に制御信号を出力して開閉制御すると共に、この開閉制御により改質ガスがオフガスタンク１１２に供給される場合に、図示しないテーブルを参照した制御信号を流量制御弁２０４に出力する構成である。

（作用）
次に、水素製造装置２００及び水素製造方法の作用について説明する。
水素製造装置２００の制御部１０６では、改質器１２の起動時に、温度センサ３７で検出された改質ガスの温度が閾値未満である場合には、改質ガスが所定の水素濃度に達していないと判定し、第１開閉弁１０２を閉弁信号、第２開閉弁１０４を開弁信号を出力する。これにより、第１開閉弁１０２が閉弁されると共に第２開閉弁１０４が開弁される。

この結果、装置の起動時に改質器１２で生成され所定の水素濃度に達していない改質ガスが昇圧前水分離部５０からオフガスタンク１１２に供給される。オフガスタンク１１２からオフガス還流管１１０を介して改質器１２のバーナー２６に改質ガスが供給される。この際、オフガス還流管１１０内を流れる改質ガスの流量が流量検出器２０２で検出される。

制御部１０６では、上記のように改質ガス温度が閾値未満の場合には、改質ガスが燃焼室２５のバーナー２６に供給されることから、図示しないテーブルを参照して温度センサ３７と流量検出器２０２で検出された改質ガスの温度と流量から、流量制御弁２０４の開度を決定し、これに対応する制御信号を流量制御弁２０４に出力する。

流量制御弁２０４は、制御信号に基づいて所定の開度に調整することにより、空気供給管４０から燃焼室２５に供給される空気流量が所定の流量とされる。この結果、燃焼室２５においてバーナー２６に供給された改質ガスの燃焼状態が一層良好に維持される。

なお、この場合、改質ガスの流量だけでなく改質ガスの温度を参照することによって改質ガスの組成が考慮されるため、燃焼室２５におけるバーナー２６の燃焼性が一層良好になる。

［その他］
水素製造装置１０、２００では、それぞれ改質器１２を多重筒型改質器としたが、これに限定されるものではない。都市ガスから水素を主成分とする改質ガスに改質可能なものであれば良い。

また、水素製造装置１０、２００では、水素精製器９０がＰＳＡ装置である場合について説明したが、改質ガスＧ３から水素を精製できるものであれば、これに限定するものではない。

さらに、水素製造装置１０、２００では、連絡流路管５６上の分岐管１００との分岐位置よりも下流側に第１開閉弁１０２、分岐管１００上に第２開閉弁１０４を設けることにより、昇圧前水分離部５０と圧縮機８０又はオフガスタンク１１２を選択的に連通する構成としたが、連絡流路管５６上の分岐管１００との分岐位置に三方弁を設けることにより昇圧前水分離部５０と圧縮機８０又はオフガスタンク１１２を選択的に連通する構成としても良い。

また、水素製造装置１０、２００では、温度センサ３７で検出した改質ガスの温度に基づいて制御部１０６が改質ガスの水素濃度を判定し、この判定結果に基づいて第１開閉弁１０２、第２開閉弁１０４の開閉制御を行う構成としたが、運転員が改質ガスの温度に基づいて改質ガスの水素濃度を評価し、第１開閉弁１０２、第２開閉弁１０４の開閉を行う構成でも良い。

さらに、制御部１０６において改質ガスが所定の水素濃度に達しているか否かの判定は、改質ガスの温度に基づいて行うものであれば良い。例えば、改質ガスの温度上昇率等に基づいて改質ガスが所定の水素濃度に達しているか否かを判定しても良い。

また、水素製造装置２００では、制御部１０６で改質ガスの温度と流量から改質器１２の燃焼室２５に供給する空気流量を流量制御弁２０４で調整する構成としたが、改質ガスの流量のみに対応して燃焼室２５に供給する空気流量を調整する構成でも良い。

さらに、水素製造装置２００では、改質ガスを改質器１２のバーナー２６に供給する場合だけ、流量制御弁２０４を調整して燃焼室２５に供給される空気流量を調整する構成としたが、オフガスをバーナー２６に供給する場合も同様の調整をしても良い。ただし、この場合には、制御部１０６がオフガスの流量と、空気流量（流量制御弁２０４の開度）との対応関係を示すテーブルを記憶し、流量検出器２０２で検出されたオフガス流量からテーブルを参照して流量制御弁２０４を制御して空気流量を調整することが考えられる。

また、水素製造装置１０、２００において分岐管１００の一端は、昇圧前水分離部５０に接続されているが、これに限定するものではない。すなわち、分岐管１００の一端は、改質器１２から水素精製器９０を結ぶ管路（改質ガス排出管４４、昇圧前水分離部５０、連絡流路管５６、圧縮機８０、連絡流路管６６、昇圧後水分離部６０、連絡流路管６８）に接続されていれば良い。ただし、分岐管１００の一端が昇圧前水分離部５０よりも下流側と接続されると、改質ガスをオフガスタンク１１２に供給するまでの流路が長くなるという点で本実施形態と比較して不利である。また、改質ガス排出管４４からオフガスタンク１１２に分岐管１００が接続された場合には、水蒸気（水分）を多く含む改質ガスが改質器１２のバーナー２６に供給される点で本実施形態よりも不利である。

さらに、分岐管１００の他端は、オフガスタンク１１２に直接接続されていたが、これに限定するものではない。すなわち、分岐管１００の他端は、オフガス還流管１１０においてオフガスタンク１１２よりも上流側に接続されるものであっても良い。

また、水素製造装置１０、２００では、改質器１２（水素製造装置１０、２００）の起動時について説明したが、起動時に限定されず、所定の水素濃度に達しない改質ガスを改質器１２のバーナー２６に供給するものである。

１０、２００ 水素製造装置
１２ 多重筒型改質器（改質器）
３７ 温度センサ（温度検出手段）
４０ 空気供給管（空気供給流路）
４４ 改質ガス排出管（改質ガス流路）
５０ 昇圧前水分離部（改質ガス流路）
５６ 連絡流路管（改質ガス流路）
８０ 圧縮機（改質ガス流路）
６６ 連絡流路管（改質ガス流路）
６０ 昇圧後水分離部（改質ガス流路）
６８ 連絡流路管（改質ガス流路）
１００ 分岐管（改質ガス分岐流路）
１０２ 第１開閉弁（切換手段）
１０４ 第２開閉弁（切換手段）
１０６ 制御部
１１０ オフガス還流管（オフガス流路）
１１２ オフガスタンク
２０２ 流量検出器（流量検出手段）
２０４ 流量制御弁（空気流量調整弁）

請求項１記載の水素製造装置は、原料として供給された炭化水素を改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器であって、前記炭化水素を水蒸気改質する改質触媒層と、改質触媒層よりも下流側で前記改質ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部と、を有する改質器と、前記改質器と接続され、前記改質ガスを製品水素と不純物であるオフガスとに分離して製品水素を精製する水素精製器と、前記水素精製器から前記改質器の燃焼室に前記オフガスを燃料として戻すオフガス流路と、前記オフガス流路上に設けられ、前記オフガスを一旦貯留した後、前記改質器に供給するオフガスタンクと、前記改質器から前記水素精製器に到る改質ガス流路から分岐して前記オフガスタンクに到る改質ガス分岐流路と、前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と、下流側又は前記改質ガス分岐流路のいずれか一方と連通し、他方と遮断する切換手段と、前記改質器の前記改質ガスが流れる流路上で、前記改質触媒層と前記一酸化炭素除去部との間に配設され、前記改質ガスの温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段で検出された前記改質ガスの温度に基づいて、前記切換手段を制御する制御部と、を備える。

制御部は、温度検出手段で検出された改質ガスの温度に基づいて、改質ガスの水素濃度が所定濃度に達しているか否かを判定している。制御部は、例えば、改質ガスの温度が所定温度未満の場合には、改質ガスが所定の水素濃度に達していないと判定し、切換手段によって改質ガス流路の上流側と下流側とを遮断させ、上流側と改質ガス分岐流路とを連通させる。これによって、所定の水素濃度に達していない改質ガスを改質器からオフガスタンクを介して改質器の燃焼室に燃料として供給する。すなわち、所定の水素濃度に達していない改質ガスを改質器の加熱に供する。

一方、制御部は、改質器の改質ガスの温度が所定温度以上の場合には、改質ガスが所定の水素濃度に達したと判定し、切換手段によって改質ガス流路の上流側と下流側とを連通させ、上流側と改質ガス分岐流路とを遮断させている。これによって、所定の水素濃度に達した改質ガスを水素精製器に供給し、製品水素を製造する。また、水素精製器からオフガスタンクを介して改質器の燃焼室にオフガスが燃料として戻され、改質器の加熱に供される。この場合にも、オフガスを改質器に燃料として供給しない水素製造装置と比較して水素製造装置全体の熱効率が向上する。

これにより、所定の水素濃度に達しない改質ガスをフレアに供給する水素製造装置と比較して水素製造装置全体の熱効率が一層向上する。
このように、制御部では改質器の改質ガス温度に基づいて改質ガスが所定の水素濃度に達しているか否かを判定し、これに基づいて切換手段を制御しているため、製品水素の品質を維持しつつ、装置全体の熱効率を向上させることができる。

請求項２記載の水素製造装置は、請求項１記載の水素製造装置において、前記オフガス流路の前記オフガスタンクよりも下流側に設けられ、ガス流量を検出するガス流量検出手段と、前記改質器の燃焼室に空気を供給する空気供給流路と、前記空気供給流路上に設けられ、前記燃焼室に供給される空気流量を調整する空気流量調整弁と、を備え、前記制御部は、前記ガス流量検出手段で検出された前記ガス流量に基づいて、前記空気流量調整弁を制御して前記空気流量を調整する。

請求項３記載の水素製造装置は、請求項１記載の水素製造装置において、前記オフガス流路の前記オフガスタンクよりも下流側に設けられ、ガス流量を検出するガス流量検出手段と、前記改質器の燃焼室に空気を供給する空気供給流路と、前記空気供給流路上に設けられ、前記燃焼室に供給される空気流量を調整する空気流量調整弁と、を備え、前記制御部は、前記改質ガスの温度と、前記ガス流量検出手段で検出された前記ガス流量に基づいて、前記空気流量調整弁を制御として前記空気流量を調整する。

特に、制御部では、改質ガスの流量のみならず改質ガスの温度を参照することで、温度によって異なる改質ガスの組成に対応して燃焼室に供給する空気流量を調整するため、燃焼室の燃焼性が一層良好になる。
請求項４記載の水素製造装置は、原料として供給された炭化水素を改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器と、前記改質器と接続され、前記改質ガスを製品水素と不純物であるオフガスとに分離して製品水素を精製する水素精製器と、前記水素精製器から前記改質器の燃焼室に前記オフガスを燃料として戻すオフガス流路と、前記オフガス流路上に設けられ、前記オフガスを一旦貯留した後、前記改質器に供給するオフガスタンクと、前記改質器から前記水素精製器に到る改質ガス流路から分岐して前記オフガスタンクに到る改質ガス分岐流路と、前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と、下流側又は前記改質ガス分岐流路のいずれか一方と連通し、他方と遮断する切換手段と、前記改質器における改質ガスの温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段で検出された前記改質ガスの温度に基づいて、前記切換手段を制御する制御部と、前記オフガス流路の前記オフガスタンクよりも下流側に設けられ、ガス流量を検出するガス流量検出手段と、前記改質器の燃焼室に空気を供給する空気供給流路と、前記空気供給流路上に設けられ、前記燃焼室に供給される空気流量を調整する空気流量調整弁と、を備え、前記制御部は、前記改質ガスの温度と、前記ガス流量検出手段で検出された前記ガス流量に基づいて、前記空気流量調整弁を制御として前記空気流量を調整する。

請求項５記載の水素製造方法は、原料として供給された炭化水素を改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器であって、前記炭化水素を水蒸気改質する改質触媒層と、前記改質触媒層よりも下流側で前記改質ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部と、を有する改質器と、前記改質器と接続され、前記改質ガスを製品水素と不純物であるオフガスとに分離して製品水素を精製する水素精製器と、前記水素精製器から前記改質器の燃焼室に前記オフガスを燃料として戻すオフガス流路と、前記オフガス流路上に設けられ、前記オフガスを一旦貯留した後、前記改質器に供給するオフガスタンクと、前記改質器から前記水素精製器に到る改質ガス流路から分岐して前記オフガスタンクに到る改質ガス分岐流路と、前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と、下流側又は前記改質ガス分岐流路のいずれか一方と連通し、他方と遮断する切換手段と、前記改質器の前記改質ガスが流れる流路上で、前記改質触媒層と前記一酸化炭素除去部との間に配設され、前記改質ガスの温度を検出する温度検出手段と、を備える水素製造装置を用いて、前記改質器で生成された改質ガスの温度が閾値未満の場合には、前記切換手段によって前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と下流側とを遮断させ、前記上流側と前記改質ガス分岐流路とを連通させ、前記改質器で生成された前記改質ガスの温度が閾値以上の場合には、前記切換手段によって前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と下流側とを連通させ、前記上流側と前記改質ガス分岐流路とを遮断させる。
この水素製造方法では、改質器で生成された改質ガスの温度が閾値未満の場合には、改質ガスが所定の水素濃度に達していないと判定し、切換手段によって改質ガス流路の上流側と下流側とを遮断させ、上流側と改質ガス分岐流路とを連通させる。これによって、所定の水素濃度に達していない改質ガスを改質器からオフガスタンクを介して改質器の燃焼室に燃料として供給する。すなわち、所定の水素濃度に達していない改質ガスを改質器の加熱に供する。

このように、この水素製造方法では、改質器の改質ガス温度に基づいて改質ガスが所定の水素濃度に達しているか否かを判定し、これに基づいて切換手段を制御しているため、製品水素の品質を維持しつつ、装置全体の熱効率を向上させることができる。
請求項６記載の水素製造方法は、請求項５記載の水素製造方法において、少なくとも前記改質ガスの温度が閾値未満の場合には、前記オフガス流路において前記オフガスタンクよりも下流側のガス流量に基づいて前記改質器の燃焼室に供給される空気流量を調整する。
この水素製造方法では、少なくとも改質ガスの温度が閾値未満の場合には、切換手段によって改質ガス流路の上流側と下流側とを遮断させ、上流側と改質ガス分岐流路とを連通させる。これにより、所定の水素濃度に達していない改質ガスがオフガスタンクを経由して改質器に燃料として供給される。この際、オフガス流路において前記オフガスタンクよりも下流側のガス流量に基づいて改質器の燃焼室に供給される空気流量を調整することで、燃焼室の燃焼性を良好に維持することができる。
請求項７記載の水素製造方法は、請求項５記載の水素製造方法において、少なくとも前記改質ガスの温度が閾値未満の場合には、前記改質ガスの温度と、前記オフガス流路において前記オフガスタンクよりも下流側のガス流量とに基づいて前記改質器の燃焼室に供給される空気流量を調整する。
この水素製造方法では、少なくとも改質ガスの温度が閾値未満の場合には、切換手段によって改質ガス流路の上流側と下流側とを遮断させ、上流側と改質ガス分岐流路とを連通させる。これにより、所定の水素濃度に達していない改質ガスがオフガスタンクを経由して改質器に燃料として供給される。この際、改質ガスの温度とオフガス流路において前記オフガスタンクよりも下流側のガス流量に基づいて改質器の燃焼室に供給される空気流量を調整することで、燃焼室の燃焼性を良好に維持することができる。
請求項８記載の水素製造方法は、原料として供給された炭化水素を改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器と、前記改質器と接続され、前記改質ガスを製品水素と不純物であるオフガスとに分離して製品水素を精製する水素精製器と、前記水素精製器から前記改質器の燃焼室に前記オフガスを燃料として戻すオフガス流路と、前記オフガス流路上に設けられ、前記オフガスを一旦貯留した後、前記改質器に供給するオフガスタンクと、前記改質器から前記水素精製器に到る改質ガス流路から分岐して前記オフガスタンクに到る改質ガス分岐流路と、前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と、下流側又は前記改質ガス分岐流路のいずれか一方と連通し、他方と遮断する切換手段と、を備える水素製造装置を用いて、前記改質器で生成された改質ガスの温度が閾値未満の場合には、前記切換手段によって前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と下流側とを遮断させ、前記上流側と前記改質ガス分岐流路とを連通させ、前記改質器で生成された前記改質ガスの温度が閾値以上の場合には、前記切換手段によって前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と下流側とを連通させ、前記上流側と前記改質ガス分岐流路とを遮断させると共に、少なくとも前記改質ガスの温度が閾値未満の場合には、前記改質ガスの温度と、前記オフガス流路において前記オフガスタンクよりも下流側のガス流量とに基づいて前記改質器の燃焼室に供給される空気流量を調整する。

請求項１、４記載の発明に係る水素製造装置は、上記構成としたので、改質器の起動時等に所定の水素濃度に達していない改質ガスが水素精製器に供給されることが防止されると共に、装置全体の熱効率を向上させることができる。

また、請求項２〜４記載の発明に係る水素製造装置は、上記構成としたので、燃焼室における改質ガスの燃焼性を良好にすることができる。

さらに、請求項５、８記載の発明に係る水素製造方法は、上記構成としたので、改質器の起動時等に所定の水素濃度に達していない改質ガスが水素精製器に供給されることが防止されると共に、装置全体の熱効率を向上させることができる。

また、請求項６〜８記載の発明に係る水素製造方法は、上記構成としたので、燃焼室における改質ガスの燃焼性を良好にすることができる。

請求項１記載の水素製造装置は、原料として供給された炭化水素を改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器であって、前記炭化水素を水蒸気改質する改質触媒層と、改質触媒層よりも下流側で前記改質ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部と、を有する改質器と、前記改質器と接続され、前記改質ガスを製品水素と不純物であるオフガスとに分離して製品水素を精製する水素精製器と、前記水素精製器から前記改質器の燃焼室に前記オフガスを燃料として戻すオフガス流路と、前記オフガス流路上に設けられ、前記オフガスを一旦貯留した後、前記改質器に供給するオフガスタンクと、前記改質器から前記水素精製器に到る改質ガス流路から分岐して前記オフガスタンクに到る改質ガス分岐流路と、前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と、下流側又は前記改質ガス分岐流路のいずれか一方と連通し、他方と遮断する切換手段と、前記改質器の前記改質ガスが流れる流路上で、前記改質触媒層と前記一酸化炭素除去部との間に配設され、前記改質ガスの温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段で検出された前記改質ガスの温度に基づいて、前記切換手段を制御する制御部と、前記オフガス流路の前記オフガスタンクよりも下流側に設けられ、ガス流量を検出するガス流量検出手段と、前記改質器の燃焼室に空気を供給する空気供給流路と、前記空気供給流路上に設けられ、前記燃焼室に供給される空気流量を調整する空気流量調整弁と、を備え、前記制御部は、前記改質ガスの温度と、前記ガス流量検出手段で検出された前記ガス流量に基づいて、前記空気流量調整弁を制御として前記空気流量を調整する。

また、この水素製造装置では、改質ガスの温度に基づいて切換手段が切換られることにより、所定の水素濃度に達していない改質ガスがオフガスタンクを経由して改質器に燃料として供給される。この際、オフガス流路に設けられたガス流量検出手段で改質ガスの流量が検出され、制御部ではこの改質ガスの流量と温度に基づいて改質器の燃焼室に流れる空気流量を調整することで、燃焼室の燃焼性を良好に維持している。

特に、制御部では、改質ガスの流量のみならず改質ガスの温度を参照することで、温度によって異なる改質ガスの組成に対応して燃焼室に供給する空気流量を調整するため、燃焼室の燃焼性が一層良好になる。
請求項２記載の水素製造装置は、原料として供給された炭化水素を改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器と、前記改質器と接続され、前記改質ガスを製品水素と不純物であるオフガスとに分離して製品水素を精製する水素精製器と、前記水素精製器から前記改質器の燃焼室に前記オフガスを燃料として戻すオフガス流路と、前記オフガス流路上に設けられ、前記オフガスを一旦貯留した後、前記改質器に供給するオフガスタンクと、前記改質器から前記水素精製器に到る改質ガス流路から分岐して前記オフガスタンクに到る改質ガス分岐流路と、前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と、下流側又は前記改質ガス分岐流路のいずれか一方と連通し、他方と遮断する切換手段と、前記改質器における改質ガスの温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段で検出された前記改質ガスの温度に基づいて、前記切換手段を制御する制御部と、前記オフガス流路の前記オフガスタンクよりも下流側に設けられ、ガス流量を検出するガス流量検出手段と、前記改質器の燃焼室に空気を供給する空気供給流路と、前記空気供給流路上に設けられ、前記燃焼室に供給される空気流量を調整する空気流量調整弁と、を備え、前記制御部は、前記改質ガスの温度と、前記ガス流量検出手段で検出された前記ガス流量に基づいて、前記空気流量調整弁を制御として前記空気流量を調整する。

請求項３記載の水素製造方法は、原料として供給された炭化水素を改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器であって、前記炭化水素を水蒸気改質する改質触媒層と、前記改質触媒層よりも下流側で前記改質ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部と、を有する改質器と、前記改質器と接続され、前記改質ガスを製品水素と不純物であるオフガスとに分離して製品水素を精製する水素精製器と、前記水素精製器から前記改質器の燃焼室に前記オフガスを燃料として戻すオフガス流路と、前記オフガス流路上に設けられ、前記オフガスを一旦貯留した後、前記改質器に供給するオフガスタンクと、前記改質器から前記水素精製器に到る改質ガス流路から分岐して前記オフガスタンクに到る改質ガス分岐流路と、前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と、下流側又は前記改質ガス分岐流路のいずれか一方と連通し、他方と遮断する切換手段と、前記改質器の前記改質ガスが流れる流路上で、前記改質触媒層と前記一酸化炭素除去部との間に配設され、前記改質ガスの温度を検出する温度検出手段と、を備える水素製造装置を用いて、前記改質器で生成された改質ガスの温度が閾値未満の場合には、前記切換手段によって前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と下流側とを遮断させ、前記上流側と前記改質ガス分岐流路とを連通させ、前記改質器で生成された前記改質ガスの温度が閾値以上の場合には、前記切換手段によって前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と下流側とを連通させ、前記上流側と前記改質ガス分岐流路とを遮断させると共に、少なくとも前記改質ガスの温度が閾値未満の場合には、前記改質ガスの温度と、前記オフガス流路において前記オフガスタンクよりも下流側のガス流量とに基づいて前記改質器の燃焼室に供給される空気流量を調整する。
この水素製造方法では、改質器で生成された改質ガスの温度が閾値未満の場合には、改質ガスが所定の水素濃度に達していないと判定し、切換手段によって改質ガス流路の上流側と下流側とを遮断させ、上流側と改質ガス分岐流路とを連通させる。これによって、所定の水素濃度に達していない改質ガスを改質器からオフガスタンクを介して改質器の燃焼室に燃料として供給する。すなわち、所定の水素濃度に達していない改質ガスを改質器の加熱に供する。

このように、この水素製造方法では、改質器の改質ガス温度に基づいて改質ガスが所定の水素濃度に達しているか否かを判定し、これに基づいて切換手段を制御しているため、製品水素の品質を維持しつつ、装置全体の熱効率を向上させることができる。
また、この水素製造方法では、少なくとも改質ガスの温度が閾値未満の場合には、切換手段によって改質ガス流路の上流側と下流側とを遮断させ、上流側と改質ガス分岐流路とを連通させる。これにより、所定の水素濃度に達していない改質ガスがオフガスタンクを経由して改質器に燃料として供給される。この際、改質ガスの温度とオフガス流路において前記オフガスタンクよりも下流側のガス流量に基づいて改質器の燃焼室に供給される空気流量を調整することで、燃焼室の燃焼性を良好に維持することができる。
請求項４記載の水素製造方法は、原料として供給された炭化水素を改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器と、前記改質器と接続され、前記改質ガスを製品水素と不純物であるオフガスとに分離して製品水素を精製する水素精製器と、前記水素精製器から前記改質器の燃焼室に前記オフガスを燃料として戻すオフガス流路と、前記オフガス流路上に設けられ、前記オフガスを一旦貯留した後、前記改質器に供給するオフガスタンクと、前記改質器から前記水素精製器に到る改質ガス流路から分岐して前記オフガスタンクに到る改質ガス分岐流路と、前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と、下流側又は前記改質ガス分岐流路のいずれか一方と連通し、他方と遮断する切換手段と、を備える水素製造装置を用いて、前記改質器で生成された改質ガスの温度が閾値未満の場合には、前記切換手段によって前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と下流側とを遮断させ、前記上流側と前記改質ガス分岐流路とを連通させ、前記改質器で生成された前記改質ガスの温度が閾値以上の場合には、前記切換手段によって前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と下流側とを連通させ、前記上流側と前記改質ガス分岐流路とを遮断させると共に、少なくとも前記改質ガスの温度が閾値未満の場合には、前記改質ガスの温度と、前記オフガス流路において前記オフガスタンクよりも下流側のガス流量とに基づいて前記改質器の燃焼室に供給される空気流量を調整する。

請求項１、２記載の発明に係る水素製造装置は、上記構成としたので、改質器の起動時等に所定の水素濃度に達していない改質ガスが水素精製器に供給されることが防止されると共に、装置全体の熱効率を向上させることができる。

また、請求項１、２記載の発明に係る水素製造装置は、上記構成としたので、燃焼室における改質ガスの燃焼性を良好にすることができる。

さらに、請求項３、４記載の発明に係る水素製造方法は、上記構成としたので、改質器の起動時等に所定の水素濃度に達していない改質ガスが水素精製器に供給されることが防止されると共に、装置全体の熱効率を向上させることができる。

また、請求項３、４記載の発明に係る水素製造方法は、上記構成としたので、燃焼室における改質ガスの燃焼性を良好にすることができる。

Claims (8)

1. 原料として供給された炭化水素を改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質器と接続され、前記改質ガスを製品水素と不純物であるオフガスとに分離して製品水素を精製する水素精製器と、
   前記水素精製器から前記改質器の燃焼室に前記オフガスを燃料として戻すオフガス流路と、
   前記オフガス流路上に設けられ、前記オフガスを一旦貯留した後、前記改質器に供給するオフガスタンクと、
   前記改質器から前記水素精製器に到る改質ガス流路から分岐して前記オフガスタンクに到る改質ガス分岐流路と、
   前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と、下流側又は前記改質ガス分岐流路のいずれか一方と連通し、他方と遮断する切換手段と、
   を備える水素製造装置。
2. 前記改質器における改質ガスの温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段で検出された前記改質ガスの温度に基づいて、前記切換手段を制御する制御部と、
   を備える請求項１記載の水素製造装置。
3. 前記オフガス流路の前記オフガスタンクよりも下流側に設けられ、ガス流量を検出するガス流量検出手段と、
   前記改質器の燃焼室に空気を供給する空気供給流路と、
   前記空気供給流路上に設けられ、前記燃焼室に供給される空気流量を調整する空気流量調整弁と、
   を備え、前記制御部は、前記ガス流量検出手段で検出された前記ガス流量に基づいて、前記空気流量調整弁を制御して前記空気流量を調整する請求項２記載の水素製造装置。
4. 前記オフガス流路の前記オフガスタンクよりも下流側に設けられ、ガス流量を検出するガス流量検出手段と、
   前記改質器の燃焼室に空気を供給する空気供給流路と、
   前記空気供給流路上に設けられ、前記燃焼室に供給される空気流量を調整する空気流量調整弁と、
   を備え、前記制御部は、前記改質ガスの温度と、前記ガス流量検出手段で検出された前記改質ガスの流量に基づいて、前記空気流量調整弁を制御として前記空気流量を調整する請求項２記載の水素製造装置。
5. 請求項１記載の水素製造装置を用いて、
   前記改質器で生成された前記改質ガスの水素濃度が所定の水素濃度に達していない場合には、前記切換手段によって前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と下流側とを遮断させ、前記上流側と前記改質ガス分岐流路とを連通させ、
   前記改質器で生成された前記改質ガスの水素濃度が所定の水素濃度に到達した場合には、前記切換手段によって前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と下流側とを連通させ、前記上流側と前記改質ガス分岐流路とを遮断させる水素製造方法。
6. 請求項１記載の水素製造装置を用いて、
   前記改質器で生成された改質ガスの温度が閾値未満の場合には、前記切換手段によって前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と下流側とを遮断させ、前記上流側と前記改質ガス分岐流路とを連通させ、
   前記改質器で生成された前記改質ガスの温度が閾値以上の場合には、前記切換手段によって前記改質ガス流路における前記改質ガス分岐流路への分岐位置よりも上流側と下流側とを連通させ、前記上流側と前記改質ガス分岐流路とを遮断させる水素製造方法。
7. 少なくとも前記改質ガスの温度が閾値未満の場合には、前記オフガス流路において前記オフガスタンクよりも下流側のガス流量に基づいて前記改質器の燃焼室に供給される空気流量を調整する請求項６記載の水素製造方法。
8. 少なくとも前記改質ガスの温度が閾値未満の場合には、前記改質ガスの温度と、前記オフガス流路において前記オフガスタンクよりも下流側のガス流量とに基づいて前記改質器の燃焼室に供給される空気流量を調整する請求項６記載の水素製造方法。