【手続補正書】
【提出日】平成16年8月4日(2004.8.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を主とする原料ガスを水蒸気と反応させて前記原料ガスから水素を製造する水素製造プラントにおける、前記水蒸気または前記原料ガスの質量流量または体積流量を調節するサーボ系の制御を行うための水素製造プラント制御装置であって、
前記原料ガスの体積流量を計測する体積流量計と、
前記原料ガスの質量流量を計測する質量流量計と、
前記体積流量計によって計測される体積流量と前記質量流量計によって計測される質量流量との比に基づいて、前記原料ガスの組成成分の平均分子量を演算し、前記平均分子量の演算値と前記原料ガスの質量流量の計測値とに基づいて、前記水蒸気または前記原料ガスの質量流量または体積流量を制御するための信号を前記サーボ系へ出力する制御演算手段と
を備え、
前記質量流量計が、前記原料ガスの質量流量に対応して生じる熱量変化を検出し、その熱量変化の値に対応した信号を出力するサーマルフローセンサである
ことを特徴とする水素製造プラント制御装置。
【請求項２】
前記制御演算手段は、前記水蒸気の質量流量または体積流量を前記原料ガスの質量流量に基づいて追従制御する
ことを特徴とする請求項１記載の水素製造プラント制御装置。
【請求項３】
前記原料ガスが、飽和炭化水素ガスである
ことを特徴とする請求項１または２記載の水素製造プラント制御装置。
【請求項４】
前記原料ガスが、飽和炭化水素の異性体または一部置換体あるいは不飽和炭化水素のガスであり、
前記制御演算手段は、前記原料ガスの組成および構造に対応して、前記平均分子量の演算値を補正または校正する
ことを特徴とする請求項１または２記載の水素製造プラント制御装置。
【請求項５】
前記制御演算手段が、前記体積流量計によって計測される体積流量と前記質量流量計によって計測される質量流量との比に基づいて、前記原料ガスの平均分子量を演算し、前記平均分子量の演算値と前記原料ガスの質量流量の計測値とに基づいて、前記原料ガス中に含有されている炭素の質量流量を算出し、その値に基づいて前記水蒸気または前記原料ガスの質量流量または体積流量を制御する
ことを特徴とする請求項３または４記載の水素製造プラント制御装置。
【請求項６】
前記原料ガスが化学式；Ｃn Ｈ2n+2で一般的に表される飽和炭化水素ガスであり、その原料ガスの質量流量をｄＭ、標準状態に換算した原料ガスの体積流量をｄＶ、原料ガスの平均分子量をＭmean、原料ガスの平均組成を表すｎの値をＮmeanとし、標準状態での１モル体積をＶnaとすると、前記制御演算手段は、前記平均分子量Ｍmeanを
Ｍmean＝（ｄＭ／ｄＶ）×Ｖna、
前記Ｎmeanを、
Ｎmean＝｛ｄＭ／ｄＶ）Ｖna−２｝／１４
という演算によって算出し、さらにそのＮmeanを用いて、前記炭素の質量流量Ｍc を、
Ｍc ＝｛１２×Ｎmean／（１４×Ｎmean＋２）｝×ｄＭ
という演算によって算出する
ことを特徴とする請求項５記載の水素製造プラント制御装置。
【請求項７】
前記水素製造プラントが、前記原料ガスを水蒸気と反応させて前記原料ガスから水素を製造し、それを水素と酸素とを反応させることで発電を行う燃料電池へと供給するように設定されて、燃料電池発電システムの一部分として用いられるものである
ことを特徴とする請求項１ないし６のうちいずれか１の項に記載の水素製造プラント制御装置。
【請求項８】
前記水素製造プラントが、前記原料ガスを水蒸気と反応させて前記原料ガスから水素を製造する水蒸気改質システムの一部分として用いられるように設定されているものである
ことを特徴とする請求項１ないし６のうちいずれか１の項に記載の水素製造プラント制御装置。
【請求項９】
前記水素製造プラントが、前記原料ガスを水蒸気と反応させて前記原料ガスから水素を製造し、それを所定の化学物質の合成を行うプラントへと供給するように設定されて、化学物質合成システムの一部分として用いられるように設定されているものである
ことを特徴とする請求項１ないし６のうちいずれか１の項に記載の水素製造プラント制御装置。
【請求項１０】
水素を含有する原料ガスを水蒸気と反応させて前記原料ガスから水素を製造する水蒸気改質器を備えた水素製造装置であって、
前記原料ガスの体積流量を計測する体積流量計と、
前記原料ガスの質量流量を計測する質量流量計と、
前記体積流量計によって計測される体積流量と前記質量流量計によって計測される質量流量との比に基づいて、前記原料ガスの組成成分の平均分子量を演算し、前記平均分子量の演算値と前記原料ガスの質量流量の計測値とに基づいて、前記水蒸気改質器へと供給する前記水蒸気または前記原料ガスの質量流量または体積流量を制御する制御手段と
を備え、
前記質量流量計が、前記原料ガスの質量流量に対応して生じる熱量変化を検出し、その熱量変化の値に対応した信号を出力するサーマルフローセンサである
ことを特徴とする水素製造装置。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記水蒸気の質量流量または体積流量を、前記原料ガスの質量流量に基づいて追従制御する
ことを特徴とする請求項１０記載の水素製造装置。
【請求項１２】
前記原料ガスが、飽和炭化水素ガスである
ことを特徴とする請求項１０または１１項に記載の水素製造装置。
【請求項１３】
前記原料ガスが、飽和炭化水素の異性体または一部置換体あるいは不飽和炭化水素のガスであり、
前記制御手段は、前記原料ガスの組成および構造に対応して、前記平均分子量の演算値を補正または校正する
ことを特徴とする請求項１０または１１記載の水素製造装置。
【請求項１４】
前記制御手段が、前記体積流量計によって計測される体積流量と前記質量流量計によって計測される質量流量との比に基づいて、前記原料ガスに含まれる炭化水素の平均分子量を演算し、前記平均分子量流量の演算値と前記原料ガスの質量流量の計測値とに基づいて、前記原料ガス中に含有されている炭素の質量流量を算出し、その値に基づいて前記水蒸気または前記原料ガスの質量流量または体積流量を制御する
ことを特徴とする請求項１２または１３記載の水素製造装置。
【請求項１５】
前記原料ガスが化学式；Ｃn Ｈ2n+2で一般的に表される飽和炭化水素ガスであり、その原料ガスの質量流量をｄＭ、標準状態に換算した原料ガスの体積流量をｄＶ、原料ガスの平均分子量をＭmean、原料ガスの平均組成を表すｎの値をＮmeanとし、標準状態での１モル体積をＶnaとすると、前記制御演算手段は、前記平均分子量Ｍmeanを、
Ｍmean＝（ｄＭ／ｄＶ）×Ｖna、
前記Ｎmeanを、
Ｎmean＝｛ｄＭ／ｄＶ）Ｖna−２｝／１４
という演算によって算出し、さらにそのＮmeanを用いて、前記炭素の質量流量Ｍc を、
Ｍc ＝｛１２×Ｎmean／（１４×Ｎmean＋２）｝×ｄＭ
という演算によって算出する
ことを特徴とする請求項１４記載の水素製造装置。
【請求項１６】
前記原料ガスを水蒸気と反応させて前記原料ガスから水素を製造し、それを水素と酸素とを反応させることで発電を行う燃料電池へと供給するように設定されて、燃料電池発電システムの一部分として用いられる
ことを特徴とする請求項１０ないし１５のうちいずれか１の項に記載の水素製造装置。
【請求項１７】
前記原料ガスを水蒸気と反応させて前記原料ガスから水素を製造する水蒸気改質システムの一部分として用いられるように設定されている
ことを特徴とする請求項１０ないし１５のうちいずれか１の項に記載の水素製造装置。
【請求項１８】
前記原料ガスを水蒸気と反応させて前記原料ガスから水素を製造し、それを所定の化学物質の合成を行うプラントへと供給するように設定されて、化学物質合成システムの一部分として用いられる
ことを特徴とする請求項１０ないし１５のうちいずれか１の項に記載の水素製造装置。
【請求項１９】
水素を含有する原料ガスを水蒸気と反応させて前記原料ガスから水素を製造する水素製造方法であって、
前記原料ガスの体積流量を計測するプロセスと、
前記原料ガスの質量流量を計測するプロセスと、
前記体積流量と前記質量流量との比に基づいて、前記原料ガスの組成成分の平均分子量を演算し、前記平均分子量の演算値と前記原料ガスの質量流量の計測値とに基づいて、前記水蒸気または前記原料ガスの質量流量または体積流量を制御する制御プロセスと
を備え、
前記質量流量を計測するプロセスが、前記原料ガスの質量流量に対応して生じる熱量変化を検出してその熱量変化の値に対応した信号を出力するサーマルフローセンサを用いて行われるものである
ことを特徴とする水素製造方法。
【請求項２０】
前記制御プロセスは、前記水蒸気の質量流量または体積流量を、前記原料ガスに含まれる水素または前記原料ガスを構成する組成成分のうちの少なくとも１種類の組成成分の質量流量に基づいて追従制御するものである
ことを特徴とする請求項１９記載の水素製造方法。
【請求項２１】
前記原料ガスが、飽和炭化水素ガスである
ことを特徴とする請求項１９または２０記載の水素製造方法。
【請求項２２】
前記原料ガスが、飽和炭化水素の異性体または一部置換体あるいは不飽和炭化水素のガスであり、
前記制御プロセスは、前記原料ガスの組成および構造に対応して、前記平均分子量の演算値を補正または校正するプロセスをさらに備えている
ことを特徴とする請求項１９または２０記載の水素製造方法。
【請求項２３】
前記制御プロセスは、前記体積流量と前記質量流量との比に基づいて、前記原料ガスに含まれる炭素の平均分子量を演算し、その値と前記原料ガスの質量流量の計測値とに基づいて、前記原料ガス中に含有されている炭素の質量流量を算出し、その値に基づいて前記水蒸気または前記原料ガスの質量流量または体積流量を制御するものである
ことを特徴とする請求項２１または２２記載の水素製造方法。
【請求項２４】
前記原料ガスが化学式；Ｃn Ｈ2n+2で一般的に表される飽和炭化水素ガスであり、その原料ガスの質量流量をｄＭ、標準状態に換算した原料ガスの体積流量をｄＶ、原料ガスの平均分子量をＭmean、原料ガスの平均組成を表すｎの値をＮmeanとし、標準状態での１モル体積をＶnaとすると、前記制御演算手段は、前記平均分子量Ｍmeanを
Ｍmean＝（ｄＭ／ｄＶ）×Ｖna、
前記平均組成を表すｎの値であるＮmeanを、
Ｎmean＝｛ｄＭ／ｄＶ）Ｖna−２｝／１４
という演算によって算出し、さらにそのＮmeanを用いて、前記炭素の質量流量Ｍc を、
Ｍc ＝｛１２×Ｎmean／（１４×Ｎmean＋２）｝×ｄＭ
という演算によって算出する
ことを特徴とする請求項２３記載の水素製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
また、本発明による水素製造装置は、水素を含有する原料ガスを水蒸気と反応させて前記原料ガスから水素を製造する水蒸気改質器を備えた水素製造装置であって、前記原料ガスの体積流量を計測する体積流量計と、前記原料ガスの質量流量を計測する質量流量計と、前記体積流量計によって計測される体積流量と前記質量流量計によって計測される質量流量との比に基づいて、前記原料ガスの組成成分の平均分子量を演算し、前記平均分子量の演算値と前記原料ガスの質量流量の計測値とに基づいて、前記水蒸気改質器へと供給する前記水蒸気または前記原料ガスの質量流量または体積流量を制御する制御手段とを備えている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
また、本発明による水素製造プラント制御装置または水素製造装置では、質量流量計が、前記原料ガスの質量流量に対応して生じる熱量変化を検出し、その熱量変化の値に対応した信号を出力するサーマルフローセンサであるようにすると共に、本発明による水素製造方法では、前記質量流量を計測するプロセスにおいて上記のサーマルフローセンサを用いるようにする。このようにすることにより、水蒸気または原料ガスの質量流量または体積流量を原料ガスの流量および組成に対応してリアルタイムに制御することが可能となると共に、装置またはプラントの構成を、ガス分析計を用いガス組成を分析する従来技術の場合と比較して、飛躍的に小型・簡易で安価なものとすることが可能となる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１ないし９のいずれかに記載の水素製造プラント制御装置または請求項１０ないし１８のいずれかに記載の水素製造装置または請求項１９ないし２４のいずれかに記載の水素製造方法によれば、原料ガスの体積流量を計測し、前記原料ガスの質量流量を計測し、それら体積流量の計測値と質量流量の計測値との比に基づいて、原料ガスの平均分子量を演算し、その平均分子量の演算値と原料ガスの質量流量の計測値とに基づいて、水蒸気または原料ガスの質量流量または体積流量を制御するようにしたので、原料ガスの流量や組成に予期せぬ変動が生じても、常にＳ／Ｃ値を最適化することが可能となり、その結果、原料ガスの組成および流量に対して水蒸気や原料ガスの流量を精確かつリアルタイムに制御することができるという効果を奏する。しかも、そのような制御を行う装置やプラントの構成を小型・簡易で安価なものとすることができる。