(57)【要約】【課題】水素製造プラント制御装置または水素製造方法において、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、かつ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。【解決手段】サーマルフローセンサ４によって計測された原料ガスの質量流量と、原料ガス体積流量計９によって計測された原料ガスの体積流量との比に基づいて、原料ガスの平均分子量を演算し、その演算値と、サーマルフローセンサ４によって計測された質量流量の値とに基づいて水蒸気の質量流量を制御して、改質器１０での水蒸気改質プロセスにおけるＳ／Ｃ値を最適化する。【選択図】　　　図１
2004059337.tif 000002
【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
を備えたことを特徴とする水素製造プラント制御装置。
【請求項２】
前記質量流量計は、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、飽和炭化水素ガスである
ことを特徴とする請求項１ないし３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５】
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ないし３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６】
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４または５記載の水素製造プラント制御装置。
【請求項７】
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６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７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７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】
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７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１１】
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
を備えたことを特徴とする水素製造装置。
【請求項１２】
前記質量流量計は、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
ことを特徴とする請求項１１記載の水素製造装置。
【請求項１３】
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１１または１２記載の水素製造装置。
【請求項１４】
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１１ないし１３のうちいずれか１の項に記載の水素製造装置。
【請求項１５】
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１１ないし１３のうちいずれか１の項に記載の水素製造装置。
【請求項１６】
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１４または１５記載の水素製造装置。
【請求項１７】
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１６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１１ないし１７のうちいずれか１の項に記載の水素製造装置。
【請求項１９】
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１１ないし１７のうちいずれか１の項に記載の水素製造装置。
【請求項２０】
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１１ないし１７のうちいずれか１の項に記載の水素製造装置。
【請求項２１】
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
を備えたことを特徴とする水素製造方法。
【請求項２２】
前記質量流量を計測するプロセスは、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
ことを特徴とする請求項２１記載の水素製造方法。
【請求項２３】
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、飽和炭化水素ガスである
ことを特徴とする請求項２１ないし２３のうちいずれか１の項に記載の水素製造方法。
【請求項２５】
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２１ないし２３のうちいずれか１の項に記載の水素製造方法。
【請求項２６】
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２４または２５記載の水素製造方法。
【請求項２７】
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２６記載の水素製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水素製造プラント制御装置および水素製造装置ならびに水素製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
次世代のエネルギー供給システムとして、水素を酸素と反応させて発電を行う燃料電池発電システムが注目され、盛んに研究開発が行われている。そのような燃料電池発電システムでは、各種の原料ガスから水素を製造することが必要である。その製造方法としては、一般に、天然ガスやＬＰＧ（液化石油ガス）などの炭化水素系の原料ガスを触媒を用いて水蒸気と反応させることで水素を含むガスを製造し、その中の水素を利用するようにしている。
【０００３】
さらに詳細には、一般式で炭化水素をＣｎ　Ｈｍ　、水蒸気をＨ２　Ｏ、水素をＨ２　、二酸化炭素をＣＯ２　とすると、Ｃｎ　Ｈｍ　＋ｎＨ２　Ｏ＝ｎＣＯ＋（ｍ／２＋ｎ）Ｈ２　となる。さらにＣＯ変成を行って、ｎＣＯ＋ｎＨ２　Ｏ＝ｎＣＯ２　＋ｎＨ２　となる。このようにして、炭化水素を原料ガスとして用いて、それをいわゆる水蒸気改質することにより、原料ガスから水素を取り出す（水素製造を行う）ようにしている。
【０００４】
このような水蒸気改質によって原料ガスから水素を製造するプロセスまたはプラントは、燃料電池発電システムの他にも、例えばメタノール合成、オキソ合成、アンモニア合成を行う化学物質合成システムなどにも利用される。あるいは、水素を内燃機関で燃焼させることで機械的エネルギーを発生させる、いわゆる水素エンジンなどにも利用することなども可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような水蒸気改質を行うプロセスまたはプラントでは、燃料電池発電における高効率の発電や化学物質の効率的で無駄の少ない合成を行うために、水蒸気の流量と原料ガスの流量とを最適な比率に調節することで、いわゆるＳ／Ｃ比（スチーム／カーボン比率）を最適化することが、強く要請される。換言すれば、燃料電池発電システムにおける発電効率や化学物質合成システムにおけるプロセス効率を良好なものとするためには、効率的な水蒸気改質を実現することが極めて重要な技術要素である。
【０００６】
そこで従来の技術では、少なくともカーボン析出を防止して触媒が正常に機能して確実な水蒸気改質を行うことができるようにするために、原料ガスの組成が変動する場合には、原料ガス中の変動幅の最も重質な組成に対応してＳ／Ｃの最低値を設定しておき、原料ガスの組成変動や流量変動等に起因して最も厳しい条件になっても、Ｓ／Ｃの値が正常な水蒸気改質を行うことができる最低限の値を下回らないようにするという方法が採用されていた。
【０００７】
ところが、Ｓ／Ｃの値を上記のようにあらかじめ高めの値に設定（あるいは固定）しておくということは、必要以上に多量の水蒸気を浪費することとなり、燃料電池発電システムや化学物質合成システムの全体としてのエネルギー効率（熱効率）を著しく低下させることとなる場合がある。このため、Ｓ／Ｃの値は触媒の性能および原料ガスの組成ならびに流量に対応した適正値に保つようにすることが必要である。
【０００８】
ここで、原料ガスの組成が常に一定でかつその流量が常に一定であれば、その条件に適合した最適なＳ／Ｃ値を予め設定しておけばよい。しかし実際には、原料ガスの流量については、例えば燃料電池発電の場合では発電出力電流値に対応して追従制御されるが、原料ガスの組成が変動する場合があり、その変動に対しては、追従制御が行われていない。このため、最適なＳ／Ｃ値を予め設定しておいても、原料ガスの組成が変動することに起因して、必要十分な水蒸気流量から逸脱した状態となり、熱効率が低下するという問題がある。例えば天然ガスを原料ガスとして用いる場合を一例として挙げると、一般に天然ガスは産地によって組成が異なっている場合が多い。あるいはプロパン、ブタン混合ＬＰＧの場合には、容器からＬＰＧがガスとして取り出される際に、容器内のＬＰＧが満杯に近いときにはプロパンのような軽質成分が多い組成のガスとなり、残量が少なくなるとブタンのような重質成分が多い組成のガスとなるという傾向があり、容器内のＬＰＧの残量によって供給されるガスの組成が変化する場合がある。
【０００９】
あるいは、上記のような原料ガスの組成の変動をガス分析計によって分析し、その分析された組成に対応してＳ／Ｃ値を補正または再設定する、という方策が、例えば特開２０００−３２５９７５号公報によって提案されている。
【００１０】
しかしながら、このようなガス分析計を用いて原料ガスの組成を分析する手法では、原料ガスの組成を分析するプロセスが極めて煩雑で、特にガス分析計として最も一般的なガスクロマトグラフィを用いる場合、その分析に長い時間を要することが不可避なものであるため、実際には、原料の組成の変化に対してリアルタイムに精確に追従することが極めて困難あるいは不可能であるという、プラント制御方法または制御装置として致命的な問題がある。
【００１１】
また、ガスクロマトグラフィに代表されるガス分析計の装置構成自体が、極めて煩雑、大型で、高価なものであるため、例えば一般家庭や店舗等に分散配置される小型の燃料電池発電システムに適用することは現実的でないという問題もある。
【００１２】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、小型・簡易で安価であり、かつ原料ガスの性状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追従制御することが可能である水素製造プラント制御装置および水素製造装置ならびに水素製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明による水素製造プラント制御装置は、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ための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と出力する制御演算手段とを備えている。
【００１４】
また、本発明による水素製造装置は、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。
【００１５】
また、本発明による水素製造方法は、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、前記原料ガスに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ている。
【００１６】
すなわち、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または水素製造方法では、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して、水蒸気改質プロセスにおけるＳ／Ｃ値を常に最適化する。
【００１７】
なお、質量流量計は、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ことが望ましい。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。
【００１８】
ここで、上記の「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」とは、さらに具体的には、例えば電流を流して熱した電熱線（電熱ヒータ）を計測対象の流体である原料ガスの流れの中に配置しておき、その流れに起因して生じる電熱線の電気抵抗値の変化に基づいて放熱量変化を検出するというものがある。あるいは、計測対象の原料ガスの流れの中に配置された電熱線のような熱源によって原料ガスを加熱するように設定しておき、その電熱線の近傍の上流側または下流側に温度計測手段を設けて、この温度計測手段で流体の温度を計測し、その温度に基づいて流体の伝熱量変化を計測するというものなどがある。その伝熱量変化を計測する手法としては、さらに詳細には、熱源と温度計測手段との間の主に導通路壁等を伝導する熱を計測するものと、熱源と温度計測手段との間の主に流体中を伝導する熱を計測するものとがあるが、特に後者は受熱量変化（受熱量変化を計測する）方式と呼ばれている。このような各種のサーマルフローセンサを上記の質量流量計として好適に用いることが可能である。
【００１９】
また、前記制御演算手段または前記制御手段または前記制御プロセスでは、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炭素分の質量流量に基づいて追従制御することが可能である。
【００２０】
すなわち、ガス分析計によりガス組成を分析する従来技術の場合には、原料ガスの組成分析のプロセスが極めて煩雑で時間を要するものであったため、実際にはその分析で得られた結果をリアルタイムに用いて水蒸気の流量や原料ガスの流量を追従制御することは極めて困難であったが、本発明では、前記制御演算手段または前記制御手段または前記制御プロセスによって、極めて簡易で短時間に原料ガスの平均分子量の演算結果を得ることが可能となるので、その結果をリアルタイムに用いて、原料ガスの組成および流量に対応して水蒸気の流量あるいは原料ガスの流量を、常にリアルタイムに精確に追従制御することが可能となる。
【００２１】
ここで、上記の原料ガスとしては、一般式；Ｃｎ　Ｈ２ｎ＋２で表される鎖式の飽和炭化水素ガスが最も好適である。但し、これのみには限定されず、この他にも、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ガスを原料ガスとして用いる場合などにも適用可能である。この場合、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ようにすることが望ましい。
【００２２】
また、前記制御演算手段または前記制御手段または前記制御プロセスは、さらに詳細には、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、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。
【００２３】
また、上記の演算として、さらに詳細には、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、標準状態での１モル体積をＶｎａとすると、原料ガス（Ｃｎ　Ｈ２ｎ＋２）の平均分子量Ｍｍｅａｎ、化学式Ｃｎ　Ｈ２ｎ＋２のｎの平均値Ｎｍｅａｎ、原料ガス中の炭素の質量流量Ｍｃ　は各々、
Ｍｍｅａｎ＝ｄＭ／ｄＶ×Ｖｎａ
Ｎｍｅａｎ＝｛（ｄＭ／ｄＶ）Ｖｎａ−２｝／１４
Ｍｃ　＝｛１２×Ｎｍｅａｎ／（１４×Ｎｍｅａｎ＋２）｝×ｄＭ
という演算によって算出する。
【００２４】
但し、上記以外の演算式を採用して、上記と同様に原料ガス中の炭素の質量流量Ｍｃを得るようにすることも可能であることは言うまでもない。
【００２５】
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または水素製造方法は、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ようにすることが可能である。
【００２６】
あるいは、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または水素製造方法は、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することも可能である。
【００２７】
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または水素製造方法は、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構成することも可能である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２９】
図１は、本発明の一実施の形態に係る水素製造装置が組み込まれた燃料電池発電システムの概要構成を表したものである。
【００３０】
なお、本発明の実施の形態に係る水素製造プラント制御装置または水素製造方法は、この水素製造装置の一部として機能し、あるいはその作用によって具現化されるものであるから、以下、それらを併せて説明する。
【００３１】
この燃料電池発電システムは、原料ガス供給ライン（配管）１と、原料ガス流量調節弁２と、原料ガス流量調節器（原料ガス流量調節弁の機械的サーボ系）３と、サーマルフローセンサ（質量流量計）４と、脱硫器５と、水蒸気供給ライン（配管）６と、水蒸気流量調節弁７と、水蒸気流量調節器（水蒸気流量調節弁の機械的サーボ系）８と、原料ガス体積流量計９と、改質器１０と、制御演算部１１と、水蒸気流量計１２と、燃料電池発電装置１３とを、その主要部として備えている。なお、制御演算部１１と原料ガス流量調節器３と水蒸気流量調節器８とから、制御部１００の主要部が構成される。
【００３２】
原料ガス供給ライン１は、図示しない原料ガスタンク等から、原料ガスとして例えば天然ガス、ＬＰＧなどのような飽和炭化水素系のガス、あるいはその異性体またはその組成の一部を置換してなる不飽和炭化水素系のガスを供給するための配管である。
【００３３】
原料ガス流量調節弁２は、原料ガス供給ライン１によって導かれて供給されてくる原料ガスの流量を調節するための弁開度可変の調節弁である。
【００３４】
原料ガス流量調節器３は、原料ガス流量調節弁２の弁開度を機械的に調節するためのサーボ系である。この原料ガス流量調節器３は例えばサーボモータのような電気的原動機によって駆動力を発揮するもので、その機械的な弁開度調節の動作は制御演算部１１から送られてくる制御信号によって制御されるように設定されている。
【００３５】
サーマルフローセンサ４は、質量流量計測器であって、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ものである。このサーマルフローセンサ４の概要構成としては、さらに詳細には、例えば電流を流して熱した電熱線を計測対象の原料ガスの流れの中に配置しておき、その流れに起因して生じる電熱線の電気抵抗値の変化に基づいて放熱量変化を検出するというものや、計測対象の原料ガスの流れの中に配置された電熱ヒータのような熱源によって原料ガスを加熱するように設定しておき、その電熱線の近傍の上流側または下流側に温度計測手段を設けて、この温度計測手段で原料ガスの温度または温度変化を計測し、その温度または温度変化に基づいて原料ガスの伝熱量変化を計測するというものなどが適用可能である。また、その伝熱量変化を計測する手法としては、さらに詳細には、熱源と温度計測手段との間の主に導通路壁等を伝導する熱を計測するものと、熱源と温度計測手段との間の主に流体中を伝導する熱を計測するものとがある。このような各種のサーマルフローセンサを用いることが可能である。
【００３６】
いずれの種類のサーマルフローセンサを用いる場合についても、このサーマルフローセンサ４によって質量流量を計測するようにしたことで、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、ガスクロマトグラフィなどのガス分析計を用いて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っている。
【００３７】
その一例として、例えば図２に示したサーマルフローセンサでは、１つのＳｉ（シリコン）マイクロチップ４０１に、熱線ヒータ４０２と、上流側温度センサ４０３と、下流側温度センサ４０４と、駆動用回路（図示省略）とを作り込んだ構造の、極めて小型で簡易な構造のものとなっている。しかもこのようなサーマルフローセンサによれば計測対象の原料ガスの質量流量を精確にリアルタイムで計測することが可能である。
【００３８】
原料ガス体積流量計９は、原料ガスの体積流量を計測するものである。この原料ガス体積流量計９としては、例えば膜式流量計のような容積流量計、オリフィスやピトー管を用いた差圧流量計、タービン式流量計などが適用可能である。
【００３９】
脱硫器５は、原料ガスに硫黄化合物が含まれている場合にそれを除去して、改質器に供給される原料ガスの脱硫を行うためのものである。この脱硫器５については、例えば原料ガスが既に脱硫されたものである場合などには省略することが可能であることは言うまでもない。
【００４０】
水蒸気供給ライン６は、図示しない水蒸気発生装置等から水蒸気を供給するための配管である。
【００４１】
水蒸気流量調節弁７は、水蒸気供給ライン６によって導かれて供給されてくる水蒸気の流量を調節するための弁開度可変の調節弁である。
【００４２】
水蒸気流量調節器８は、水蒸気流量調節弁７の弁開度を機械的に調節するためのサーボ系である。この水蒸気流量調節器８は例えばサーボモータのような電気的原動機によって駆動力を発揮するもので、その機械的な弁開度調節の動作は制御演算部１１から送られてくる制御信号によって制御されるように設定されている。
【００４３】
水蒸気流量計１２は、水蒸気の質量流量または体積流量を計測するものである。この水蒸気流量計１２は、体積流量計の場合には、例えばオリフィスを用いた差圧流量計、タービン式流量計などが適用可能である。あるいは質量流量計の場合には、サーマルフローセンサなどが適用可能である。
【００４４】
改質器１０は、原料ガスを水蒸気と反応させることで、その原料ガスから水素を製造し、その水素を燃料電池発電装置１３へと供給する、いわゆる水蒸気改質を行うものである。この改質器１０としては、一般的な原料ガスの水蒸気改質を行うことができるものであればよい。あるいは、この改質器１０はＣＯ変成器やＣＯ選択酸化反応器の機能を併せ持ったものとしてもよい。
【００４５】
制御演算部１１は、サーマルフローセンサ４によって計測された原料ガスの質量流量と、原料ガス体積流量計９によって計測された原料ガスの体積流量との比に基づいて、原料ガスの平均分子量を演算し、その値と、サーマルフローセンサ４によって計測された原料ガスの質量流量の計測値から原料ガス中の炭素分の質量流量を演算し、この原料ガス中の炭素分の質量流量値に基づき、水蒸気の質量流量を制御して改質器１０での水蒸気改質プロセスにおけるＳ／Ｃ値を最適化するための制御信号を水蒸気流量調節器８へと出力するものである。
【００４６】
なお、この制御演算部１１は、燃料電池発電装置１３における発電状態を表す状態量として発電によって出力される電流または電圧の値を計測し、その値に対応して原料ガスの質量流量または体積流量を最適化して、効率的に目標の発電を行うために必要な原料ガスの流量を制御するという、一般的な機能を備えているものであることは言うまでもない。
【００４７】
さらに詳細には、この制御演算部１１では次の演算を行う。すなわち、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、標準状態での１モル体積をＶｎａとしたとき、原料ガス（Ｃｎ　Ｈ２ｎ＋２）の平均分子量Ｍｍｅａｎ、化学式Ｃｎ　Ｈ２ｎ＋２のｎの平均値Ｎｍｅａｎ、原料ガス中の炭素の質量流量Ｍｃ　を各々、
Ｍｍｅａｎ＝ｄＭ／ｄＶ×Ｖｎａ
Ｎｍｅａｎ＝｛（ｄＭ／ｄＶ）Ｖｎａ−２｝／１４
Ｍｃ　＝｛１２×Ｎｍｅａｎ／（１４×Ｎｍｅａｎ＋２）｝×ｄＭ
という演算によって算出する。
【００４８】
ここで、上記のような演算によって原料ガス中に含まれる炭素の質量流量Ｍｃの値を算出することが可能であることについて説明する。
【００４９】
例えば天然ガスやＬＰＧのような、燃料電池発電に好適な原料ガスは一般に、メタン、エタン…等の鎖式の飽和炭化水素をその主成分としている。このような鎖式の飽和炭化水素は、一般式；Ｃｎ　Ｈ２ｎ＋２で表すことができる（ｎ＝１，２，３…）。従って、原料ガスがメタンやエタン等のような飽和炭化水素系の成分を混合してなる組成のものである場合、その原料ガスの平均分子量をＭｍｅａｎとし、化学式Ｃｎ　Ｈ２ｎ＋２のｎの平均値をＮｍｅａｎとすると、原料ガスの組成がどのようなものであっても（飽和炭化水素系の混合物である限りは）、原料ガスの質量流量ｄＭと体積流量ｄＶとの比（ｄＭ／ｄＶ）は、（Ｍｍｅａｎ／Ｖｎａ）と等しく常に（１４Ｎｍｅａｎ＋２）／Ｖｎａとなっている。すなわち、ｄＭ／ｄＶ＝（１４Ｎｍｅａｎ＋２）／Ｖｎａが常に成り立つ。この式を変形すれば、Ｎｍｅａｎ＝｛ｄＭ／ｄＶ）Ｖｎａ−２｝／１４となる。このようにして、Ｃｎ　Ｈ２ｎ＋２における平均のｎの値；Ｎｍｅａｎを、原料ガスの質量流量ｄＭと体積流量ｄＶとの比（ｄＭ／ｄＶ）に基づいて算出することができる。
【００５０】
すなわち、上記の式は換言すれば、ｄＭ／（１４Ｎｍｅａｎ＋２）＝ｄＶ／Ｖｎａということである。この式を用いて逆算することによっても、ｎの平均値；Ｎｍｅａｎを算出することが可能であるが、この場合にも、結局のところ、Ｎｍｅａｎを算出するための演算としてはＮｍｅａｎ＝｛ｄＭ／ｄＶ）Ｖｎａ−２｝／１４となることは言うまでもない。
【００５１】
そして、このようにして算出された分子式Ｃｎ　Ｈ２ｎ＋２のｎの平均値；Ｎｍｅａｎを用いて、さらに、そのとき計測された原料ガスに含まれている炭素の質量流量の値；Ｍｃ　を、Ｍｃ　＝｛１２×Ｎｍｅａｎ／（１４×Ｎｍｅａｎ＋２）｝×ｄＭ　という演算によって算出する。
【００５２】
これは、原料ガス全体の質量流量がｄＭ、その原料ガス中に含まれている炭素のみの質量流量がＭｃ　であるとすると、原料ガスが複数種類の飽和炭化水素ガスを混合してなるものであっても、原料ガスの単位流体要素を考えたとき、複数種類の飽和炭化水のいずれもが一般式；Ｃｎ　Ｈ２ｎ＋２で表されるので、原料ガス中のＣとＨとの総和は線形的な演算となるから、その原料ガスの全体の質量と、その中に含まれる炭素のみの合計質量との比率は、炭素の平均分子量をＮｍｅａｎとすると、常に、１２Ｎｍｅａｎ／（１４Ｎｍｅａｎ＋２）となる。そこで、原料ガス全体の質量流量ｄＭを、この比率；１２Ｎｍｅａｎ／（１４Ｎｍｅａｎ＋２）で按分することにより、そのとき計測された原料ガスに含まれている炭素の質量流量の値；Ｍｃ　を算出することができる。すなわち、分子式Ｃｎ　Ｈ２ｎ＋２のｎの平均値；Ｎｍｅａｎを用いて、Ｍｃ　＝｛１２×Ｎｍｅａｎ／（１４×Ｎｍｅａｎ＋２）｝×ｄＭ　という演算を行うことによって、原料ガスに含まれている炭素の質量流量の値；Ｍｃ　を算出することができる。
【００５３】
この制御演算部１１では、上記のようにして算出された原料ガスに含まれている炭素の質量流量の値；Ｍｃ　を算出した後、その炭素の質量流量の値；Ｍｃ　に基づいて、そのときの原料ガスに対応して最も効率的な水蒸気改質を行うことができるような最適な水蒸気流量を算出し、そのような水蒸気流量となるように水蒸気流量調節弁７の弁開度を調節するための制御信号を、水蒸気流量調節器８へと送出する。
【００５４】
燃料電池発電装置１３は、一般的な燃料電池発電を行うための装置である。制御演算部１１を中心とする制御部１００の機能によってＳ／Ｃを最適化された水蒸気と原料ガスとを用いて改質器１０が高効率で発生させた水素は、この燃料電池発電装置１３へと供給される。
【００５５】
このとき、この燃料電池発電装置１３における発電効率がいかに高くとも、その前段である水素の製造プロセスでの効率が低ければ、燃料電池発電システム全体としてのエネルギー効率（熱効率）は低いものとならざるを得ないが、本実施の形態に係る水素製造装置を用いてなる燃料電池発電システムでは、上記のように水蒸気の質量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精確に制御して水蒸気改質プロセスにおけるＳ／Ｃ値を常に最適化することで、水蒸気改質プロセスを高効率なものとすることができるので、その結果、システム全体としてのエネルギー効率を高いものとすることができる。
【００５６】
しかも、ガスクロマトグラフィなどのガス分析計を用いてガス組成を分析する従来技術の場合には、原料ガスの組成分析のプロセスが極めて煩雑で時間を要するものであったため、実際にはその分析で得られた結果をリアルタイムに用いて水蒸気の流量や原料ガスの流量をリアルタイムに追従制御することは極めて困難であったが、本実施の形態に係る燃料電池発電システムでは、ガス組成を分析することなく極めて簡易で短時間に原料ガスの平均分子量および原料ガス中の炭素分の質量流量の演算結果を得ることが可能となるので、その演算結果をリアルタイムに用いて、原料ガスの組成および流量に対応して水蒸気の流量あるいは原料ガスの流量を、常に、リアルタイムに精確に追従制御することができる。
【００５７】
次に、この燃料電池発電システムに組み込まれた水素製造装置の動作について説明する。
【００５８】
燃料電池発電装置１３の発電状態を表す状態量として、燃料電池発電装置１３から出力される電圧または電流を計測し、それと発電量の目標値とに基づいて、制御演算部１１は、原料ガス流量調節器３を制御して原料ガス流量調節弁２の弁開度を調節することで、まず原料ガスの流量を最適値に制御する。
【００５９】
そしてサーマルフローセンサ４が原料ガスの質量流量を計測し、原料ガス体積流量計９が原料ガスの体積流量を計測する。
【００６０】
このとき計測された原料ガスの質量流量の値（ｄＭ）と体積流量の値（ｄＶ）とに基づいて、制御演算部１１は、原料ガス（Ｃｎ　Ｈ２ｎ＋２）の平均分子量Ｍｍｅａｎ、化学式Ｃｎ　Ｈ２ｎ＋２のｎの平均値Ｎｍｅａｎ、原料ガス中の炭素の質量流量Ｍｃ　を各々、
Ｍｍｅａｎ＝ｄＭ／ｄＶ×Ｖｎａ
Ｎｍｅａｎ＝｛（ｄＭ／ｄＶ）Ｖｎａ−２｝／１４
Ｍｃ　＝｛１２×Ｎｍｅａｎ／（１４×Ｎｍｅａｎ＋２）｝×ｄＭ
という演算によって算出できることは既述のとおりである。
【００６１】
制御演算部１１は、このようにして求められた、原料ガスに含まれている炭素の質量流量の値；Ｍｃ　に対応して、最適な水蒸気流量の目標値を算出する。その算出方法としては、例えば、水蒸気改では一般に、炭化水素をＣｎ　Ｈｍ　、水蒸気をＨ２　Ｏ、水素をＨ２　、一酸化炭素をＣＯとすると、Ｃｎ　Ｈｍ　＋ｎＨ２　Ｏ＝ｎＣＯ＋（ｍ／２＋ｎ）Ｈ２　となるから、原料ガスに含まれているｎ個の炭素に対して化学量論上は、ｎ個の水蒸気が必要となる。ところが、この水蒸気改質反応は、カーボン析出を防止して触媒が正常に機能するようにするためには、化学量論比により過剰の水蒸気を必要とする。この水蒸気と原料ガス中の炭素の比（いわゆるＳ／Ｃ比）の最適値は、触媒や反応温度、原料ガス性状等により異なるが、例えば、Ｓ／Ｃ比を３．０とする場合を例とする。ここで、炭素のモル分子量は１２、水蒸気のモル分子量は１８であるから、原料ガスに含まれている炭素の質量１２に対して質量１８の水蒸気が３倍量（すなわち質量流量５４の水蒸気が）必要であることになる。すなわち原料ガスに含まれている炭素の質量流量と水蒸気の質量流量との比率の最適値は２：９ということである。従って、制御演算部１１では、そのような質量流量の比率となるように、水蒸気の質量流量を制御する。
【００６２】
改質器１０では、このようにして最適なＳ／Ｃ比に制御されて供給された原料ガスと水蒸気とを用いて、原料ガスを水蒸気改質し、いわゆる水素リッチガスとして取り出す。そして必要に応じてＣＯ変成やＣＯ選択酸化あるいは水素精製等を行って妨害成分または不純物を除去した水素ガスを、燃料電池発電装置１３へと供給する。燃料電池発電装置１３では、供給されてきた水素ガスを用いて燃料電池発電を行う。
【００６３】
なお、原料ガスの種類としては、上記のような鎖状の飽和炭化水素の他にも、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なども可能である。但しこの場合には、制御演算部１１は、上記のような演算によって得られたＮｍｅａｎの値またはＭｃ　の値などを、そのときの計測（制御）対象の原料ガスの組成および構造に対応して補正または校正することが必要である。あるいはそのような補正を行っても克服できないほどの誤差や不確からしさが生じる種類の原料ガスの場合には、上記のような鎖状の飽和炭化水素に適した演算ではなく、計測対象の原料ガスの種類に適した、上記とは別の演算を行うことが必要となる場合もあることは言うまでもない。しかし、そのような場合にも、基本的に上記の演算と同様に、原料ガスに含まれる炭素Ｃの質量流量と体積流量との比に基づいた演算を行うことで、上記と同様に原料ガスの組成および流量に対応して水蒸気の流量あるいは原料ガスの流量を、常にリアルタイムに精確に追従制御することが可能である。
【００６４】
例えば、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の場合には、原料ガス（Ｃｎ　Ｈ２ｎ＋２）の平均分子量Ｍｍｅａｎ、化学式Ｃｎ　Ｈ２ｎ＋２のｎの平均値Ｎｍｅａｎ、原料ガス中の炭素の質量流量Ｍｃ　は各々、前述の演算式で算出することができる。
【００６５】
また、本実施の形態では、化学式Ｃｎ　Ｈ２ｎ＋２のｎの平均値；Ｎｍｅａｎを求め、さらにその値を用いて、原料ガスに含まれる炭素分のみの質量流量の値；Ｍｃ　を求めて、その炭素分のみの質量流量の値；Ｍｃ　に対応して水蒸気の最適流量値を求めるようにする場合について説明したが、この他にも、原料ガスに含まれる水素分のみの質量流量の値を求めて、その炭素分のみの質量流量の値に対応して水蒸気の最適流量値を求めるようにすることなども可能であることは言うまでもない。
【００６６】
また、本実施の形態では、水蒸気の質量流量を制御対象とした場合について説明したが、水蒸気の体積流量を制御対象とすることなども可能であることは言うまでもない。
【００６７】
また、本実施の形態では、本発明による水素製造装置または水素製造プラント制御装置または水素製造方法を、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して、燃料電池発電システムの一部分として用いた場合について説明したが、この他にも、原料ガスを水蒸気と反応させて、その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して、化学物質合成システムの一部分として用いるようにすることなども可能である。
【００６８】
あるいは、水素の供給先については特定せず、原料ガスを水蒸気と反応させてその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るようにすることなども可能であることは言うまでもない。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１ないし１０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１１ないし２０のいずれかに記載の水素製造装置または請求項２１ないし２７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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る水素製造装置が組み込まれた燃料電池発電システムの概要構成を表した図である。
【図２】図１の水素製造装置に好適に用いられるサーマルフローセンサの一例を表した図である。
【符号の説明】
１…原料ガス供給ライン、２…原料ガス流量調節弁、３…原料ガス流量調節器、４…サーマルフローセンサ、５…脱硫器、６…水蒸気供給ライン、７…水蒸気流量調節弁、８…水蒸気流量調節器、９…原料ガス体積流量計、１０…改質器、１１…制御演算部、１２…水蒸気流量計、１３…燃料電池発電装置、１００…制御部装置、１００…制御部
【図１】
2004059337.tif 000003
【図２】
2004059337.tif 000004