JP2004059354A

JP2004059354A - Control system for hydrogen production plant and apparatus and process for hydrogen production

Info

Publication number: JP2004059354A
Application number: JP2002217622A
Authority: JP
Inventors: Tomohide Satomi; 里見　知英; Hirotaka Furuta; 古田　博貴
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-07-26
Also published as: JP4162938B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a control system for hydrogen production plant or a hydrogen production process which precisely controls the flow rates of steam and a raw material gas in real time based on the composition and flow rate of the raw material gas, wherein the control system and the plant have small, simple and inexpensive structures. <P>SOLUTION: The control system is equipped with a raw material gas flow control valve 2, a raw material gas flow controller 3, a thermal flow sensor 4, a desulfurizer 5, a steam supply line 6, a steam flow control valve 7, a steam flow controller 8, a reformer 10, a control operation part 11, a steam flow meter 12 and a fuel cell power generator 13. The control system calculates the mass flow of carbon contained in the raw material gas based on the mass flow of the raw material gas measured with the thermal flow sensor 4 and, based on this calculated value, controls the mass flow of the steam to optimize a S/C (steam/carbon) ratio in a steam-reforming process performed in the reformer 10. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【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、炭化水素を主とする原料ガスから水素を製造して取り出すことが必要である。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炭素と水素とに分解し、その中の水素を取り出すようにしている。
【０００３】
さらに詳細には、一般式で炭化水素をＣ_ｎＨ_ｍ、水蒸気をＨ_２Ｏ、水素をＨ_２　、二酸化炭素をＣＯ_２とすると、Ｃ_ｎＨ_ｍ＋ｎＨ_２Ｏ＝ｎＣＯ＋（ｍ／２＋ｎ）Ｈ_２となる。さらにＣＯ変成を行って、ｎＣＯ＋ｎＨ_２Ｏ＝ｎＣＯ_２＋ｎＨ_２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（水素を製造する）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、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総合効率を良好なものとするためには、発電や合成の前段で原料となる水素を製造する際の水蒸気改質プロセスの効率を高め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しておく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、延いては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一般に発電出力電流値あるいは発電出力電力量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、実質的に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】
このような不都合に対応することを企図して、従来の技術では、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、例えば、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によれば、確かに原料ガスの組成を精確に計測することは可能ではあるが、そのような精確な組成の計測を行うためのガスクロマトグラフィなどガス分析計装置構成自体が、極めて煩雑、大型であり、また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や環境配慮型あるいは分散型の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それらによって具現化される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、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プラントにおける、前記水蒸気の質量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、前記原料ガスの質量流量を計測する質量流量計と、前記質量流量計によって計測される質量流量に基づいて、前記原料ガスに含まれる炭素分の質量流量を演算し、その値に基づいて、前記水蒸気の流量を制御するための信号を、前記水蒸気の流量を調節するための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、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、前記原料ガスの質量流量を計測する質量流量計と、前記質量流量計によって計測される質量流量に基づいて、前記原料ガスに含まれる炭素分の質量流量を演算し、その値に基づいて、前記水蒸気改質器へと供給する前記水蒸気の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、前記原料ガスの質量流量を計測するプロセスと、計測された前記質量流量に基づいて、前記原料ガスに含まれる炭素分の質量流量を演算し、その値に基づいて、前記水蒸気の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、前記原料ガスの質量流量を計測し、その質量流量の計測値に基づいて、原料ガスに含まれる炭素分の質量流量を演算し、その値に基づいて、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制御して、水蒸気改質プロセスにおけるＳ／Ｃ値を常に適正化する。
【００１７】
なお、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、ガスクロマトグラフィなどの組成分析装置を用い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、ガスクロマトグラフィなどのガス分析装置を用い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中の炭素分の流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】
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、前記質量流量計によって計測される質量流量と、前記原料ガスに含まれることが想定される炭素の質量比とに基づいて、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の質量流量を制御するようにしてもよい。
【００２２】
但し、原料ガスとしてはこれのみには限定されず、この他にも種々の炭化水素系ガスを原料ガスとして適用可能である。
【００２３】
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。
【００２４】
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が可能である。
【００２５】
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することが可能である。
【００２６】
【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。
【００２７】
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。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、この燃料電池発電システムおよびそれに組み込まれた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。
【００２８】
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、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。
【００２９】
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、炭化水素を主とする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などの原料ガスを供給するための配管である。
【００３０】
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。
【００３１】
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を駆動力源として作動して原料ガス流量調節弁２の弁開度調節の動作を行うもので、その機械的な動作は制御演算部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。
【００３２】
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。
【００３３】
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組成分析装置を用い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。
【００３４】
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。
【００３５】
脱硫器５は、原料ガスに硫化炭素系の物質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化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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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、例えば前述の原料ガス流量調節器３と同様に、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。
【００３９】
水蒸気流量計１２は、水蒸気の流量を計測するものである。この水蒸気流量計１２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。
【００４０】
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。
【００４１】
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、原料ガスに含まれる炭素の質量比とに基づいて、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。
【００４２】
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あるいは電力の値を計測し、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。
【００４３】
さらに詳細には、この制御演算部１１では、原料ガスが例えば一般式；Ｃ_ｎ
Ｈ_２ｎ＋２で表される鎖式の飽和炭化水素系（アルカン系またはメタン系）のガス（例えばメタン単体またはエタンとメタンとの混合ガスのいずれでも可能）である場合には、その原料ガス中に含まれる炭素の質量の原料ガス全体の質量に対する比率（質量比）は、炭素の質量が１２ｎであり、水素の質量が（２ｎ＋２）であるため、｛１２ｎ／１２ｎ＋（２ｎ＋２）｝となる。ここで、鎖式の飽和炭化水素系では一般に、飽和炭化水素の一連の鎖の両端には各々１個ずつ水素原子が存在しているが、それ以外はＨ−Ｃ−Ｈが規則的に（反復的に）並んでいる構造となっている。そして炭素元素の質量と水素元素の質量は、１２：１であるから、一桁以上も炭素元素の質量の方が大きい。それ故、原料ガス中の炭素と水素との質量の比率は、近似的には１：２と見做すことができる。これは換言すれば、原料ガス中に含まれる炭素の質量が全原料ガスの質量に占める比は、近似的に、（１２×１）／（１×２＋１２×１）＝１２／１４（＝約０．８５７）と見做すことができるということである。従って、サーマルフローセンサ４で計測された原料ガスの質量流量をＭａｌｌ　とすれば、上記のような炭素の近似的な質量比（＝１２／１４）を用いて、原料ガスに含まれることが想定される炭素の質量流量の値Ｍｃ　は、Ｍｃ　＝Ｍａｌｌ　×１２／１４（＝約０．８５７Ｍａｌｌ　）という式によって近似的に算出することができる。
【００４４】
なお、この場合、飽和炭化水素の鎖の両端に本当は存在している２個の水素については計算上は敢えて無視しているのであるから、上記の近似的な炭素の質量比を用いて計測〜算出される炭素の質量流量の値は、そのときに実際に流れている炭素の質量流量の真値（これをここではＭｃ　−ｔｒｕｅ　と呼ぶ。以下同様）よりも若干多い値となっている。
【００４５】
上記のように飽和炭化水素の鎖の両端に存在している２個の水素について無視した計算を行った場合に想定される誤差について、さらに詳細には、一般式；Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２の分子量ｎが最も小さい場合（ｎ＝１のとき）、すなわちメタンの場合に、無視した２個の水素の質量が全体に占める割合が最も大きくなるので、それに起因した誤差が最も大幅なものとなる。すなわち、このメタン（ＣＨ_４　）の場合には、全体のモル分子質量は１６であり、それに含まれる炭素の実際のモル分子質量は１２（これが真値Ｍｃ　−ｔｒｕｅ　に該当する）であるが、上記の計算では２個の水素を無視しているので、Ｍｃ　＝１６×（１２／１４）＝１３．７１であるから、このときの誤差は、１３．７１−１２＝１．７１となり、＋方向に１．７１（約＋１４．２％）の誤差が生じることとなる。このような誤差は、ｎの値が大きくなるに連れて小さく（小幅に）なって行く傾向にある。そこで、このような誤差を解消あるいは改善する最も簡便な手法としては、原料ガスとして特にメタンやエタンのようなｎが小さい種類の飽和炭化水素を用いる場合には、そのｎの値に対して適正に対応した補正値あるいは校正値をあらかじめ定めておき、それによって算出結果の値を補正あるいは校正するようにすればよい。
【００４６】
図３は、水蒸気質量流量の制御を行う演算ブロックの概要構成を模式的に表したものである。
【００４７】
サーマルフローセンサ４では、原料ガス全体の質量流量Ｍａｌｌ　を計測する。このとき計測される質量流量Ｍａｌｌ　については、サーマルフローセンサ４に関する精度（あるいは不確からしさ）に起因した誤差が支配的であって、その他の要因による誤差等は理論的には十分に無視できるほどに小さいものとすることが可能であることはいうまでもない。
【００４８】
そして制御演算部１１では、演算ブロック１１１が、サーマルフローセンサ４で計測された質量流量Ｍａｌｌ　に基づいて、上記の演算式；Ｍｃ　＝Ｍａｌｌ　×１２／１４（＝約０．８５７Ｍａｌｌ　）によって炭素の質量流量の値Ｍｃ　を演算すると共に、それとは相補的関係にある水素の質量流量の値ＭＨ　（ＭＨ　＝Ｍａｌｌ　−Ｍｃ　）を演算する。
【００４９】
続いて、演算ブロック１１２は、炭素の質量流量の演算値Ｍｃ　に基づいて、水蒸気の質量流量の制御値ＭＨ２Ｏ　を演算すると共に、水素の質量流量の値ＭＨ　に基づいて、その水素が改質器１０を介して燃料電池発電装置１３に投入されたと仮定したときに出力されることが想定される電力量Ｗｉｎ　を演算する。そして実際の水蒸気の質量流量が、算出された水蒸気の質量流量の制御値ＭＨ２Ｏ　となるように、水蒸気流量調節器８を制御する。
【００５０】
制御演算部１１では、上記のようにして、原料ガスに含まれている炭素の質量流量の値Ｍｃ　を算出し、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適正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。
【００５１】
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。
【００５２】
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発生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発生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適正に制御して、水蒸気改質プロセスにおけるＳ／Ｃ値を常に適正化することで、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効率を高いものとすることができる。
【００５３】
しかも、ガスクロマトグラフィに代表される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水素発生装置を用いてなる燃料電池発電システムでは、極めて簡易で短時間に原料ガス中の炭素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変化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。
【００５４】
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。
【００５５】
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から出力される電流または電力を計測し、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。
【００５６】
そしてサーマルフローセンサ４が原料ガスの質量流量Ｍａｌｌ　を計測する。
【００５７】
続いて、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の値Ｍａｌｌ　に基づいて、原料ガスに含まれている炭素の質量流量の値Ｍｃ　を演算する。このときの演算内容は既述のとおりである。そして制御演算部１１は、原料ガスに含まれている炭素の質量流量の値Ｍｃ　に対応した最適な水蒸気流量を算出する。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Ｃ_ｎＨ_ｍ　、水蒸気をＨ_２Ｏ、水素をＨ_２、一酸化炭素をＣＯとすると、Ｃ_ｎＨ_ｍ＋ｎＨ_２Ｏ＝ｎＣＯ＋（ｍ／２＋ｎ）Ｈ_２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。
【００５８】
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。
【００５９】
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Ｍｃ　の値を、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上記のような補正の手法とはまたさらに別段の手法等によって補正または校正することが必要である。
【００６０】
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Ｍｃ　に基づいた演算〜制御を行うことで、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となる。
【００６１】
例えば、原料ガスが非環式アセチレン系（アルキン系）炭化水素の場合には、その構造は一般式；Ｃ_ｎＨ_２ｎ−２で表されるから、上記のように水素の「−２　」を敢えて無視して単純化した演算を行って炭素の質量流量を演算する場合には、上記とは逆に、真値よりも少ない質量流量が演算されることとなるので、そのような誤差の出方の傾向に対応した補正あるいは校正を行うようにすることが望ましい。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１ないし７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８ないし１４のいずれかに記載の水素製造装置または請求項１５ないし２３のいずれかに記載の水素製造方法によれば、原料ガスの質量流量を計測し、その質量流量の計測値あるいはそれに補正を施した値に基づいて、原料ガスの質量流量を算出し、その値に基づいて、水蒸気の質量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】本発明の一実施の形態に係る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。
【図３】水蒸気質量流量の制御を行う演算ブロックの概要構成を模式的に表した図である。
【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、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[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a hydrogen production plant control device, a hydrogen production device, and a hydrogen production method.
[0002]
[Prior art]
As a next-generation energy supply system, a fuel cell power generation system that generates electricity by reacting hydrogen with oxygen has attracted attention, and has been actively researched and developed. In such a fuel cell power generation system, it is necessary to produce and extract hydrogen from a raw material gas mainly composed of hydrocarbons. As a production method, generally, a hydrocarbon-based raw material gas such as natural gas or LPG (liquefied petroleum gas) is decomposed into carbon and hydrogen by reacting with a steam using a catalyst, and hydrogen in the hydrogen is taken out. Like that.
[0003]
More specifically, the general formula in the hydrocarbon _C n _{H m,} water vapor _H 2 O, hydrogen _{H 2,} when carbon dioxide and _{_{_{_{CO 2, C n H m +}}}} nH 2 O = nCO + (m / 2 + n) H It becomes ₂ . Further performing CO _conversion, the _{nCO + nH 2 O = nCO 2} + nH 2. In this way, the hydrocarbon is used as a source gas, and the so-called steam reforming is performed to extract hydrogen from the source gas (produce hydrogen).
[0004]
Such a process or plant for producing hydrogen from a raw material gas by steam reforming is used not only in a fuel cell power generation system but also in a chemical substance synthesis system for performing, for example, methanol synthesis, oxo synthesis, and ammonia synthesis. Alternatively, the present invention can be used for a so-called hydrogen engine that generates mechanical energy by burning hydrogen in an internal combustion engine.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in a process or a plant that performs steam reforming as described above, the so-called S / C ratio (steam / carbon ratio) is optimized by adjusting the flow rate of steam and the flow rate of raw material gas to an optimal ratio. It is strongly requested. In other words, in order to improve the power generation efficiency of the fuel cell power generation system and the overall efficiency of the chemical substance synthesis system, the efficiency of the steam reforming process when producing hydrogen as a raw material prior to power generation and synthesis is required. Is a very important technical factor.
[0006]
Therefore, in the prior art, in order to prevent at least carbon deposition and to allow the catalyst to function normally and perform reliable steam reforming, when the composition of the raw material gas fluctuates, The lowest value of S / C is set according to the heaviest composition of the fluctuation range, and even if the most severe condition is caused by the fluctuation of the composition or flow rate of the raw material gas, the value of S / C is maintained. Has been adopted so as not to fall below a minimum value at which normal steam reforming can be performed.
[0007]
However, fixing the value of S / C to a higher value in advance as described above wastes a large amount of steam more than necessary, which in turn leads to a fuel cell power generation system and a chemical substance synthesis system. In some cases, the overall energy efficiency (thermal efficiency) may be significantly reduced. For this reason, it is necessary to keep the value of S / C at an appropriate value corresponding to the performance of the catalyst and the composition and flow rate of the raw material gas.
[0008]
Here, if the composition of the source gas is always constant and its flow rate is always constant, an optimum S / C value suitable for the condition may be set in advance. However, in practice, the flow rate of the raw material gas is generally controlled to follow the power generation output current value or the power generation output power amount in the case of fuel cell power generation, for example, but the composition of the raw material gas may fluctuate. Follow-up control is not substantially performed for the fluctuation. For this reason, even if the optimal S / C value is set in advance, there is a problem that the composition of the raw material gas fluctuates and the flow rate deviates from a necessary and sufficient steam flow rate, and the thermal efficiency decreases. . For example, when natural gas is used as a source gas as an example, in general, the composition of natural gas often differs depending on the place of production. Alternatively, in the case of LPG mixed with propane and butane, when LPG is taken out of the container as a gas, when the LPG in the container is almost full, the gas becomes a gas having a composition with many light components such as propane. And the composition of the supplied gas may vary depending on the remaining amount of LPG in the container.
[0009]
In order to cope with such an inconvenience, in the related art, a variation in the composition of the raw material gas is analyzed by a gas analyzer, and the S / C value is corrected or reset according to the analyzed composition. For example, a measure of doing so has been proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-325975.
[0010]
However, in the method of analyzing the composition of the source gas using such a gas analyzer, the process of analyzing the composition of the source gas is extremely complicated.For example, when the most common gas chromatography is used as a gas analyzer, Since it is inevitable that the analysis takes a long time, in practice, it is extremely difficult or impossible to accurately follow the change in the composition of the raw material in real time. There is a fatal problem with the device.
[0011]
In addition, according to a gas analyzer represented by gas chromatography, it is possible to accurately measure the composition of the raw material gas, but gas analysis such as gas chromatography for measuring such a precise composition is possible. Because the instrument configuration itself is extremely complicated, large, and expensive, it can be applied to, for example, small fuel cell power generation systems that are distributed and installed in ordinary homes and shops, and environmentally friendly or distributed power generation systems. There is also the problem that it is not practical to do so.
[0012]
The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object the purpose of controlling the flow rate of water vapor or raw material gas accurately and in real time with respect to the composition and flow rate of raw material gas. It is an object of the present invention to provide a hydrogen production plant control device, a hydrogen production device, and a hydrogen production method embodied thereby.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
A hydrogen production plant control device according to the present invention controls a servo system for adjusting a mass flow rate of the steam in a hydrogen production plant that produces a hydrogen from the source gas by reacting a source gas containing hydrogen with the steam. A hydrogen production plant control device for performing, a mass flow meter that measures the mass flow rate of the raw material gas, and a mass of carbon contained in the raw material gas based on the mass flow rate measured by the mass flow meter. Control arithmetic means for calculating a flow rate and outputting a signal for controlling the flow rate of the steam to a servo system for adjusting the flow rate of the steam based on the value.
[0014]
Further, the hydrogen production apparatus according to the present invention is a hydrogen production apparatus comprising a steam reformer for producing hydrogen from the raw material gas by reacting the raw material gas containing hydrogen with steam, wherein the mass flow rate of the raw material gas Mass flow meter that measures the mass flow rate of the carbon contained in the raw material gas based on the mass flow rate measured by the mass flow meter, and based on the value, to the steam reformer. Control means for controlling the flow rate of the steam to be supplied.
[0015]
Further, the hydrogen production method according to the present invention is a hydrogen production method for producing hydrogen from the raw material gas by reacting a raw material gas containing hydrogen with water vapor, wherein a process of measuring a mass flow rate of the raw material gas, A control process for calculating a mass flow rate of carbon contained in the raw material gas based on the obtained mass flow rate, and controlling the flow rate of the steam based on the calculated value.
[0016]
That is, in the hydrogen production plant control apparatus or the hydrogen production apparatus or the hydrogen production method according to the present invention, the mass flow rate of the raw material gas is measured, and based on the measured value of the mass flow rate, the mass flow rate of the carbon contained in the raw material gas is measured. Is calculated, and based on the value, the mass flow rate of steam is controlled in real time according to the flow rate and composition of the raw material gas, so that the S / C value in the steam reforming process is always optimized.
[0017]
Preferably, the mass flow meter is a thermal flow sensor that detects a change in the amount of heat generated in accordance with the mass flow rate of the raw material gas and outputs a signal corresponding to the value of the change in the amount of heat. By doing so, it becomes possible to control the mass flow rate or the volume flow rate of the steam or the raw material gas in real time in accordance with the flow rate and the composition of the raw material gas. Compared to the case of the prior art using a composition analyzer, it is possible to dramatically reduce the size, simplicity and cost.
[0018]
Here, the above-mentioned “thermal flow sensor that detects a change in the amount of heat generated in response to the mass flow rate of the source gas and outputs a signal corresponding to the value of the change in the amount of heat” is more specifically, A heated heating wire (electric heating heater) is placed in the flow of the raw material gas, which is the fluid to be measured, and the amount of heat radiation changes based on the change in the electrical resistance of the heating wire caused by the flow. Is detected. Alternatively, it is set so that the source gas is heated by a heat source such as a heating wire arranged in the flow of the source gas to be measured, and a temperature measuring means is provided on the upstream or downstream side near the heating wire. There is a method in which the temperature of the fluid is measured by the temperature measuring means, and a change in the heat transfer amount of the fluid is measured based on the temperature. As a method of measuring the change in the amount of heat transfer, more specifically, a method of measuring heat mainly conducted through a conduction path wall or the like between the heat source and the temperature measuring means, and a method of measuring heat between the heat source and the temperature measuring means. There is a type that mainly measures heat conducted in a fluid, and in particular, the latter method is called a heat-receiving amount change (measuring a heat-receiving amount change) method. Such various thermal flow sensors can be suitably used as the above mass flow meter.
[0019]
Further, in the control operation means, the control means, or the control process, it is possible to follow-up control the mass flow rate or the volume flow rate of the steam based on the mass flow rate of the carbon contained in the raw material gas.
[0020]
That is, in the case of the conventional technology using a gas analyzer such as gas chromatography, the process of analyzing the composition of the raw material gas was extremely complicated and time-consuming, so that the result obtained by the analysis was actually obtained in real time. Although it was extremely difficult to follow and control the flow rate of the steam and the flow rate of the raw material gas using the same, in the present invention, the control arithmetic means or the control means or the control process allows the raw material gas to be controlled in a very simple and short time. It is possible to obtain the calculation result of the flow rate of the carbon content of the raw material, and using the result in real time, always accurately and in real time the flow rate of the steam or the flow rate of the raw material gas in accordance with the composition and flow rate of the raw material gas. Following control can be performed.
[0021]
Further, the control calculation means or the control means or the control process, more specifically, the mass flow rate measured by the mass flow meter and the mass ratio of carbon assumed to be included in the raw material gas Based on the calculated value, the mass flow rate of carbon contained in the raw material gas may be calculated, and the mass flow rate of the steam may be controlled based on the calculated mass flow rate.
[0022]
However, the source gas is not limited to this, and various other hydrocarbon-based gases can be used as the source gas.
[0023]
A hydrogen production plant control device, a hydrogen production device, or a hydrogen production method according to the present invention produces hydrogen from the raw material gas by reacting the raw material gas with steam, and generates power by reacting the hydrogen with oxygen. It can be configured to supply to a fuel cell and be used as part of a fuel cell power generation system.
[0024]
Alternatively, the hydrogen production plant control device, the hydrogen production device, or the hydrogen production method according to the present invention is configured such that the raw material gas is reacted with steam to be used as a part of a steam reforming system that produces hydrogen from the raw material gas. Is possible.
[0025]
Alternatively, the hydrogen production plant control device, the hydrogen production device, or the hydrogen production method according to the present invention reacts the raw material gas with water vapor to produce hydrogen from the raw material gas, and converts the hydrogen into a plant that synthesizes a predetermined chemical substance. Can be set so as to be used as a part of a chemical synthesis system.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0027]
FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell power generation system incorporating a hydrogen production apparatus according to one embodiment of the present invention. The hydrogen production plant control device or the hydrogen production method according to the embodiment of the present invention functions as a part of the fuel cell power generation system and the hydrogen production device incorporated therein, or is embodied by the action thereof. Therefore, they will be described below together.
[0028]
This fuel cell power generation system includes a source gas supply line (piping) 1, a source gas flow control valve 2, a source gas flow controller (mechanical servo system of the source gas flow control valve) 3, and a thermal flow sensor (mass). A flow meter) 4, a desulfurizer 5, a steam supply line (piping) 6, a steam flow control valve 7, a steam flow controller (mechanical servo system of the steam flow control valve) 8, a reformer 10, , A control operation unit 11, a water vapor flow meter 12, and a fuel cell power generator 13 as main components thereof. The control calculation unit 11, the raw material gas flow controller 3, and the steam flow controller 8 constitute a main part of the control unit 100.
[0029]
The raw material gas supply line 1 supplies a raw material gas mainly containing hydrocarbons, for example, a natural gas, a saturated hydrocarbon gas such as LPG, an isomer thereof, or a part of the composition thereof from a raw material gas tank or the like. This is a pipe for supplying a raw material gas such as a substituted unsaturated hydrocarbon gas.
[0030]
The source gas flow control valve 2 is a variable valve opening control valve for adjusting the flow rate of the source gas guided and supplied by the source gas supply line 1.
[0031]
The source gas flow controller 3 is a servo system for mechanically adjusting the valve opening of the source gas flow control valve 2. The source gas flow controller 3 operates an electric prime mover such as a servomotor as a driving force source to adjust the opening degree of the source gas flow control valve 2, and the mechanical operation is controlled. It is set so as to be controlled by a control signal sent from the arithmetic unit 11.
[0032]
The thermal flow sensor 4 is a mass flow meter that detects a change in the amount of heat generated in accordance with the mass flow of the raw material gas, and outputs a signal corresponding to the value of the change in the amount of heat. More specifically, as an outline configuration of the thermal flow sensor 4, for example, a heating wire heated by flowing an electric current is arranged in the flow of the raw material gas to be measured, and the heating wire generated by the flow is generated. It is set so that the source gas is heated by a heat source such as an electric heater arranged in the flow of the source gas to be measured or a type that detects a change in the amount of heat radiation based on a change in the electric resistance value of the source gas. A temperature measuring means is provided on the upstream side or downstream side near the heating wire, and the temperature measuring means measures the temperature or the temperature change of the raw material gas, and changes the heat transfer amount of the raw material gas based on the temperature or the temperature change. For example, a method of measuring the distance is applicable. Further, as a method of measuring the change in the amount of heat transfer, more specifically, a method of measuring heat mainly conducted through a conduction path wall or the like between the heat source and the temperature measuring means, and a method of measuring the heat source and the temperature measuring means. Some of them mainly measure heat conducted in a fluid. It is possible to use such various types of thermal flow sensors.
[0033]
Regardless of the type of thermal flow sensor used, the mass flow rate is measured by the thermal flow sensor 4 so that the mass flow rate or the volume flow rate of the steam or the raw material gas corresponds to the flow rate and composition of the raw material gas. Control in real time, and make the configuration of the device or plant dramatically smaller, simpler and cheaper than in the case of the conventional technology using a composition analyzer such as gas chromatography. Is possible.
[0034]
For example, in the thermal flow sensor shown in FIG. (Omitted) and an extremely compact and simple structure. Moreover, according to such a thermal flow sensor, the mass flow rate of the raw material gas to be measured can be accurately measured in real time.
[0035]
The desulfurizer 5 is for desulfurizing the raw material gas supplied to the reformer by removing the carbon sulfide-based substance contained in the raw material gas when it is contained. Needless to say, the desulfurizer 5 can be omitted when, for example, the raw material gas is already desulfurized.
[0036]
The steam supply line 6 is a pipe for supplying steam from a steam generator (not shown) or the like.
[0037]
The steam flow control valve 7 is a control valve with a variable valve opening for adjusting the flow rate of steam supplied and supplied through the steam supply line 6.
[0038]
The steam flow controller 8 is a servo system for mechanically adjusting the valve opening of the steam flow control valve 7. The steam flow rate controller 8 exerts a driving force by an electric motor such as a servomotor, for example, similarly to the above-described raw material gas flow rate controller 3, and its mechanical valve opening degree adjustment operation is controlled. It is set so as to be controlled by a control signal sent from the arithmetic unit 11.
[0039]
The steam flow meter 12 measures the flow rate of steam. As the steam flow meter 12, for example, a differential pressure flow meter using an orifice, a turbine type flow meter, or the like can be applied.
[0040]
The reformer 10 performs so-called steam reforming by producing hydrogen from the raw material gas by reacting the raw material gas with steam and supplying the hydrogen to the fuel cell power generator 13. The reformer 10 may be any as long as it can perform steam reforming of general raw material gas. Alternatively, the reformer 10 may have a function of a CO shift converter or a CO selective oxidation reactor.
[0041]
The control operation unit 11 controls the mass flow rate of steam based on the mass flow rate of the raw material gas measured by the thermal flow sensor 4 and the mass ratio of carbon contained in the raw material gas to control the steam flow rate in the reformer 10. The control signal for optimizing the S / C value in the reforming process is output to the steam flow controller 8.
[0042]
The control operation unit 11 measures a value of a current, a voltage, or a power output by power generation as a state quantity representing a power generation state in the fuel cell power generation device 13, and corresponds to the mass flow rate of the raw material gas or Needless to say, it has a general function of optimizing the volume flow rate and controlling the flow rate of the raw material gas necessary for efficiently performing target power generation.
[0043]
More specifically, in the control arithmetic unit 11, the raw material gas, for example, the general formula; C _n
In the case of a chain-type saturated hydrocarbon-based gas (alkane-based or methane-based) represented by H _{2n + 2} (for example, either methane alone or a mixed gas of ethane and methane can be used), the raw material gas contains Since the mass of carbon is 12n and the mass of hydrogen is (2n + 2), the ratio (mass ratio) of the mass of the contained carbon to the mass of the entire source gas is {12n / 12n + (2n + 2)}. Here, in a chain type saturated hydrocarbon system, generally, one hydrogen atom is present at each end of a series of chains of a saturated hydrocarbon, but otherwise, H—C—H is regularly ( (Repeatedly). Since the mass of the carbon element and the mass of the hydrogen element are 12: 1, the mass of the carbon element is larger by one digit or more. Therefore, the mass ratio between carbon and hydrogen in the source gas can be approximately regarded as 1: 2. In other words, the ratio of the mass of carbon contained in the source gas to the total mass of the source gas is approximately (12 × 1) / (1 × 2 + 12 × 1) = 12/14 (= about 0.857). Therefore, assuming that the mass flow rate of the source gas measured by the thermal flow sensor 4 is Mall, it is assumed that the source gas is contained in the source gas using the approximate mass ratio of carbon (= 12/14) as described above. The value Mc of the mass flow rate of carbon to be obtained can be approximately calculated by the equation Mc = Mall × 12/14 (= about 0.857 Mall).
[0044]
In this case, since two hydrogens actually present at both ends of the saturated hydrocarbon chain are intentionally neglected in the calculation, measurement using the above approximate mass ratio of carbon is performed. The calculated value of the mass flow rate of carbon is slightly larger than the true value of the mass flow rate of carbon actually flowing at that time (this is referred to as Mc-true; the same applies hereinafter).
[0045]
As to the error assumed when the calculation ignoring the two hydrogens present at both ends of the saturated hydrocarbon chain as described above, the molecular weight n of the general formula: C _n H _{2n + 2} is described in more detail. Is the smallest (when n = 1), that is, in the case of methane, the mass of the disregarded two hydrogens occupies the largest proportion, so that the error caused by this is the largest. That is, in the case of this methane (CH ₄ ), the total molar molecular mass is 16, and the actual molar molecular mass of carbon contained therein is 12, which corresponds to the true value Mc-true. Since two hydrogens are ignored in the above calculation, Mc = 16 × (12/14) = 13.71. Therefore, the error at this time is 13.71−12 = 1.71, and + An error of 1.71 (approximately + 14.2%) occurs in the direction. Such errors tend to become smaller (smaller) as the value of n increases. Therefore, as the simplest method for eliminating or improving such an error, when a saturated hydrocarbon of a small n such as methane or ethane is used as a raw material gas, an appropriate value for the value of the n is used. May be determined in advance to correct or calibrate the value of the calculation result.
[0046]
FIG. 3 schematically shows a schematic configuration of a calculation block for controlling the steam mass flow rate.
[0047]
The thermal flow sensor 4 measures the mass flow Mall of the entire source gas. Regarding the mass flow rate Mall measured at this time, an error due to the accuracy (or uncertainty) related to the thermal flow sensor 4 is dominant, and errors due to other factors are theoretically sufficiently negligible. It goes without saying that it can be small.
[0048]
In the control calculation unit 11, the calculation block 111 calculates the mass of carbon by the above calculation formula; Mc = Mall × 12/14 (= about 0.857Mall) based on the mass flow rate Mall measured by the thermal flow sensor 4. The flow rate value Mc is calculated, and the hydrogen mass flow rate value MH (MH = Mall-Mc) which is complementary to the flow rate value Mc is calculated.
[0049]
Subsequently, the calculation block 112 calculates the control value MH2O of the steam mass flow rate based on the calculation value Mc of the carbon mass flow rate, and converts the hydrogen into the reformer based on the hydrogen mass flow rate value MH 2. An electric power amount Win that is assumed to be output when it is assumed that the electric power is supplied to the fuel cell power generator 13 via the power supply 10 is calculated. Then, the steam flow controller 8 is controlled such that the actual mass flow rate of the steam becomes the control value MH2O of the calculated steam mass flow rate.
[0050]
The control operation unit 11 calculates the value Mc of the mass flow rate of carbon contained in the source gas as described above, and, based on the value Mc of the mass flow rate of carbon, corresponds to the source gas at that time. A control signal for adjusting the valve opening of the steam flow rate control valve 7 so as to obtain the steam flow rate so as to be able to perform the most efficient steam reforming, It is sent to the steam flow controller 8.
[0051]
The fuel cell power generator 13 is a device for performing general fuel cell power generation. The hydrogen generated by the reformer 10 with high efficiency using the steam and the raw material gas whose S / C has been optimized by the function of the control unit 100 centered on the control operation unit 11 Supplied to.
[0052]
At this time, no matter how high the power generation efficiency of the fuel cell power generation device 13 is, if the efficiency in the hydrogen generation process at the preceding stage is low, the energy efficiency (thermal efficiency) of the entire fuel cell power generation system will not be low. However, in the fuel cell power generation system using the hydrogen generator according to the present embodiment, the mass flow rate of steam is appropriately controlled in real time according to the flow rate and composition of the raw material gas as described above. By constantly adjusting the S / C value in the steam reforming process, the steam reforming process can be made highly efficient. As a result, the energy efficiency of the entire system can be made high. it can.
[0053]
In addition, in the case of the prior art in which the gas composition is analyzed using a gas analyzer represented by gas chromatography, the process of analyzing the composition of the source gas is extremely complicated and time-consuming. Although it was extremely difficult to control the flow rate of steam and the flow rate of the raw material gas in real time using the results obtained in the analysis in real time, the fuel cell power generation using the hydrogen generator according to the present embodiment was difficult. In the system, it is possible to obtain the calculation result of the carbon flow rate in the raw material gas in a very simple and short time. Alternatively, the flow rate of the raw material gas can always be accurately controlled in real time.
[0054]
Next, the operation of the hydrogen production apparatus incorporated in the fuel cell power generation system will be described.
[0055]
As a state quantity representing the power generation state of the fuel cell power generator 13, the current or the power output from the fuel cell power generator 13 is measured, and based on the measured value or the target value of the power generation, the control calculation unit 11 calculates By controlling the regulator 3 to adjust the valve opening of the raw material gas flow control valve 2, first, the flow rate of the raw material gas is controlled to an optimum value.
[0056]
Then, the thermal flow sensor 4 measures the mass flow rate Mall of the source gas.
[0057]
Subsequently, the control calculation unit 11 calculates a value Mc of the mass flow rate of carbon contained in the source gas based on the value Mall of the mass flow rate of the source gas measured by the thermal flow sensor 4. The contents of the operation at this time are as described above. Then, the control calculation unit 11 calculates an optimum steam flow rate corresponding to the value Mc of the mass flow rate of carbon contained in the raw material gas. As the calculation method, for example, generally in the steam reforming, the hydrocarbon _C n _{H m,} water vapor _H 2 O, hydrogen _{H 2,} when carbon monoxide and _{_{_{CO, C n H m + nH}}} 2 O = nCO + ( m / 2 + n) H ₂ , stoichiometrically n steam is required for n carbons contained in the source gas. However, this steam reforming reaction requires an excess of steam depending on the stoichiometric ratio in order to prevent carbon deposition and allow the catalyst to function normally. The optimum value of the ratio of water vapor to carbon in the raw material gas (so-called S / C ratio) varies depending on the catalyst, reaction temperature, properties of the raw material gas, and the like. For example, the case where the S / C ratio is 3.0 is exemplified. And Here, since the molar molecular weight of carbon is 12 and the molar molecular weight of water vapor is 18, the amount of water vapor having a mass of 18 is three times that of the mass 12 of carbon contained in the source gas (that is, the amount of water vapor having a mass flow rate of 54 is ) Will be needed. That is, the optimum value of the ratio of the mass flow rate of carbon contained in the source gas to the mass flow rate of water vapor is 2: 9. Therefore, the control calculation unit 11 controls the mass flow rate of the steam so as to have such a ratio of the mass flow rates.
[0058]
In the reformer 10, the raw material gas is subjected to steam reforming by using the raw material gas and the steam supplied at the optimum S / C ratio thus controlled, and is taken out as a so-called hydrogen-rich gas. Then, hydrogen gas from which interfering components or impurities have been removed by performing CO conversion, CO selective oxidation, hydrogen purification, or the like is supplied to the fuel cell power generator 13 as necessary. The fuel cell power generator 13 performs fuel cell power generation using the supplied hydrogen gas.
[0059]
In addition, as a kind of the raw material gas, in addition to the above-mentioned chain saturated hydrocarbon, an isomer or a partially substituted product of the saturated hydrocarbon, an unsaturated hydrocarbon, or the like is also possible. In this case, however, the control calculation unit 11 corrects the value of Mc obtained by the above calculation in accordance with the composition and structure of the source gas to be measured (controlled) at that time, as described above. It is necessary to correct or calibrate by a method other than the method described above.
[0060]
Alternatively, in the case of a source gas of a type that causes an error or uncertainty that cannot be overcome even if such correction is performed, the above calculation is not suitable for a chain saturated hydrocarbon, and the source gas to be measured is not used. It is needless to say that it may be necessary to perform another operation suitable for the type of the above. However, even in such a case, the calculation and control based on the mass flow rate Mc of carbon C contained in the source gas are performed basically in the same manner as in the above calculation, so that the composition of the source gas and the According to the flow rate, the flow rate of the steam or the flow rate of the raw material gas can always be accurately controlled in real time.
[0061]
For example, the raw material gas is in the case of acyclic acetylenic (alkyne system) hydrocarbons, the structure formula: because represented by C n _H _2n-2, the "-2" of hydrogen as described above When calculating the mass flow rate of carbon by ignoring and simplifying the calculation, contrary to the above, a mass flow rate smaller than the true value is calculated, and such an error occurs. It is desirable to perform correction or calibration corresponding to the tendency.
[0062]
Further, in the present embodiment, the hydrogen production apparatus or the hydrogen production plant control apparatus or the hydrogen production method according to the present invention reacts the raw material gas with water vapor to produce hydrogen from the raw material gas and converts it to hydrogen and oxygen. The case where the fuel cell is set to be supplied to a fuel cell that generates electric power by reacting and used as a part of a fuel cell power generation system has been described. It is also possible to produce hydrogen from gas and supply it to a plant for synthesizing a predetermined chemical substance, so that it can be used as a part of a chemical substance synthesis system.
[0063]
Alternatively, it is needless to say that the supply destination of hydrogen is not specified, and the raw material gas may be used as a part of a steam reforming system for producing hydrogen from the raw material gas by reacting the raw gas with the steam.
[0064]
【The invention's effect】
As described above, the hydrogen production plant control device according to any one of claims 1 to 7, the hydrogen production device according to any one of claims 8 to 14, or the hydrogen production device according to any one of claims 15 to 23 According to the manufacturing method, the mass flow rate of the raw material gas is measured, the mass flow rate of the raw material gas is calculated based on the measured value of the mass flow rate or the value obtained by correcting the mass flow rate, and the mass of the water vapor is calculated based on the value. Since the flow rate is controlled, it is possible to always optimize the S / C value even if an unexpected change occurs in the flow rate or composition of the raw material gas. Thus, the flow rates of steam and raw material gas can be controlled accurately and in real time. Moreover, the configuration of a device or a plant that performs such control can be made small, simple, and inexpensive.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell power generation system in which a hydrogen production apparatus according to one embodiment of the present invention is incorporated.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a thermal flow sensor suitably used in the hydrogen production apparatus according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a schematic configuration of a calculation block that controls a steam mass flow rate.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Source gas supply line, 2 ... Source gas flow control valve, 3 ... Source gas flow controller, 4 ... Thermal flow sensor, 5 ... Desulfurizer, 6 ... Steam supply line, 7 ... Steam flow control valve, 8 ... Steam Flow controller, 10 reformer, 11 control operation unit, 12 steam flow meter, 13 fuel cell power generator, 100 control unit

Claims

A hydrogen production plant control device for controlling a servo system for controlling a mass flow rate of the steam in a hydrogen production plant for producing hydrogen from the source gas by reacting a source gas mainly containing hydrocarbons with steam. And
A mass flow meter for measuring the mass flow rate of the source gas,
Based on the mass flow rate measured by the mass flow meter, calculate the mass flow rate of carbon contained in the source gas, and control the flow rate of the water vapor based on the calculated mass flow rate of carbon content. And a control operation means for outputting a signal for performing the operation to the servo system.

2. The thermal flow sensor according to claim 1, wherein the mass flow meter is a thermal flow sensor that detects a change in the amount of heat generated in accordance with the mass flow rate of the raw material gas and outputs a signal corresponding to the value of the change in the amount of heat. Control unit for hydrogen production plant.

3. The hydrogen production plant control device according to claim 1, wherein the control operation unit controls the flow rate of the steam based on a mass flow rate of carbon contained in the raw material gas.

The control arithmetic unit is configured to calculate the mass of carbon contained in the source gas based on a mass flow rate measured by the mass flow meter and a mass ratio of carbon assumed to be included in the source gas. The hydrogen production plant control device according to any one of claims 1 to 3, wherein a flow rate is calculated, and a mass flow rate of the steam is controlled based on the calculated flow rate.

The hydrogen production plant is configured to react the raw material gas with water vapor to produce hydrogen from the raw material gas, and supply it to a fuel cell that performs power generation by reacting hydrogen with oxygen. The hydrogen production plant control device according to any one of claims 1 to 4, wherein the control device is used as a part of a fuel cell power generation system.

The hydrogen production plant is configured to be used as a part of a steam reforming system for producing hydrogen from the source gas by reacting the source gas with steam. 5. The control apparatus for a hydrogen production plant according to any one of the items 5.

The hydrogen production plant is configured to react the raw material gas with steam to produce hydrogen from the raw material gas and supply it to a plant that synthesizes a predetermined chemical substance. The hydrogen production plant control device according to any one of claims 1 to 4, wherein the hydrogen production plant control device is set to be used as a part.

A hydrogen production apparatus comprising a steam reformer for producing hydrogen from the raw material gas by reacting the raw material gas containing hydrogen with water vapor,
A mass flow meter for measuring the mass flow rate of the source gas,
Based on the mass flow rate measured by the mass flow meter, calculate the mass flow rate of carbon contained in the raw material gas, and control the flow rate of the steam supplied to the steam reformer based on the calculated value. A hydrogen production apparatus comprising a control unit.

9. The thermal flow sensor according to claim 8, wherein the mass flow meter is a thermal flow sensor that detects a change in the amount of heat generated according to the mass flow rate of the raw material gas and outputs a signal corresponding to the value of the change in the amount of heat. Hydrogen production equipment.

The raw material gas is a gas of a saturated hydrocarbon isomer or partially substituted or unsaturated hydrocarbon,
10. The hydrogen according to claim 8, wherein the control unit corrects a calculated value of the mass flow rate in accordance with a mass flow rate of hydrogen obtained by reforming the raw material gas with the steam. manufacturing device.

The control means, based on the mass flow rate measured by the mass flow meter and the mass ratio of carbon assumed to be contained in the source gas, the mass flow rate of carbon contained in the source gas The hydrogen production apparatus according to claim 14, wherein the hydrogen flow rate is calculated, and the mass flow rate of the water vapor is controlled based on the calculated value.

A part of a fuel cell power generation system configured to react the raw material gas with water vapor to produce hydrogen from the raw material gas and supply it to a fuel cell that generates power by reacting hydrogen with oxygen. The hydrogen production apparatus according to any one of claims 8 to 11, wherein the hydrogen production apparatus is used as:

The method according to any one of claims 8 to 11, wherein the raw material gas is set to be used as a part of a steam reforming system for producing hydrogen from the raw material gas by reacting the raw material gas with water vapor. The hydrogen production apparatus according to the above.

The source gas is reacted with water vapor to produce hydrogen from the source gas, and is set to be supplied to a plant that synthesizes a predetermined chemical substance, and is used as a part of a chemical substance synthesis system. The hydrogen production apparatus according to any one of claims 8 to 11, characterized in that:

A hydrogen production method for producing hydrogen from the source gas by reacting a source gas containing hydrogen with steam,
A process of measuring the mass flow rate of the source gas,
A control process of calculating a mass flow rate of carbon contained in the raw material gas based on the measured mass flow rate, and controlling a flow rate of the steam based on the calculated value. Production method.

The process of measuring the mass flow rate is performed using a thermal flow sensor that detects a change in the amount of heat generated in accordance with the mass flow rate of the source gas and outputs a signal corresponding to the value of the change in the amount of heat. The method for producing hydrogen according to claim 15, wherein:

17. The hydrogen production method according to claim 15, wherein the control process is to follow and control the flow rate of the steam based on a mass flow rate of carbon contained in the raw material gas.

The method according to any one of claims 15 to 17, wherein the raw material gas is a saturated hydrocarbon.

The hydrogen production method according to any one of claims 15 to 17, wherein the raw material gas is a gas of an isomer or a partially substituted product of a saturated hydrocarbon or an unsaturated hydrocarbon.

The control process is based on the mass flow rate measured by the mass flow meter and the mass ratio of carbon assumed to be included in the source gas, based on the mass flow rate of carbon contained in the source gas. 17. The method for producing hydrogen according to claim 15, wherein the flow rate of the steam is controlled based on the calculated value.

The control process is used as a part of a process for controlling a fuel cell power generation system that generates power from the source gas by reacting the source gas with water vapor to produce hydrogen from the source gas and reacting it with hydrogen and oxygen. The method for producing hydrogen according to any one of claims 15 to 20, wherein:

21. The method according to claim 15, wherein the control process is used as a part of a control process of a steam reforming system for producing hydrogen from the raw material gas by reacting the raw material gas with water vapor. The method for producing hydrogen according to item 1 above.

The control process may be used as a part of a control process of a chemical substance synthesis system for producing hydrogen from the raw material gas by reacting the raw material gas with water vapor and synthesizing a predetermined chemical substance. The method for producing hydrogen according to any one of claims 15 to 20, wherein