WO2020241148A1

WO2020241148A1 - 改質システム

Info

Publication number: WO2020241148A1
Application number: PCT/JP2020/017920
Authority: WO
Inventors: 中谷規之介; 松本祥平; 水野峻史
Original assignee: 株式会社豊田自動織機
Priority date: 2019-05-24
Filing date: 2020-04-27
Publication date: 2020-12-03
Also published as: JP2020193112A

Abstract

改質システム（１）は、改質器（５）に供給される燃料ガスの流量を制御する第1流量制御部（１１）と、改質器（５）に供給される空気の流量を制御する第２流量制御部（１２）と、燃料ガスの流量を検出する第1検出部（１３，３１）と、空気の流量を検出する第２検出部（１４，３２）と、第１流量制御部（１１）及び第２流量制御部（１２）を制御する制御ユニット（１７）とを備え、制御ユニット（１７）は、燃料ガス流量実測値及び空気流量実測値に基づいて、燃料ガス流量実測値に対する空気流量実測値の比率である実測値空燃比を求め、実測値空燃比が予め決められた実測値用閾値よりも大きいときに、改質器（５）に供給される空気の流量を減少させるように第２流量制御部（１２）を制御する第１制御処理部（２１，２１Ａ）を有する。

Description

改質システム

　本発明は、改質システムに関する。

　従来の改質システムとしては、例えば特許文献１に記載されている技術が知られている。特許文献１に記載の改質システムは、アンモニアを水素と窒素とに改質する触媒を有し、改質ガスを発生する改質器と、液体状態のアンモニアを貯留する貯留タンクと、液体状態のアンモニアを気化させる熱交換器と、貯留タンクに貯留されたアンモニアを改質器に供給するアンモニアポンプと、貯留タンクとアンモニアポンプとの間に配置された弁と、エアーを改質器に供給するエアーポンプと、アンモニアポンプ、弁及びエアーポンプを制御することにより、改質器へのアンモニアとエアーとの供給量比を制御する制御装置とを備えている。

特開２０１１－１４６１７４号公報

　しかしながら、上記従来技術においては、改質システムの運転時に、アンモニアの流量に対してエアーの流量が過剰になると、エアーに含まれる酸素成分によって改質器の触媒が酸化しやすくなる。触媒の異常酸化が起こると、触媒の性能が劣化してしまう。

　本発明の目的は、改質器の触媒の異常酸化による触媒の性能劣化を防止することができる改質システムを提供することである。

　本発明の一態様に係る改質システムは、燃料ガスを水素に分解する触媒を有し、燃料ガスを改質して水素を含有した改質ガスを生成する改質器と、改質器に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、改質器に供給される空気が流れる空気流路と、燃料ガス流路を流れる燃料ガスの流量を制御する第１流量制御部と、空気流路を流れる空気の流量を制御する第２流量制御部と、燃料ガス流路を流れる燃料ガスの流量を検出する第１検出部と、空気流路を流れる空気の流量を検出する第２検出部と、第１流量制御部及び第２流量制御部を制御する制御ユニットとを備え、制御ユニットは、第１検出部により検出された燃料ガスの流量実測値及び第２検出部により検出された空気の流量実測値に基づいて、燃料ガスの流量実測値に対する空気の流量実測値の比率である実測値空燃比を求め、実測値空燃比が予め決められた実測値用閾値よりも大きいときに、改質器に供給される空気の流量を減少させるように第２流量制御部を制御する第１制御処理部を有する。

　このような改質システムにおいては、改質器に供給される燃料ガスの流量が燃料ガスの流量実測値として第１検出部により検出されると共に、改質器に供給される空気の流量が空気の流量実測値として第２検出部により検出される。そして、燃料ガスの流量実測値及び空気の流量実測値に基づいて、燃料ガスの流量実測値に対する空気の流量実測値の比率である実測値空燃比が求められる。そして、実測値空燃比が実測値用閾値よりも大きいときに、改質器に供給される空気の流量が減少するように第２流量制御部が制御される。このため、空気が燃料ガスに対して過剰に改質器に供給されることが防止される。従って、空気に含まれる酸素成分による改質器の触媒の異常酸化が防止される。これにより、改質器の触媒の異常酸化による触媒の性能劣化が防止される。

　改質システムは、改質器に供給される燃料ガス及び空気の流量を設定入力する入力部を更に備え、制御ユニットは、入力部により設定入力された燃料ガス及び空気の流量設定値に基づいて、燃料ガスの流量設定値に対する空気の流量設定値の比率である設定値空燃比を求め、設定値空燃比が予め決められた設定値用閾値よりも大きいときに、改質器への燃料ガス及び空気の供給が開始されていない場合は、改質器への燃料ガス及び空気の供給を禁止し、改質器への燃料ガス及び空気の供給が開始されている場合は、改質器に供給される空気の流量を減少させるように第２流量制御部を制御する第２制御処理部を有してもよい。

　このような構成では、改質システムの運転開始時に、燃料ガスの流量設定値に対する空気の流量設定値の比率である設定値空燃比が設定値用閾値よりも大きいときは、改質器への燃料ガス及び空気の供給が禁止されるので、改質器の触媒の異常酸化が未然に防止される。また、改質システムの運転開始後に、入力部により燃料ガス及び空気の流量が設定入力されることで、設定値空燃比が設定値用閾値よりも大きくなったときは、改質器に供給される空気の流量が減少するように第２流量制御部が制御されるので、改質器の触媒の異常酸化が防止される。従って、入力部による燃料ガスまたは空気の流量の設定入力ミスがあっても、空気が燃料ガスに対して過剰に改質器に供給されることが防止される。

　改質システムは、改質器に供給される燃料ガス及び空気の流量を設定入力する入力部を更に備え、制御ユニットは、第１検出部により検出された燃料ガスの流量実測値と入力部により設定入力された燃料ガスの流量設定値との差分を求め、燃料ガスの流量実測値と燃料ガスの流量設定値との差分が予め決められた燃料ガス用閾値よりも大きいときに、改質器に供給される空気の流量を減少させるように第２流量制御部を制御すると共に、第２検出部により検出された空気の流量実測値と入力部により設定入力された空気の流量設定値との差分を求め、空気の流量実測値と空気の流量設定値との差分が予め決められた空気用閾値よりも大きいときに、改質器に供給される空気の流量を減少させるように第２流量制御部を制御する第３制御処理部を有してもよい。

　このような構成では、燃料ガスの流量実測値と燃料ガスの流量設定値との差分が燃料ガス用閾値よりも大きいときに、改質器に供給される空気の流量が減少するように第２流量制御部が制御されると共に、空気の流量実測値と空気の流量設定値との差分が空気用閾値よりも大きいときに、改質器に供給される空気の流量が減少するように第２流量制御部が制御される。従って、第１流量制御部及び第２流量制御部の故障等が発生しても、空気が燃料ガスに対して過剰に改質器に供給されることが防止される。

　第１検出部は、燃料ガス流路を流れる燃料ガスの流量を計測する流量計であり、第２検出部は、空気流路を流れる空気の流量を計測する流量計であってもよい。

　このような構成では、改質器に供給される燃料ガス及び空気の流量が流量計により直接検出される。従って、制御ユニットによる計算処理を簡素化することができる。

　第１検出部は、燃料ガス流路を流れる燃料ガスの流量に相当する燃料ガス流路の圧力を計測する圧力計であり、第２検出部は、空気流路を流れる空気の流量に相当する空気流路の圧力を計測する圧力計であってもよい。

　このような構成では、改質器に供給される燃料ガス及び空気の流量が圧力計により間接的に検出されることとなる。圧力計は、流量計に比べて小型である。従って、第１検出部及び第２検出部をスペース効率良く搭載することができる。また、圧力計は、流量計に比べて安価で済む。

　制御ユニットは、改質器に供給される空気の流量を減少させるように第２流量制御部を制御する際には、改質器への空気の供給を停止させるように第２流量制御部を制御してもよい。

　このような構成では、改質システムの運転中に、空気が燃料ガスに対して過剰に改質器に供給される可能性がある場合には、改質器への空気の供給が停止するように第２流量制御部が制御される。従って、改質器の触媒の異常酸化が確実に防止される。

　本発明によれば、改質器の触媒の異常酸化による触媒の性能劣化を防止することができる。

本発明の第１実施形態に係る改質システムを示す概略構成図である。図１に示された起動制御処理部により実行される起動制御処理の手順の詳細を示すフローチャートである。図１に示された第１空気制御処理部により実行される空気制御処理の手順の詳細を示すフローチャートである。図１に示された第２空気制御処理部により実行される空気制御処理の手順の詳細を示すフローチャートである。図１に示された第３空気制御処理部により実行される空気制御処理の手順の詳細を示すフローチャートである。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、改質器に供給されるアンモニアガス及び空気の流量と空燃比（ＡＦＲ）との時間変化の一例を示すグラフである。本発明の第２実施形態に係る改質システムを示す概略構成図である。図７に示された第１空気制御処理部により実行される空気制御処理の手順の詳細を示すフローチャートである。図７に示された第３空気制御処理部により実行される空気制御処理の手順の詳細を示すフローチャートである。

　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一または同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

　図１は、本発明の第１実施形態に係る改質システムを示す概略構成図である。図１において、本実施形態の改質システム１は、アンモニアタンク２と、気化器３と、空気供給部４と、改質器５とを備えている。

　アンモニアタンク２は、燃料であるアンモニア（ＮＨ_３）を液体状態で貯蔵するタンクである。気化器３は、アンモニア流路６を介してアンモニアタンク２と接続されている。気化器３は、ポンプ（図示せず）によりアンモニアタンク２から導出された液体状態のアンモニアを気化させて、アンモニアガス（燃料ガス）を生成する。空気供給部４は、空気を改質器５に供給する。空気供給部４としては、例えば送風機等が用いられる。

　改質器５は、気化器３により生成されたアンモニアガスを改質して、水素を含有した改質ガスを生成する。改質器５は、電気ヒータ７と、燃焼改質触媒８とを有している。電気ヒータ７は、燃焼改質触媒８の上流側に配置されている。

　電気ヒータ７は、改質器５に供給されるアンモニアガス及び空気を加熱することにより、燃焼改質触媒８を加熱する。このとき、燃焼改質触媒８は、電気ヒータ７により暖められたアンモニアガス及び空気の熱により加熱される。

　燃焼改質触媒８は、アンモニアガスを燃焼させる燃焼触媒機能と、アンモニアガスを水素に分解する改質触媒機能とを有している。燃焼改質触媒８としては、例えばルテニウム、ロジウムまたは白金等が用いられる。

　改質器５は、アンモニアガス流路９を介して気化器３と接続されていると共に、空気流路１０を介して空気供給部４と接続されている。アンモニアガス流路９は、改質器５に供給されるアンモニアガスが流れる燃料ガス流路である。空気流路１０は、改質器５に供給される空気が流れる流路である。

　アンモニアガス流路９には、電磁式のアンモニア流量制御弁１１が配設されている。アンモニア流量制御弁１１は、アンモニアガス流路９を流れるアンモニアガスの流量を制御する第１流量制御部を構成している。

　空気流路１０は、アンモニアガス流路９におけるアンモニア流量制御弁１１と改質器５との間の部分に接続されている。空気流路１０には、電磁式の空気流量制御弁１２が配設されている。空気流量制御弁１２は、空気流路１０を流れる空気の流量を制御する第２流量制御部を構成している。

　アンモニアガス流路９におけるアンモニア流量制御弁１１と改質器５との間には、アンモニア流量計１３が配設されている。アンモニア流量計１３は、アンモニアガス流路９を流れるアンモニアガスの流量を計測するセンサである。アンモニア流量計１３は、アンモニアガス流路９を流れるアンモニアガスの流量を検出する第１検出部を構成している。

　空気流路１０における空気流量制御弁１２と改質器５との間には、空気流量計１４が配設されている。空気流量計１４は、空気流路１０を流れる空気の流量を計測するセンサである。空気流量計１４は、空気流路１０を流れる空気の流量を検出する第２検出部を構成している。

　改質器５には、改質ガス流路１５を介して水素利用装置１６が接続されている。改質ガス流路１５は、改質器５により生成された改質ガスが流れる流路である。水素利用装置１６は、改質ガスに含有された水素を利用する装置である。水素利用装置１６としては、例えば水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う燃料電池、アンモニアを燃料としたアンモニアエンジンまたはアンモニアガスタービン等が挙げられる。

　また、改質システム１は、制御ユニット１７を備えている。制御ユニット１７には、入力器１８と表示器１９とが接続されている。

　入力器１８は、オペレータが改質システム１の運転に関するデータの設定入力を行うための機器である。改質システム１の運転に関するデータとしては、改質器５に供給されるアンモニアガス及び空気の流量等が挙げられる。入力器１８は、改質器５に供給されるアンモニアガス及び空気の流量を設定入力する入力部を構成している。

　表示器１９は、空気がアンモニアガスに対して過剰に改質器５に供給される可能性がある場合に、その旨の表示を行うための機器である。表示器１９は、画面表示またはランプ表示を行う。表示器１９は、表示を行うと同時に警告音を発してもよい。

　制御ユニット１７は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及び入出力インターフェース等により構成されている。制御ユニット１７は、入力器１８により設定入力されたデータ、アンモニア流量計１３及び空気流量計１４の計測値を取得し、所定の処理を行い、電気ヒータ７、アンモニア流量制御弁１１、空気流量制御弁１２及び表示器１９を制御する。

　制御ユニット１７は、起動制御処理部２０と、第１空気制御処理部２１（第１制御処理部）と、第２空気制御処理部２２（第２制御処理部）と、第３空気制御処理部２３（第３制御処理部）とを有している。

　起動制御処理部２０は、改質システム１の運転開始が指示されたときに、改質システム１を起動させるように電気ヒータ７、アンモニア流量制御弁１１及び空気流量制御弁１２を制御する。

　第１空気制御処理部２１は、アンモニア流量計１３により検出されたアンモニアガスの流量実測値及び空気流量計１４により検出された空気の流量実測値に基づいて実測値空燃比を求め、その実測値空燃比が予め決められた実測値用閾値よりも大きいときに、改質器５への空気の供給を停止させるように空気流量制御弁１２を制御する。

　第２空気制御処理部２２は、入力器１８により設定入力されたアンモニアガス及び空気の流量設定値に基づいて設定値空燃比を求め、その設定値空燃比と予め決められた設定値用閾値とを比較し、その比較結果に応じて空気流量制御弁１２を制御する。

　このとき、第２空気制御処理部２２は、設定値空燃比が設定値用閾値よりも大きいときに、改質器５へのアンモニアガス及び空気の供給が開始されていない場合は、改質器５へのアンモニアガス及び空気の供給を禁止し、改質器５へのアンモニアガス及び空気の供給が開始されている場合は、改質器５への空気の供給を停止させるように空気流量制御弁１２を制御する。

　第３空気制御処理部２３は、アンモニア流量計１３により検出されたアンモニアガスの流量実測値と入力器１８により設定入力されたアンモニアガスの流量設定値との差分を求め、その差分が予め決められたアンモニアガス用流量閾値よりも大きいときに、改質器５への空気の供給を停止させるように空気流量制御弁１２を制御する。また、第３空気制御処理部２３は、空気流量計１４により検出された空気の流量実測値と入力器１８により設定入力された空気の流量設定値との差分を求め、その差分が予め決められた空気用流量閾値よりも大きいときに、改質器５への空気の供給を停止させるように空気流量制御弁１２を制御する。

　図２は、起動制御処理部２０により実行される起動制御処理の手順の詳細を示すフローチャートである。本処理は、始動スイッチ（図示せず）等により改質システム１の運転開始が指示されると実行される。また、本処理の実行前は、アンモニア流量制御弁１１及び空気流量制御弁１２は、何れも全閉状態となっている。

　図２において、起動制御処理部２０は、まず電気ヒータ７をＯＮにする（手順Ｓ１０１）。続いて、起動制御処理部２０は、入力器１８により設定入力されたアンモニアガスの流量設定値（アンモニア流量設定値）及び空気の流量設定値（空気流量設定値）を取得する（手順Ｓ１０２）。

　続いて、起動制御処理部２０は、アンモニア流量設定値に応じてアンモニア流量制御弁１１を開くように制御すると共に、空気流量設定値に応じて空気流量制御弁１２を開くように制御する（手順Ｓ１０３）。具体的には、起動制御処理部２０は、アンモニア流量制御弁１１をアンモニア流量設定値に応じた開度で開くように制御すると共に、空気流量制御弁１２を空気流量設定値に応じた開度で開くように制御する。

　続いて、起動制御処理部２０は、アンモニア流量制御弁１１及び空気流量制御弁１２を開くように制御してから所定時間が経過したかどうかを判断する（手順Ｓ１０４）。起動制御処理部２０は、所定時間が経過したと判断したときは、電気ヒータ７をＯＦＦにする（手順Ｓ１０５）。

　なお、起動制御処理部２０による起動制御処理としては、特に上記の手順には限られず、適宜変更可能である。例えば、起動制御処理部２０は、まずアンモニア流量制御弁１１のみを開くように制御し、その後で空気流量制御弁１２を開くように制御してもよい。この場合には、燃焼改質触媒８は、電気ヒータ７により暖められたアンモニアガスの熱により加熱されることになる。また、起動制御処理部２０は、燃焼改質触媒８の温度が所定温度以上になった時点で、電気ヒータ７をＯＦＦにしてもよい。

　図３は、第１空気制御処理部２１により実行される空気制御処理の手順の詳細を示すフローチャートである。本処理も、起動制御処理部２０と同様に、改質システム１の運転開始が指示されると実行される。また、閉フラグ（後述）は、０にセットされている。

　図３において、第１空気制御処理部２１は、まずアンモニア流量計１３により計測されたアンモニアガスの流量実測値（アンモニア流量実測値）及び空気流量計１４により計測された空気の流量実測値（空気流量実測値）を取得する（手順Ｓ１１１）。

　続いて、第１空気制御処理部２１は、アンモニア流量実測値及び空気流量実測値に基づいて実測値空燃比（実測値ＡＦＲ）を計算する（手順Ｓ１１２）。実測値ＡＦＲは、アンモニア流量実測値に対する空気流量実測値の比率（空気流量実測値／アンモニア流量実測値）である。

　続いて、第１空気制御処理部２１は、実測値ＡＦＲが予め決められた実測値用閾値よりも大きいかどうかを判断する（手順Ｓ１１３）。第１空気制御処理部２１は、実測値ＡＦＲが実測値用閾値よりも大きいと判断したときは、空気流量制御弁１２を閉じるように制御する（手順Ｓ１１４）。このとき、第１空気制御処理部２１は、改質器５への空気の供給を停止させるように空気流量制御弁１２を全閉状態に制御する。

　そして、第１空気制御処理部２１は、改質器５への空気の供給が停止した状態である旨の表示を行うように表示器１９を制御する（手順Ｓ１１５）。これにより、オペレータは、表示器１９によって改質器５への空気の供給が停止した状態であることが分かる。そして、第１空気制御処理部２１は、閉フラグを１にセットし（手順Ｓ１１６）、上記の手順Ｓ１１１を再度実行する。

　第１空気制御処理部２１は、手順Ｓ１１３において実測値ＡＦＲが実測値用閾値以下であると判断したときは、閉フラグが０であるかどうかを判断する（手順Ｓ１１７）。第１空気制御処理部２１は、閉フラグが０であると判断したときは、上記の手順Ｓ１１４～Ｓ１１６を実行することなく、上記の手順Ｓ１１１を再度実行する。

　第１空気制御処理部２１は、閉フラグが１であると判断したときは、入力器１８により設定入力された空気流量設定値を取得する（手順Ｓ１１８）。そして、第１空気制御処理部２１は、空気流量設定値に応じて空気流量制御弁１２を開くように制御する（手順Ｓ１１９）。

　そして、第１空気制御処理部２１は、表示器１９の表示及び閉フラグをリセットし（手順Ｓ１２０）、上記の手順Ｓ１１１を再度実行する。具体的には、第１空気制御処理部２１は、改質器５への空気の供給が停止した状態である旨の表示を解除するように表示器１９を制御すると共に、閉フラグを０にセットする。

　図４は、第２空気制御処理部２２により実行される空気制御処理の手順の詳細を示すフローチャートである。本処理も、起動制御処理部２０と同様に、改質システム１の運転開始が指示されると実行される。また、閉フラグ（後述）は、０にセットされている。

　図４において、第２空気制御処理部２２は、まず入力器１８により設定入力されたアンモニア流量設定値及び空気流量設定値を取得する（手順Ｓ１２１）。続いて、第２空気制御処理部２２は、アンモニア流量設定値及び空気流量設定値に基づいて設定値空燃比（設定値ＡＦＲ）を計算する（手順Ｓ１２２）。設定値ＡＦＲは、アンモニア流量設定値に対する空気流量設定値の比率（空気流量設定値／アンモニア流量設定値）である。

　続いて、第２空気制御処理部２２は、設定値ＡＦＲが予め決められた設定値用閾値よりも大きいかどうかを判断する（手順Ｓ１２３）。第２空気制御処理部２２は、設定値ＡＦＲが設定値用閾値よりも大きいと判断したときは、改質システム１が運転中であるかどうかを判断する（手順Ｓ１２４）。改質システム１が運転中である状態は、改質器５へのアンモニアガス及び空気の供給が開始された状態である。

　第２空気制御処理部２２は、改質システム１が運転中ではなく運転前であると判断したとき、つまり改質器５へのアンモニアガス及び空気の供給が開始されていないと判断したときは、改質器５へのアンモニアガス及び空気の供給を禁止することで改質システム１の運転を禁止する旨の警告表示を行うように表示器１９を制御する（手順Ｓ１２５）。これにより、アンモニア流量制御弁１１及び空気流量制御弁１２は、全閉状態に保たれる。また、オペレータは、表示器１９によって改質システム１の運転が禁止された状態であることが分かる。そして、第２空気制御処理部２２は、閉フラグを１にセットし（手順Ｓ１２６）、上記の手順Ｓ１２１を再度実行する。

　第２空気制御処理部２２は、改質システム１が運転中であると判断したとき、つまり改質器５へのアンモニアガス及び空気の供給が開始されたと判断したときは、空気流量制御弁１２を閉じるように制御する（手順Ｓ１２７）。このとき、第２空気制御処理部２２は、改質器５への空気の供給を停止させるように空気流量制御弁１２を全閉状態に制御する。そして、第２空気制御処理部２２は、改質器５への空気の供給が停止した状態である旨の表示を行うように表示器１９を制御する（手順Ｓ１２８）。そして、第２空気制御処理部２２は、閉フラグを１にセットし（手順Ｓ１２９）、上記の手順Ｓ１２１を再度実行する。

　第２空気制御処理部２２は、手順Ｓ１２３において設定値ＡＦＲが設定値用閾値以下であると判断したときは、閉フラグが０であるかどうかを判断する（手順Ｓ１３０）。第２空気制御処理部２２は、閉フラグが０であると判断したときは、上記の手順Ｓ１２４～Ｓ１２９を実行することなく、上記の手順Ｓ１２１を再度実行する。

　第２空気制御処理部２２は、閉フラグが１であると判断したときは、空気流量設定値に応じて空気流量制御弁１２を開くように制御する（手順Ｓ１３１）。そして、第２空気制御処理部２２は、表示器１９の表示及び閉フラグをリセットし（手順Ｓ１３２）、上記の手順Ｓ１２１を再度実行する。具体的には、第２空気制御処理部２２は、改質器５への空気の供給が停止した状態である旨または改質システム１の運転を禁止する旨の表示を解除するように表示器１９を制御すると共に、閉フラグを０にセットする。

　なお、第２空気制御処理部２２による空気制御処理は、改質システム１の運転開始が指示されたときと、改質システム１の運転が開始されてから入力器１８によりアンモニア流量設定値及び空気流量設定値が再設定入力されたときに、実行されてもよい。

　図５は、第３空気制御処理部２３により実行される空気制御処理の手順の詳細を示すフローチャートである。本処理も、起動制御処理部２０と同様に、改質システム１の運転開始が指示されると実行される。

　図５において、第３空気制御処理部２３は、まずアンモニア流量計１３により計測されたアンモニア流量実測値及び空気流量計１４により計測された空気流量実測値を取得する（手順Ｓ１４１）。また、第３空気制御処理部２３は、入力器１８により設定入力されたアンモニア流量設定値及び空気流量設定値を取得する（手順Ｓ１４２）。

　続いて、第３空気制御処理部２３は、アンモニア流量実測値とアンモニア流量設定値との差分（アンモニア流量実測値－アンモニア流量設定値の絶対値）と、空気流量実測値と空気流量設定値との差分（空気流量実測値－空気流量設定値の絶対値）とを計算する（手順Ｓ１４３）。

　そして、第３空気制御処理部２３は、アンモニア流量実測値とアンモニア流量設定値との差分が予め決められたアンモニア用流量閾値（燃料ガス用閾値）よりも大きいかどうかを判断する（手順Ｓ１４４）。

　第３空気制御処理部２３は、アンモニア流量実測値とアンモニア流量設定値との差分がアンモニア用流量閾値よりも大きいと判断したときは、アンモニア流量制御弁１１及び空気流量制御弁１２を閉じるように制御する（手順Ｓ１４５）。このとき、第３空気制御処理部２３は、改質器５へのアンモニアガス及び空気の供給を停止させるようにアンモニア流量制御弁１１及び空気流量制御弁１２を全閉状態に制御する。これにより、改質システム１の運転が強制的に停止されることとなる。なお、本手順では、空気流量制御弁１２のみを閉じるように制御してもよい。

　そして、第３空気制御処理部２３は、改質システム１の運転が停止した状態である旨の表示を行うように表示器１９を制御し（手順Ｓ１４６）、上記の手順Ｓ１４１を再度実行する。

　第３空気制御処理部２３は、手順Ｓ１４４においてアンモニア流量実測値とアンモニア流量設定値との差分がアンモニア用流量閾値以下であると判断したときは、空気流量実測値と空気流量設定値との差分が予め決められた空気用流量閾値（空気用閾値）よりも大きいかどうかを判断する（手順Ｓ１４７）。

　第３空気制御処理部２３は、空気流量実測値と空気流量設定値との差分が空気用流量閾値よりも大きいと判断したときは、上記の手順Ｓ１４５，Ｓ１４６を順次実行し、その後上記の手順Ｓ１４１を再度実行する。

　第３空気制御処理部２３は、空気流量実測値と空気流量設定値との差分が空気用流量閾値以下であると判断したときは、上記の手順Ｓ１４５，Ｓ１４６を実行することなく、上記の手順Ｓ１４１を再度実行する。

　以上において、改質システム１の運転開始が指示されると、改質器５の電気ヒータ７がＯＮになる。そして、入力器１８により設定入力されたアンモニア流量設定値に応じてアンモニア流量制御弁１１が開弁すると共に、入力器１８により設定入力された空気流量設定値に応じて空気流量制御弁１２が開弁する。すると、アンモニアガス及び空気が改質器５に供給される。このとき、電気ヒータ７によりアンモニアガス及び空気が加熱され、暖められたアンモニアガス及び空気の熱によって改質器５の燃焼改質触媒８が加熱され、燃焼改質触媒８の温度が上昇する。

　そして、燃焼改質触媒８の温度が燃焼可能温度（例えば２００℃程度）に達すると、燃焼改質触媒８によってアンモニアガスが酸化されて燃焼熱が発生する。具体的には、下記式のように、一部のアンモニアと空気中の酸素とが化学反応することで、アンモニアが燃焼する燃焼反応が起こる（発熱反応）。
　　　　ＮＨ_３＋３／４Ｏ_２→１／２Ｎ_２＋３／２Ｈ_２Ｏ＋Ｑ

　アンモニアガスの燃焼熱が発生すると、その燃焼熱によって燃焼改質触媒８の温度が更に上昇する。そして、燃焼改質触媒８の温度が改質可能温度（例えば３００℃～４００℃程度）に達すると、燃焼改質触媒８によってアンモニアガスが改質されて改質ガスが生成される。具体的には、下記式のように、燃焼熱によってアンモニアが水素と窒素とに分解される改質反応が起こり、水素がリッチな状態の改質ガスが生成される（吸熱反応）。改質ガスは、水素利用装置１６に供給される。
　　　　ＮＨ_３→３／２Ｈ_２＋１／２Ｎ_２－Ｑ

　ところで、改質システム１の運転時に、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示されるように、アンモニアガスの流量に対して空気の流量が過剰になることで、空燃比（ＡＦＲ）が高くなると、空気に含まれる酸素成分によって燃焼改質触媒８が酸化する。なお、図６（ａ）及び図６（ｂ）では、実線Ｐは、アンモニアガスの流量を示し、破線Ｑは、空気の流量を示し、太実線Ｒは、空燃比（ＡＦＲ）を示している。このとき、図６（ａ）に示されるように、空気自体の流量が過多になることで空燃比が閾値よりも大きくなることもあるし、図６（ｂ）に示されるように、アンモニアガスの流量が過少になることで空燃比が閾値よりも大きくなることもある。燃焼改質触媒８の異常酸化が発生すると、燃焼改質触媒８の性能が低下してしまう。

　しかし、本実施形態にあっては、改質器５に供給されるアンモニアガスの流量がアンモニア流量実測値としてアンモニア流量計１３により検出されると共に、改質器５に供給される空気の流量が空気流量実測値として空気流量計１４により検出される。そして、アンモニア流量実測値及び空気流量実測値に基づいて、アンモニア流量実測値に対する空気流量実測値の比率である実測値空燃比が求められる。そして、実測値空燃比が実測値用閾値よりも大きいときに、改質器５への空気の供給が停止するように空気流量制御弁１２が制御される。このとき、図６（ａ）に示されるように、空気自体の流量が過多になることで実測値空燃比が実測値用閾値よりも大きくなっても、図６（ｂ）に示されるように、アンモニアガスの流量が過少になることで実測値空燃比が実測値用閾値よりも大きくなっても、改質器５への空気の供給が停止する。このため、空気がアンモニアガスに対して過剰に改質器５に供給されることが防止される。従って、空気に含まれる酸素成分による改質器５の燃焼改質触媒８の異常酸化が防止される。これにより、燃焼改質触媒８の異常酸化による燃焼改質触媒８の性能劣化が防止される。

　また、オペレータが入力器１８によりアンモニアガス及び空気の流量を設定入力する際に、アンモニアガスまたは空気の流量の数値が誤って設定入力されると、アンモニア流量制御弁１１または空気流量制御弁１２の開度がずれるため、アンモニア流量実測値または空気流量実測値がずれてしまい、結果的に実測値空燃比が必要以上に高くなることがある。また、入力器１８によるアンモニアガス及び空気の流量の設定入力は、改質システム１の運転開始前だけでなく、改質システム１の運転中にも行われることがある。

　本実施形態では、改質システム１の運転開始時に、アンモニア流量設定値に対する空気流量設定値の比率である設定値空燃比が設定値用閾値よりも大きいときは、改質器５へのアンモニアガス及び空気の供給が禁止されるので、燃焼改質触媒８の異常酸化が未然に防止される。また、改質システム１の運転開始後に、入力器１８によりアンモニアガス及び空気の流量が設定入力されることで、設定値空燃比が設定値用閾値よりも大きくなったときは、改質器５への空気の供給が停止するように空気流量制御弁１２が制御されるので、燃焼改質触媒８の異常酸化が防止される。従って、入力器１８によるアンモニアまたは空気の流量の設定入力ミスがあっても、空気がアンモニアガスに対して過剰に改質器５に供給されることが防止される。

　また、本実施形態では、設定値空燃比が設定値用閾値よりも大きいときは、表示器１９によって改質システム１の運転が禁止された状態または改質器５への空気の供給が停止された状態である旨の表示が行われる。このため、オペレータは、表示器１９を見ることで、入力器１８により設定入力されたアンモニアまたは空気の流量の数値が誤っていることが分かる。従って、オペレータは、入力器１８によりアンモニアまたは空気の流量を設定入力し直すことが可能となる。

　さらに、アンモニア流量制御弁１１または空気流量制御弁１２が故障すると、アンモニア流量実測値または空気流量実測値がずれてしまい、結果的に実測値空燃比が必要以上に高くなることもある。

　本実施形態では、アンモニア流量実測値とアンモニア流量設定値との差分がアンモニア用閾値よりも大きいときに、改質器５への空気の供給が停止するように空気流量制御弁１２が制御されると共に、空気流量実測値と空気流量設定値との差分が空気用閾値よりも大きいときに、改質器５への空気の供給が停止するように空気流量制御弁１２が制御される。従って、アンモニア流量制御弁１１または空気流量制御弁１２の故障等が発生しても、空気がアンモニアガスに対して過剰に改質器に供給されることが防止される。

　また、本実施形態では、改質器５に供給されるアンモニアガスの流量がアンモニア流量計１３により直接検出されると共に、改質器５に供給される空気の流量が空気流量計１４により直接検出される。従って、制御ユニット１７による計算処理を簡素化することができる。

　また、本実施形態では、改質システム１の運転中に、空気がアンモニアガスに対して過剰に改質器５に供給される可能性がある場合には、改質器５への空気の供給が停止するように空気流量制御弁１２が制御される。従って、燃焼改質触媒８の異常酸化が確実に防止される。

　図７は、本発明の第２実施形態に係る改質システムを示す概略構成図である。図７において、本実施形態の改質システム１は、上記の第１実施形態におけるアンモニア流量計１３及び空気流量計１４に代えて、アンモニア圧力計３１及び空気圧力計３２を備えている。

　アンモニア圧力計３１は、アンモニアガス流路９に配設されている。アンモニア圧力計３１は、アンモニアガス流路９を流れるアンモニアガスの流量に相当するアンモニアガス流路９の圧力を計測するセンサである。アンモニア圧力計３１は、アンモニアガス流路９を流れるアンモニアガスの流量を検出する第１検出部を構成している。

　空気圧力計３２は、空気流路１０に配設されている。空気圧力計３２は、空気流路１０を流れる空気の流量に相当する空気流路１０の圧力を計測するセンサである。空気圧力計３２は、空気流路１０を流れる空気の流量を検出する第２検出部を構成している。

　また、改質システム１は、上記の第１実施形態と同様に、制御ユニット１７を備えている。制御ユニット１７は、入力器１８により設定入力されたデータ、アンモニア圧力計３１及び空気圧力計３２の計測値を取得し、所定の処理を行い、電気ヒータ７、アンモニア流量制御弁１１、空気流量制御弁１２及び表示器１９を制御する。

　制御ユニット１７は、上記の起動制御処理部２０と、第１空気制御処理部２１Ａ（第１制御処理部）と、上記の第２空気制御処理部２２と、第３空気制御処理部２３Ａ（第３制御処理部）とを有している。

　図８は、第１空気制御処理部２１Ａにより実行される空気制御処理の手順の詳細を示すフローチャートであり、図３に対応している。

　図８において、第１空気制御処理部２１Ａは、まずアンモニア圧力計３１により計測されたアンモニアガス流路９の圧力実測値（アンモニア圧力実測値）及び空気圧力計３２により計測された空気流路の圧力実測値（空気圧力実測値）を取得する（手順Ｓ１１１Ａ）。

　続いて、第１空気制御処理部２１Ａは、アンモニア圧力実測値及び空気圧力実測値に基づいて実測値空燃比（実測値ＡＦＲ）を計算する（手順Ｓ１１２Ａ）。実測値ＡＦＲは、アンモニア流量実測値に対する空気流量実測値の比率である。このとき、アンモニア圧力実測値はアンモニア流量実測値に相当し、空気圧力実測値は空気流量実測値に相当する。このため、実測値ＡＦＲは、空気圧力実測値／アンモニア圧力実測値（＝空気流量実測値／アンモニア流量実測値）から算出される。なお、アンモニア圧力とアンモニア流量との関係、及び空気圧力と空気流量との関係は、予め実験等により取得されてマップとしてメモリ（図示せず）に記憶されている。

　その後、第１空気制御処理部２１Ａは、図３に示されたフローチャートと同様に、手順Ｓ１１３～Ｓ１２０を順次実行する。

　図９は、第３空気制御処理部２３Ａにより実行される空気制御処理の手順の詳細を示すフローチャートであり、図５に対応している。

　図９において、第３空気制御処理部２３Ａは、まずアンモニア圧力計３１により計測されたアンモニア圧力実測値及び空気圧力計３２により計測された空気圧力実測値を取得する（手順Ｓ１４１Ａ）。また、第３空気制御処理部２３Ａは、図５に示されたフローチャートと同様に、入力器１８により設定入力されたアンモニア流量設定値及び空気流量設定値を取得する（手順Ｓ１４２）。

　続いて、第３空気制御処理部２３Ａは、アンモニア圧力とアンモニア流量との関係を表したマップ（前述）を用いて、アンモニア流量設定値からアンモニア圧力設定値を計算すると共に、空気圧力と空気流量との関係を表したマップ（前述）を用いて、空気流量設定値から空気圧力設定値を計算する（手順Ｓ１４２Ａ）。

　続いて、第３空気制御処理部２３Ａは、アンモニア圧力実測値とアンモニア圧力設定値との差分（アンモニア圧力実測値－アンモニア圧力設定値の絶対値）と、空気圧力実測値と空気圧力設定値との差分（空気圧力実測値－空気圧力設定値の絶対値）とを計算する（手順Ｓ１４３Ａ）。このとき、アンモニア圧力実測値はアンモニア流量実測値に相当し、アンモニア圧力設定値はアンモニア流量設定値に相当する。このため、アンモニア圧力実測値とアンモニア圧力設定値との差分は、アンモニア流量実測値とアンモニア流量設定値との差分に相当する。また、空気圧力実測値は空気流量実測値に相当し、空気圧力設定値は空気流量設定値に相当する。このため、空気圧力実測値と空気圧力設定値との差分は、空気流量実測値と空気流量設定値との差分に相当する。

　そして、第３空気制御処理部２３Ａは、アンモニア圧力実測値とアンモニア圧力設定値との差分が予め決められたアンモニア用圧力閾値（燃料ガス用閾値）よりも大きいかどうかを判断する（手順Ｓ１４４Ａ）。

　第３空気制御処理部２３Ａは、アンモニア圧力実測値とアンモニア圧力設定値との差分がアンモニア用圧力閾値よりも大きいと判断したときは、図５に示されたフローチャートと同様に、手順Ｓ１４５，Ｓ１４６を順次実行する。

　第３空気制御処理部２３Ａは、アンモニア圧力実測値とアンモニア圧力設定値との差分がアンモニア用圧力閾値以下であると判断したときは、空気圧力実測値と空気圧力設定値との差分が予め決められた空気用圧力閾値（空気用閾値）よりも大きいかどうかを判断する（手順Ｓ１４７Ａ）。

　第３空気制御処理部２３Ａは、空気圧力実測値と空気圧力設定値との差分が空気用圧力閾値よりも大きいと判断したときは、手順Ｓ１４５，Ｓ１４６を順次実行する。

　第３空気制御処理部２３Ａは、空気圧力実測値と空気圧力設定値との差分が空気用圧力閾値以下であると判断したときは、手順Ｓ１４５，Ｓ１４６を実行することなく、手順Ｓ１４１Ａを再度実行する。

　以上のように本実施形態においては、改質器５に供給されるアンモニアガスの流量がアンモニア流量実測値に相当するアンモニア圧力実測値としてアンモニア圧力計３１により検出されると共に、改質器５に供給される空気の流量が空気流量実測値に相当する空気圧力実測値として空気圧力計３２により検出される。そして、アンモニア圧力実測値及び空気圧力実測値に基づいて、アンモニア流量実測値に対する空気流量実測値の比率である実測値空燃比が求められる。そして、実測値空燃比が実測値用閾値よりも大きいときに、改質器５への空気の供給が停止するように空気流量制御弁１２が制御される。これにより、上記の第１実施形態と同様に、改質器５の燃焼改質触媒８の異常酸化による燃焼改質触媒８の性能劣化が防止される。

　また、本実施形態では、アンモニア圧力計３１によってアンモニアガス流路９を流れるアンモニアガスの流量が間接的に検出されると共に、空気圧力計３２によって空気流路１０を流れる空気の流量が間接的に検出されることとなる。アンモニア圧力計３１及び空気圧力計３２は、アンモニア流量計１３及び空気流量計１４に比べて小型である。従って、アンモニア圧力計３１及び空気圧力計３２をスペース効率良く搭載することができる。また、アンモニア圧力計３１及び空気圧力計３２は、アンモニア流量計１３及び空気流量計１４に比べて安価である。

　なお、本発明は、上記実施形態には限定されない。例えば上記実施形態では、制御ユニット１７は、改質システム１の運転中に、空気がアンモニアガスに対して過剰に改質器５に供給される可能性がある場合には、改質器５への空気の供給が停止するように空気流量制御弁１２を全閉状態に制御しているが、特にその形態には限られない。制御ユニット１７は、改質システム１の運転中に、空気がアンモニアガスに対して過剰に改質器５に供給される可能性がある場合には、空気流量制御弁１２の開度を小さくすることで、改質器５に供給される空気の流量を減少させるように空気流量制御弁１２を制御してもよい。この場合でも、改質器５の燃焼改質触媒８の異常酸化による燃焼改質触媒８の性能劣化が防止される。

　また、上記の第１実施形態では、第１空気制御処理部２１は、実測値空燃比が実測値用閾値よりも大きくなると、空気流量制御弁１２を直ちに閉じるように制御しているが、特にその形態には限られず、実測値空燃比が実測値用閾値よりも大きい状態が所定時間継続したときに、空気流量制御弁１２を閉じるように制御してもよい。第２空気制御処理部２２及び第３空気制御処理部２３においても同様である。また、上記の第２実施形態においても同様である。

　また、上記の第１実施形態では、アンモニア流量制御弁１１、空気流量制御弁１２、アンモニア流量計１３、空気流量計１４及び制御ユニット１７がそれぞれ単体のユニットから構成されているが、特にその形態には限られず、アンモニア流量制御弁、空気流量制御弁、アンモニア流量計、空気流量計及び制御ユニットを備えたマスフローコントローラにより構成してもよい。上記の第２実施形態においても同様である。

　また、上記実施形態では、改質器５は、アンモニアガスを燃焼させると共にアンモニアガスを水素に分解する燃焼改質触媒８を有しているが、特にその形態には限られない。改質器５は、アンモニアガスを燃焼させる燃焼触媒と、アンモニアガスを水素に分解する改質触媒とを別々に有していてもよい。

　また、上記実施形態では、電気ヒータ７により加熱されたアンモニアガス及び空気の熱を利用して改質器５の燃焼改質触媒８が加熱されているが、特にその形態には限られず、改質器５の触媒を電気ヒータにより直接加熱してもよい。

　また、上記実施形態では、燃料ガスとしてアンモニアガスを使用しているが、本発明は、燃料ガスとして炭化水素ガス等を使用した改質システムにも適用可能である。

　１　　改質システム
　５　　改質器
　８　　燃焼改質触媒（触媒）
　９　　アンモニアガス流路（燃料ガス流路）
　１０　　空気流路
　１１　　アンモニア流量制御弁（第１流量制御部）
　１２　　空気流量制御弁（第２流量制御部）
　１３　　アンモニア流量計（第１検出部）
　１４　　空気流量計（第２検出部）
　１７　　制御ユニット
　１８　　入力器（入力部）
　２１，２１Ａ　　第１空気制御処理部（第１制御処理部）
　２２　　第２空気制御処理部（第２制御処理部）
　２３，２３Ａ　　第３空気制御処理部（第３制御処理部）
　３１　　アンモニア圧力計（第１検出部）
　３２　　空気圧力計（第２検出部）

Claims

　燃料ガスを水素に分解する触媒を有し、前記燃料ガスを改質して前記水素を含有した改質ガスを生成する改質器と、
　前記改質器に供給される前記燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、
　前記改質器に供給される空気が流れる空気流路と、
　前記燃料ガス流路を流れる前記燃料ガスの流量を制御する第１流量制御部と、
　前記空気流路を流れる前記空気の流量を制御する第２流量制御部と、
　前記燃料ガス流路を流れる前記燃料ガスの流量を検出する第１検出部と、
　前記空気流路を流れる前記空気の流量を検出する第２検出部と、
　前記第１流量制御部及び前記第２流量制御部を制御する制御ユニットとを備え、
　前記制御ユニットは、前記第１検出部により検出された前記燃料ガスの流量実測値及び前記第２検出部により検出された前記空気の流量実測値に基づいて、前記燃料ガスの流量実測値に対する前記空気の流量実測値の比率である実測値空燃比を求め、前記実測値空燃比が予め決められた実測値用閾値よりも大きいときに、前記改質器に供給される前記空気の流量を減少させるように前記第２流量制御部を制御する第１制御処理部を有する改質システム。
　前記改質器に供給される前記燃料ガス及び前記空気の流量を設定入力する入力部を更に備え、
　前記制御ユニットは、前記入力部により設定入力された前記燃料ガス及び前記空気の流量設定値に基づいて、前記燃料ガスの流量設定値に対する前記空気の流量設定値の比率である設定値空燃比を求め、前記設定値空燃比が予め決められた設定値用閾値よりも大きいときに、前記改質器への前記燃料ガス及び前記空気の供給が開始されていない場合は、前記改質器への前記燃料ガス及び前記空気の供給を禁止し、前記改質器への前記燃料ガス及び前記空気の供給が開始されている場合は、前記改質器に供給される前記空気の流量を減少させるように前記第２流量制御部を制御する第２制御処理部を有する請求項１記載の改質システム。
　前記改質器に供給される前記燃料ガス及び前記空気の流量を設定入力する入力部を更に備え、
　前記制御ユニットは、前記第１検出部により検出された前記燃料ガスの流量実測値と前記入力部により設定入力された前記燃料ガスの流量設定値との差分を求め、前記燃料ガスの流量実測値と前記燃料ガスの流量設定値との差分が予め決められた燃料ガス用閾値よりも大きいときに、前記改質器に供給される前記空気の流量を減少させるように前記第２流量制御部を制御すると共に、前記第２検出部により検出された前記空気の流量実測値と前記入力部により設定入力された前記空気の流量設定値との差分を求め、前記空気の流量実測値と前記空気の流量設定値との差分が予め決められた空気用閾値よりも大きいときに、前記改質器に供給される前記空気の流量を減少させるように前記第２流量制御部を制御する第３制御処理部を有する請求項１記載の改質システム。
　前記第１検出部は、前記燃料ガス流路を流れる前記燃料ガスの流量を計測する流量計であり、
　前記第２検出部は、前記空気流路を流れる前記空気の流量を計測する流量計である請求項１～３の何れか一項記載の改質システム。
　前記第１検出部は、前記燃料ガス流路を流れる前記燃料ガスの流量に相当する前記燃料ガス流路の圧力を計測する圧力計であり、
　前記第２検出部は、前記空気流路を流れる前記空気の流量に相当する前記空気流路の圧力を計測する圧力計である請求項１～３の何れか一項記載の改質システム。
　前記制御ユニットは、前記改質器に供給される前記空気の流量を減少させるように前記第２流量制御部を制御する際には、前記改質器への前記空気の供給を停止させるように前記第２流量制御部を制御する請求項１～５の何れか一項記載の改質システム。