JP2004059337A

JP2004059337A - Hydrogen production plant control device, hydrogen production device, and hydrogen production method

Info

Publication number: JP2004059337A
Application number: JP2002216270A
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: 2002-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2004-02-26

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small, simple, inexpensive control system for a hydrogen production plant which precisely monitors and controls the flow rates of steam and a raw material gas in real time based on the properties and flow rate of the raw material gas, and an apparatus and a process for hydrogen production. <P>SOLUTION: The mass flow and the volume flow of the raw material gas are measured with a thermal flow sensor 4 and a raw material gas volume flowmeter 9, respectively. Based on the ratio of the mass flow to the volume flow of the raw material gas, an average molecular weight of the raw material gas is calculated. Based on the calculated value and the mass flow value measured with the thermal flow sensor 4, the mass flow of the steam is controlled to optimize a S/C (steam/carbon) ratio in a steam-reforming process performed in a 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；Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋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：Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋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Ｖ_ｎａとすると、原料ガス（Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２）の平均分子量Ｍ_ｍｅａｎ、化学式Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２のｎの平均値Ｎ_ｍｅａｎ、原料ガス中の炭素の質量流量Ｍ_ｃは各々、
Ｍ_ｍｅａｎ＝ｄＭ／ｄＶ×Ｖ_ｎａ
Ｎ_ｍｅａｎ＝｛（ｄＭ／ｄＶ）Ｖ_ｎａ−２｝／１４
Ｍ_ｃ＝｛１２×Ｎ_ｍｅａｎ／（１４×Ｎ_ｍｅａｎ＋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：Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋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Ｖ_ｎａとしたとき、原料ガス（Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２）の平均分子量Ｍ_ｍｅａｎ、化学式Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２のｎの平均値Ｎ_ｍｅａｎ、原料ガス中の炭素の質量流量Ｍ_ｃを各々、
Ｍ_ｍｅａｎ＝ｄＭ／ｄＶ×Ｖ_ｎａ
Ｎ_ｍｅａｎ＝｛（ｄＭ／ｄＶ）Ｖ_ｎａ−２｝／１４
Ｍ_ｃ＝｛１２×Ｎ_ｍｅａｎ／（１４×Ｎ_ｍｅａｎ＋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；Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋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Ｍ_ｍｅａｎとし、化学式Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２のｎの平均値をＮ_ｍｅａｎ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、（Ｍ_ｍｅａｎ／Ｖ_ｎａ）と等しく常に（１４Ｎ_ｍｅａｎ＋２）／Ｖ_ｎａとなっている。すなわち、ｄＭ／ｄＶ＝（１４Ｎ_ｍｅａｎ＋２）／Ｖ_ｎａが常に成り立つ。この式を変形すれば、Ｎ_ｍｅａｎ＝｛ｄＭ／ｄＶ）Ｖ_ｎａ−２｝／１４となる。このようにして、Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２における平均のｎの値；Ｎ_ｍｅａｎ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／（１４Ｎ_ｍｅａｎ＋２）＝ｄＶ／Ｖ_ｎａ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；Ｎ_ｍｅａｎ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、Ｎ_ｍｅａｎを算出するための演算としてはＮ_ｍｅａｎ＝｛ｄＭ／ｄＶ）Ｖ_ｎａ−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Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２のｎの平均値；Ｎ_ｍｅａｎ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；Ｍ_ｃを、Ｍ_ｃ＝｛１２×Ｎ_ｍｅａｎ／（１４×Ｎ_ｍｅａｎ＋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Ｍ_ｃ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；Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋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Ｎ_ｍｅａｎとすると、常に、１２Ｎ_ｍｅａｎ／（１４Ｎ_ｍｅａｎ＋２）となる。そこで、原料ガス全体の質量流量ｄＭを、この比率；１２Ｎ_ｍｅａｎ／（１４Ｎ_ｍｅａｎ＋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；Ｍ_ｃを算出することができる。すなわち、分子式Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２のｎの平均値；Ｎ_ｍｅａｎを用いて、Ｍ_ｃ＝｛１２×Ｎ_ｍｅａｎ／（１４×Ｎ_ｍｅａｎ＋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；Ｍ_ｃ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；Ｍ_ｃを算出した後、その炭素の質量流量の値；Ｍ_ｃ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（Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２）の平均分子量Ｍ_ｍｅａｎ、化学式Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２のｎの平均値Ｎ_ｍｅａｎ、原料ガス中の炭素の質量流量Ｍ_ｃを各々、
Ｍ_ｍｅａｎ＝ｄＭ／ｄＶ×Ｖ_ｎａ
Ｎ_ｍｅａｎ＝｛（ｄＭ／ｄＶ）Ｖ_ｎａ−２｝／１４
Ｍ_ｃ＝｛１２×Ｎ_ｍｅａｎ／（１４×Ｎ_ｍｅａｎ＋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；Ｍ_ｃ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。
【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Ｎ_ｍｅａｎの値またはＭ_ｃ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：Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋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（Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２）の平均分子量Ｍ_ｍｅａｎ、化学式Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２のｎの平均値Ｎ_ｍｅａｎ、原料ガス中の炭素の質量流量Ｍ_ｃ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Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２のｎの平均値；Ｎ_ｍｅａｎ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；Ｍ_ｃを求めて、その炭素分のみの質量流量の値；Ｍ_ｃ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[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 hydrogen from various source gases. In general, a gas containing hydrogen is produced by reacting a hydrocarbon-based raw material gas such as natural gas or LPG (liquefied petroleum gas) with steam using a catalyst, and utilizing the hydrogen in the gas. I am trying to do it.
[0003]
More specifically, hydrocarbons are represented by the general formula_nH_mH to steam₂O, hydrogen to H₂, CO2 to CO₂Then C_nH_m+ NH₂O = nCO + (m / 2 + n) H₂It becomes. Further, CO conversion is performed, and nCO + nH₂O = nCO₂+ NH₂It becomes. In this way, the hydrocarbon is used as a raw material gas, and the so-called steam reforming is performed to extract hydrogen from the raw material gas (perform hydrogen production).
[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, in order to perform high-efficiency power generation in fuel cell power generation and efficient and less wasteful synthesis of chemical substances, the flow rate of steam and the flow rate of source gas are adjusted. There is a strong demand to optimize the so-called S / C ratio (steam / carbon ratio) by adjusting the ratio to the optimum ratio. In other words, realizing efficient steam reforming is a very important technical element in order to improve the power generation efficiency in the fuel cell power generation system and the process efficiency in the chemical substance synthesis system.
[0006]
Therefore, in the prior art, in order to prevent at least carbon deposition and 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 in accordance with the heaviest composition of the fluctuation range of S / C. A method has been adopted in which the value does not fall below the minimum value at which normal steam reforming can be performed.
[0007]
However, setting (or fixing) the S / C value to a higher value in advance as described above wastes an unnecessarily large amount of water vapor, and causes 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. In practice, however, the flow rate of the source gas is controlled in accordance with the power output current value in the case of fuel cell power generation, for example, but the composition of the source gas may fluctuate. , The tracking control is not performed. For this reason, even if an optimal S / C value is set in advance, there is a problem in that the composition of the raw material gas fluctuates and the flow rate deviates from a necessary and sufficient flow rate of steam, resulting in a decrease in thermal efficiency. . 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 from 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]
Alternatively, a method of analyzing the variation of the composition of the raw material gas by a gas analyzer and correcting or resetting the S / C value in accordance with the analyzed composition is disclosed in, for example, JP-A-2000-325975. No. 1 pp. 1-64.
[0010]
However, in the method of analyzing the composition of the raw material gas using such a gas analyzer, the process of analyzing the composition of the raw material gas is extremely complicated, particularly when the most common gas chromatography is used as the gas analyzer. Since it is inevitable that a long time is required for the analysis, in practice, it is extremely difficult or impossible to accurately follow a change in the composition of the raw material in real time. There is a fatal problem.
[0011]
Further, since the device configuration itself of a gas analyzer represented by gas chromatography is extremely complicated, large, and expensive, it is applied to, for example, small fuel cell power generation systems dispersedly arranged in general homes and stores. There is also the problem that things are not realistic.
[0012]
The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to control the flow rate of steam or raw material gas accurately and in real time with respect to the properties 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 that are capable of performing the above.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The hydrogen production plant control device according to the present invention adjusts the mass flow rate or the volume flow rate of the steam or the source gas in a hydrogen production plant that produces hydrogen from the source gas by reacting a source gas mainly containing hydrocarbons with steam. A hydrogen production plant control device for controlling a servo system for performing, a volume flow meter for measuring a volume flow rate of the source gas, a mass flow meter for measuring a mass flow rate of the source gas, and Based on the ratio between the volume flow rate measured by the flow meter and the mass flow rate measured by the mass flow meter, calculate the average molecular weight of the constituent components of the raw material gas, and calculate the calculated value of the average molecular weight and the raw material gas. Based on the measured value of the mass flow rate, a signal for controlling the mass flow rate or the volume flow rate of the water vapor or the source gas is output to the servo system. And a that control operation unit.
[0014]
Further, the hydrogen production apparatus according to the present invention is a hydrogen production apparatus including a steam reformer for producing hydrogen from the raw material gas by reacting a raw material gas mainly containing hydrocarbons with water vapor, A volume flow meter for measuring a volume flow rate, a mass flow meter for measuring the mass flow rate of the raw material gas, and a ratio of a volume flow rate measured by the volume flow meter to a mass flow rate measured by the mass flow meter. Calculating the average molecular weight of the constituent components of the raw material gas, and based on the calculated value of the average molecular weight and the measured value of the mass flow rate of the raw material gas, the steam or the raw material supplied to the steam reformer. Control means for controlling the mass flow rate or the volume flow rate of the gas.
[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 steam, wherein a process of measuring a volume flow rate of the raw material gas, The process of measuring the mass flow rate of the raw material gas, and based on the ratio between the volume flow rate and the mass flow rate, calculates the average molecular weight of the composition component in the raw material gas, and calculates the calculated value of the average molecular weight and the raw material gas. A control process for controlling a mass flow rate or a volume flow rate of the steam or the raw material gas based on the measured value of the mass flow rate.
[0016]
That is, in the hydrogen production plant control device or the hydrogen production device or the hydrogen production method according to the present invention, the volume flow rate of the raw material gas is measured, the mass flow rate of the raw material gas is measured, the measured value of the volume flow rate and the measurement of the mass flow rate are measured. Calculate the average molecular weight of the constituent components of the raw material gas based on the ratio of the raw material gas and the measured flow rate of the water vapor or the raw material gas based on the calculated value of the average molecular weight and the measured value of the mass flow rate of the raw material gas. Is controlled in real time in accordance with the flow rate and composition of the raw material gas so as to always optimize the S / C value in the steam reforming process.
[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, and the configuration of the apparatus or plant is changed to a gas analyzer. Compared with the prior art for analyzing the composition of the gas used, the size, size and simplicity of the gas can be dramatically reduced.
[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 prior art in which the gas composition is analyzed by a gas analyzer, the process of analyzing the composition of the raw material gas was extremely complicated and time-consuming, so that the result obtained in 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 extremely simply and in a short time. Since the calculation result of the average molecular weight can be obtained, the result is used in real time, and the flow rate of water vapor or the flow rate of the raw material gas is always accurately controlled in real time according to the composition and flow rate of the raw material gas. It becomes possible.
[0021]
Here, the above-mentioned raw material gas has a general formula: C_nH_{2n + 2}The most preferred is a chain type saturated hydrocarbon gas represented by However, the present invention is not limited to this, and the present invention is also applicable to a case where an isomer or a partially substituted product of a saturated hydrocarbon or an unsaturated hydrocarbon gas is used as a raw material gas. In this case, it is preferable that the control calculation means corrects or corrects the calculated value of the average molecular weight in accordance with the composition and structure of the raw material gas.
[0022]
Further, the control calculation means or the control means or the control process, more specifically, based on the ratio of the volume flow rate measured by the volume flow meter and the mass flow rate measured by the mass flow meter, Calculate the average molecular weight of the source gas, calculate the mass flow rate of the carbon contained in the source gas based on the value and the measured value of the mass flow rate of the source gas, and calculate the water vapor based on the calculated value. Alternatively, a mass flow rate or a volume flow rate of the source gas is controlled.
[0023]
Further, as the above calculation, more specifically, the raw material gas is represented by a chemical formula: C_nH_{2n + 2}Where the mass flow rate of the raw material gas is dM, the volume flow rate of the raw material gas converted to the standard state is dV, and 1 mol volume in the standard state is V_naThen, the raw material gas (C_nH_{2n + 2}) Average molecular weight M_mean, Chemical formula C_nH_{2n + 2}Average value N of n_mean, Mass flow rate M of carbon in the raw material gas_cAre
M_mean= DM / dV × V_na
N_mean= ｛(DM / dV) V_na-2｝ / 14
M_c= ｛12 × N_mean/ (14 × N_mean+2)｝ dM
Is calculated.
[0024]
However, it goes without saying that it is also possible to adopt an arithmetic expression other than the above and obtain the mass flow rate Mc of carbon in the source gas in the same manner as described above.
[0025]
The hydrogen production plant control device or the hydrogen production device or the 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.
[0026]
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 also possible.
[0027]
In addition, the hydrogen production plant control device, the hydrogen production device, or the hydrogen production method according to the present invention produces the hydrogen from the raw material gas by reacting the raw material gas with steam, and converts the hydrogen into a plant that synthesizes a predetermined chemical substance. Can be configured so as to be used as a part of a chemical substance synthesis system.
[0028]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0029]
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.
[0030]
Note that the hydrogen production plant control device or the hydrogen production method according to the embodiment of the present invention functions as a part of this hydrogen production device or is embodied by the action thereof. Will be explained.
[0031]
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). Flowmeter 4, desulfurizer 5, steam supply line (piping) 6, steam flow control valve 7, steam flow controller (mechanical servo system of steam flow control valve) 8, source gas volume flow meter 9, a reformer 10, a control operation unit 11, a steam flow meter 12, and a fuel cell power generator 13 are provided as main parts 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.
[0032]
The raw material gas supply line 1 is a source gas tank (not shown) or the like, and is a saturated hydrocarbon-based gas such as natural gas, LPG, or the like, or an unsaturated product obtained by substituting a part of its isomer or its composition. This is a pipe for supplying hydrocarbon gas.
[0033]
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.
[0034]
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 exerts a driving force by an electric motor such as a servomotor, and the operation of mechanically adjusting the valve opening is controlled by a control signal sent from the control operation unit 11. It is set to be.
[0035]
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.
[0036]
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 the configuration of the device or plant is dramatically smaller, simpler and cheaper than in the case of the conventional technology in which the gas composition is analyzed using a gas analyzer such as gas chromatography. It is possible to be.
[0037]
For example, in the thermal flow sensor shown in FIG. 2, for example, a single-wire (Si) microchip 401, a hot-wire heater 402, an upstream-side temperature sensor 403, a downstream-side temperature sensor 404, and a driving circuit (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.
[0038]
The raw material gas volume flow meter 9 measures the volume flow of the raw material gas. As the raw material gas volume flow meter 9, for example, a volume flow meter such as a membrane flow meter, a differential pressure flow meter using an orifice or a pitot tube, a turbine flow meter, or the like is applicable.
[0039]
The desulfurizer 5 is for desulfurizing the raw material gas supplied to the reformer by removing the sulfur compound contained in the raw material gas when it is contained. It goes without saying that the desulfurizer 5 can be omitted, for example, when the raw material gas has already been desulfurized.
[0040]
The steam supply line 6 is a pipe for supplying steam from a steam generator (not shown) or the like.
[0041]
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.
[0042]
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 controller 8 exerts a driving force by an electric motor such as a servomotor. The operation of mechanical valve opening adjustment is controlled by a control signal sent from the control operation unit 11. Is set to
[0043]
The steam flow meter 12 measures a mass flow rate or a volume flow rate of steam. In the case of a volume flow meter, for example, a differential pressure flow meter using an orifice, a turbine flow meter, or the like can be applied to the steam flow meter 12. Alternatively, in the case of a mass flow meter, a thermal flow sensor or the like can be applied.
[0044]
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.
[0045]
The control calculation unit 11 calculates the average molecular weight of the raw material gas based on the ratio of the mass flow rate of the raw material gas measured by the thermal flow sensor 4 to the volume flow rate of the raw material gas measured by the raw material gas volume flow meter 9. Then, the mass flow rate of the carbon in the raw material gas is calculated from the value and the measured value of the mass flow rate of the raw material gas measured by the thermal flow sensor 4, and based on the mass flow rate of the carbon content in the raw material gas, A control signal for optimizing the S / C value in the steam reforming process in the reformer 10 by controlling the mass flow rate of the steam is output to the steam flow controller 8.
[0046]
The control calculation unit 11 measures a current or voltage value 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 or the volume flow rate of the raw material gas in accordance with the value. It is needless to say that the fuel cell system has a general function of optimizing the flow rate and controlling the flow rate of the raw material gas necessary for efficiently performing the target power generation.
[0047]
More specifically, the control calculation unit 11 performs the following calculation. That is, the raw material gas has the chemical formula: C_nH_{2n + 2}Where the mass flow rate of the raw material gas is dM, the volume flow rate of the raw material gas converted to the standard state is dV, and 1 mol volume in the standard state is V_naAnd the raw material gas (C_nH_{2n + 2}) Average molecular weight M_mean, Chemical formula C_nH_{2n + 2}Average value N of n_mean, Mass flow rate M of carbon in the raw material gas_cRespectively
M_mean= DM / dV × V_na
N_mean= ｛(DM / dV) V_na-2｝ / 14
M_c= ｛12 × N_mean/ (14 × N_mean+2)｝ dM
Is calculated.
[0048]
Here, the fact that the value of the mass flow rate Mc of carbon contained in the source gas can be calculated by the above-described calculation will be described.
[0049]
For example, a source gas suitable for fuel cell power generation, such as natural gas or LPG, generally contains a chain-type saturated hydrocarbon such as methane, ethane, or the like as a main component. Such chain saturated hydrocarbons have the general formula: C_nH_{2n + 2}(N = 1, 2, 3,...). Therefore, when the raw material gas has a composition obtained by mixing components of a saturated hydrocarbon such as methane and ethane, the average molecular weight of the raw material gas is M_meanAnd the chemical formula C_nH_{2n + 2}The average value of n_meanThen, whatever the composition of the raw material gas (as long as the mixture is a saturated hydrocarbon-based mixture), the ratio (dM / dV) of the mass flow rate dM and the volume flow rate dV of the raw material gas is (dM / dV). M_mean/ V_na) And always (14N_mean+2) / V_naIt has become. That is, dM / dV = (14N_mean+2) / V_naAlways holds. By transforming this equation, N_mean= ｛DM / dV) V_na−2｝ / 14. Thus, C_nH_{2n + 2}The value of the average n at N_meanCan be calculated based on the ratio (dM / dV) between the mass flow rate dM of the source gas and the volume flow rate dV.
[0050]
In other words, the above equation is, in other words, dM / (14N_mean+2) = dV / V_naThat's what it means. By calculating back using this formula, the average value of n; N_meanCan be calculated, but also in this case, after all, N_meanThe calculation for calculating_mean= ｛DM / dV) V_naNeedless to say, -2｝ / 14.
[0051]
Then, the molecular formula C thus calculated_nH_{2n + 2}Average value of n; N_meanAnd the value of the mass flow rate of carbon contained in the raw material gas measured at that time; M_cTo M_c= ｛12 × N_mean/ (14 × N_mean+2) {xdM}.
[0052]
This is because the mass flow rate of the entire source gas is dM and the mass flow rate of only carbon contained in the source gas is M_cWhen the raw material gas is a mixture of a plurality of types of saturated hydrocarbon gases, all of the plurality of types of saturated hydrocarbons have a general formula when considering a unit fluid element of the raw material gas; C_nH_{2n + 2}Since the sum of C and H in the raw material gas is a linear operation, the ratio of the total mass of the raw material gas to the total mass of only carbon contained in the raw material gas is Average molecular weight of N_meanThen always 12N_mean/ (14N_mean+2). Therefore, the mass flow rate dM of the entire raw material gas is determined by this ratio;_mean/ (14N_mean+2), the value of the mass flow rate of carbon contained in the raw material gas measured at that time; M_cCan be calculated. That is, the molecular formula C_nH_{2n + 2}Average value of n; N_meanUsing M_c= ｛12 × N_mean/ (14 × N_mean+2) By performing the calculation of {× dM}, the value of the mass flow rate of carbon contained in the source gas; M_cCan be calculated.
[0053]
In the control calculation unit 11, the value of the mass flow rate of carbon contained in the raw material gas calculated as described above; M_c, And the value of the mass flow rate of the carbon; M_cBased on the above, the optimum steam flow rate that can perform the most efficient steam reforming corresponding to the raw material gas at that time is calculated, and the steam flow rate control valve 7 of the steam flow rate control valve 7 is set to have such a steam flow rate. A control signal for adjusting the valve opening is sent to the steam flow controller 8.
[0054]
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.
[0055]
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 preceding stage of the hydrogen production process 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 production apparatus according to the present embodiment, the mass flow rate of steam is accurately controlled in real time in accordance with the flow rate and composition of the raw material gas as described above. By constantly optimizing 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. .
[0056]
In addition, in the case of the prior art in which the gas composition is analyzed using a gas analyzer such as gas chromatography, the process of analyzing the composition of the raw material gas is extremely complicated and time-consuming, so that the actual analysis is not possible. It was extremely difficult to control the flow rate of the steam and the flow rate of the raw material gas in real time using the obtained results in real time, but in the fuel cell power generation system according to the present embodiment, without analyzing the gas composition It is possible to obtain the calculation result of the average molecular weight of the source gas and the mass flow rate of the carbon in the source gas in a very simple and short time, and use the calculation result in real time to respond to the composition and flow rate of the source gas. As a result, the flow rate of the steam or the flow rate of the raw material gas can be constantly and accurately controlled in real time.
[0057]
Next, the operation of the hydrogen production apparatus incorporated in the fuel cell power generation system will be described.
[0058]
The voltage or current output from the fuel cell power generator 13 is measured as a state quantity representing the power generation state of the fuel cell power generator 13, 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.
[0059]
Then, the thermal flow sensor 4 measures the mass flow rate of the source gas, and the source gas volume flow meter 9 measures the volume flow rate of the source gas.
[0060]
Based on the mass flow value (dM) and the volume flow value (dV) of the raw material gas measured at this time, the control calculation unit 11_nH_{2n + 2}) Average molecular weight M_mean, Chemical formula C_nH_{2n + 2}Average value N of n_mean, Mass flow rate M of carbon in the raw material gas_cRespectively
M_mean= DM / dV × V_na
N_mean= ｛(DM / dV) V_na-2｝ / 14
M_c= ｛12 × N_mean/ (14 × N_mean+2)｝ dM
Is as described above.
[0061]
The control calculation unit 11 calculates the value of the mass flow rate of carbon contained in the raw material gas;_c, An optimum target value of the water vapor flow rate is calculated. As a calculation method, for example, in the case of steam reforming, hydrocarbons are generally converted to C_nH_mH to steam₂O, hydrogen to H₂If carbon monoxide is CO, C_nH_m+ NH₂O = nCO + (m / 2 + n) H₂Therefore, stoichiometrically n steams are 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 between the mass flow rate of carbon contained in the source gas and 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.
[0062]
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.
[0063]
In addition, as the kind of the raw material gas, in addition to the above-mentioned chain saturated hydrocarbon, an isomer or a partially substituted product of a saturated hydrocarbon, an unsaturated hydrocarbon, or the like is also possible. However, in this case, the control calculation unit 11 calculates the N obtained by the above calculation._meanValue or M_cMust be corrected or calibrated in accordance with the composition and structure of the source gas to be measured (controlled) at that time. 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-like saturated hydrocarbon, and the source gas to be measured is not used. Needless to say, it may be necessary to perform another operation suitable for the type of the above. However, even in such a case, the calculation based on the ratio between the mass flow rate and the volume flow rate of the carbon C contained in the raw material gas is performed basically in the same manner as the above calculation, so that the raw material gas The flow rate of the steam or the flow rate of the raw material gas can be constantly and accurately controlled in real time in accordance with the composition and the flow rate.
[0064]
For example, if the source gas has the chemical formula: C_nH_{2n + 2}In the case of a saturated hydrocarbon gas generally represented by_nH_{2n + 2}) Average molecular weight M_mean, Chemical formula C_nH_{2n + 2}Average value N of n_mean, Mass flow rate M of carbon in the raw material gas_cCan be calculated by the above-described arithmetic expressions.
[0065]
In the present embodiment, the chemical formula C_nH_{2n + 2}Average value of n; N_meanAnd the value is used to calculate the mass flow rate of only the carbon component contained in the raw material gas; M_cAnd the value of the mass flow rate of the carbon content only; M_cThe case where the optimum flow rate value of the steam is obtained in accordance with the above is described.In addition to this, the value of the mass flow rate of only the hydrogen content contained in the raw material gas is obtained, and the value of the mass flow rate of only the carbon content is obtained. Needless to say, it is also possible to determine the optimum flow rate value of water vapor according to the value.
[0066]
Further, in the present embodiment, the case where the mass flow rate of steam is controlled is described, but it is needless to say that the volume flow rate of steam can be controlled.
[0067]
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.
[0068]
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.
[0069]
【The invention's effect】
As described above, the hydrogen production plant control device according to any one of claims 1 to 10, the hydrogen production device according to any one of claims 11 to 20, or the hydrogen production device according to any one of claims 21 to 27 According to the manufacturing method, the volume flow rate of the raw material gas is measured, the mass flow rate of the raw material gas is measured, and the average molecular weight of the raw material gas is calculated based on the ratio between the measured value of the volume flow rate and the measured value of the mass flow rate. The mass flow rate of water vapor or raw material gas is controlled based on the calculated value of the average molecular weight and the measured value of the mass flow rate of the raw material gas. It is possible to always optimize the S / C value even if the fluctuations occur. As a result, the flow rate of steam or raw material gas can be controlled accurately and in real time with respect to the composition and flow rate of raw material gas. There is an effect that it is possible. 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 of FIG.
[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 rate controller, 9: raw material gas volume flow meter, 10: reformer, 11: control operation unit, 12: steam flow meter, 13: fuel cell power generator, 100: control unit device, 100: control unit

Claims

For controlling a servo system for adjusting a mass flow rate or a volume flow rate of the steam or the raw material gas in a hydrogen production plant for producing hydrogen from the raw material gas by reacting a raw material gas mainly containing hydrocarbons with water vapor. A hydrogen production plant control device,
A volume flow meter for measuring a volume flow rate of the raw material gas,
A mass flow meter for measuring the mass flow rate of the source gas,
Based on the ratio between the volume flow rate measured by the volume flow meter and the mass flow rate measured by the mass flow meter, calculate the average molecular weight of the composition component of the raw material gas, the calculated value of the average molecular weight and the raw material Control arithmetic means for outputting a signal for controlling a mass flow rate or a volume flow rate of the water vapor or the raw material gas to the servo system based on a measured value of a mass flow rate of the gas. Manufacturing plant control equipment.

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 arithmetic unit controls the mass flow rate or the volume flow rate of the steam based on the mass flow rate of the raw material gas. 4.

The hydrogen production plant control device according to any one of claims 1 to 3, wherein the raw material gas is a saturated hydrocarbon gas.

The raw material gas is a gas of a saturated hydrocarbon isomer or partially substituted or unsaturated hydrocarbon,
The hydrogen according to any one of claims 1 to 3, wherein the control calculation unit corrects or corrects the calculated value of the average molecular weight in accordance with the composition and structure of the raw material gas. Manufacturing plant control equipment.

The control calculating means calculates an average molecular weight of the raw material gas based on a ratio between a volume flow rate measured by the volume flow meter and a mass flow rate measured by the mass flow meter, and calculates a calculated value of the average molecular weight. Based on the measured value of the mass flow rate of the raw material gas, the mass flow rate of carbon contained in the raw material gas is calculated, and the mass flow rate or the volume flow rate of the steam or the raw material gas is calculated based on the calculated value. The hydrogen production plant control device according to claim 4, wherein the control is performed.

The source gas is a saturated hydrocarbon gas generally represented by the chemical formula: C _n H _{2n + 2} , the mass flow rate of the source gas is dM, the volume flow rate of the source gas converted to a standard state is dV, and the average of the source gas is Assuming that the molecular weight is M _mean , the value of n representing the average composition of the raw material gas is N _mean, and the molar volume in a standard state is V _na , the control operation means sets the average molecular weight M _mean to M _mean = (dM / DV) × V _na ,
The N _mean is
N _mean = {dM / dV) V _na -2} / 14
Calculated by the calculation that, further using the _{N mean,} the mass flow rate _{M c} of the carbon,
M _c = {12 × N _mean / (14 × N _mean +2)} × dM
The hydrogen production plant control device according to claim 6, wherein the calculation is performed by the following calculation.

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 7, 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. 7. The hydrogen production plant control device according to any one of items 7 to 7.

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 7, 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 volume flow meter for measuring a volume flow rate of the raw material gas,
A mass flow meter for measuring the mass flow rate of the source gas,
Based on the ratio between the volume flow rate measured by the volume flow meter and the mass flow rate measured by the mass flow meter, calculate the average molecular weight of the composition component of the raw material gas, the calculated value of the average molecular weight and the raw material And a control unit for controlling a mass flow rate or a volume flow rate of the steam or the raw material gas supplied to the steam reformer based on a measured value of a gas mass flow rate. .

12. The thermal flow sensor according to claim 11, 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. Hydrogen production equipment.

13. The hydrogen production apparatus according to claim 11, wherein the control unit controls the mass flow rate or the volume flow rate of the steam based on the mass flow rate of the raw material gas.

The hydrogen production apparatus according to any one of claims 11 to 13, wherein the raw material gas is a saturated hydrocarbon gas.

The raw material gas is a gas of a saturated hydrocarbon isomer or partially substituted or unsaturated hydrocarbon,
14. The hydrogen production apparatus according to claim 11, wherein the control unit corrects or corrects the calculated value of the average molecular weight in accordance with the composition and structure of the source gas. apparatus.

The control means calculates an average molecular weight of hydrocarbons contained in the raw material gas based on a ratio between a volume flow rate measured by the volume flow meter and a mass flow rate measured by the mass flow meter, and calculates the average Based on the calculated value of the molecular weight flow rate and the measured value of the mass flow rate of the source gas, calculate the mass flow rate of carbon contained in the source gas, and calculate the mass of the water vapor or the source gas based on the calculated value. 16. The hydrogen production apparatus according to claim 14, wherein a flow rate or a volume flow rate is controlled.

The source gas is a saturated hydrocarbon gas generally represented by the chemical formula: C _n H _{2n + 2} , the mass flow rate of the source gas is dM, the volume flow rate of the source gas converted to a standard state is dV, and the average of the source gas is Assuming that the molecular weight is M _mean , the value of n representing the average composition of the source gas is N _mean, and 1 mol volume in a standard state is V _na , the control calculation means sets the average molecular weight M _mean to:
M _mean = (dM / dV) × V _na ,
The N _mean is
N _mean = {dM / dV) V _na -2} / 14
Calculated by the calculation that, further using the _{N mean,} the mass flow rate _{M c} of the carbon,
M _c = {12 × N _mean / (14 × N _mean +2)} × dM
The hydrogen production apparatus according to claim 16, wherein the calculation is performed by the following calculation.

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 11 to 17, wherein the hydrogen production apparatus is used as:

The method according to any one of claims 11 to 17, wherein the source gas is set 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. 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 11 to 17, wherein:

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 volume flow rate of the source gas;
A process of measuring the mass flow rate of the source gas,
Based on the ratio between the volume flow rate and the mass flow rate, calculate the average molecular weight of the composition component of the raw material gas, and calculate the average molecular weight based on the calculated value of the average molecular weight and the measured value of the mass flow rate of the raw material gas. Or a control process for controlling a mass flow rate or a volume flow rate of the raw material gas.

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 21, wherein:

The control process follows and controls a mass flow rate or a volume flow rate of the water vapor based on a mass flow rate of at least one kind of a constituent component of hydrogen contained in the source gas or a constituent component constituting the source gas. The hydrogen production method according to claim 21, wherein:

24. The hydrogen production method according to claim 21, wherein the raw material gas is a saturated hydrocarbon gas.

The raw material gas is a gas of a saturated hydrocarbon isomer or partially substituted or unsaturated hydrocarbon,
24. The method according to claim 21, wherein the control process further comprises a process of correcting or calibrating the calculated value of the average molecular weight in accordance with the composition and structure of the source gas. Item 6. The hydrogen production method according to item 1.

The control process is based on a ratio between the volume flow rate and the mass flow rate, calculates an average molecular weight of carbon contained in the raw material gas, and based on the value and a measured value of the mass flow rate of the raw material gas, 26. The method according to claim 24, wherein a mass flow rate of carbon contained in the raw material gas is calculated, and a mass flow rate or a volume flow rate of the water vapor or the raw material gas is controlled based on the calculated value. The method for producing hydrogen as described above.

The source gas is a saturated hydrocarbon gas generally represented by the chemical formula: C _n H _{2n + 2} , the mass flow rate of the source gas is dM, the volume flow rate of the source gas converted to a standard state is dV, and the average of the source gas is Assuming that the molecular weight is M _mean , the value of n representing the average composition of the raw material gas is N _mean, and the molar volume in a standard state is V _na , the control operation means sets the average molecular weight M _mean to M _mean = (dM / DV) × V _na ,
N _mean , which is the value of n representing the average composition,
N _mean = {dM / dV) V _na -2} / 14
Calculated by the calculation that, further using the _{N mean,} the mass flow rate _{M c} of the carbon,
M _c = {12 × N _mean / (14 × N _mean +2)} × dM
27. The hydrogen production method according to claim 26, wherein the calculation is performed by the following calculation.