JP2021038121A - Hydrogen utilization system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素利用システムに関する。 The present invention relates to a hydrogen utilization system.
従来の水素利用システムとしては、例えば特許文献1に記載されているようなコージェネレーションシステムが知られている。特許文献1に記載のコージェネレーションシステムは、アンモニアタンクと、このアンモニアタンクから供給されるアンモニアを気化する気化器と、この気化器からの燃料と空気とを混合して改質し、水素を含有した改質ガスを生成する改質器と、改質ガスによって駆動するエンジンとを備えている。 As a conventional hydrogen utilization system, for example, a cogeneration system as described in Patent Document 1 is known. The cogeneration system described in Patent Document 1 contains hydrogen by mixing and reforming an ammonia tank, a vaporizer that vaporizes ammonia supplied from the ammonia tank, and fuel and air from this vaporizer. It is equipped with a reformer that produces the reformed gas and an engine that is driven by the reformed gas.
ところで、上記従来技術においては、改質器からエンジン(水素利用装置)に改質ガスが供給されると、改質ガスの熱量(エネルギー量)が水素利用装置に供給されることになる。ここで、水素利用装置が要求する熱量が変化したとき、或いは改質器の性能が低下したときでも、水素利用装置に供給される熱量を要求値に維持する必要がある。しかし、上記従来技術では、改質器から水素利用装置に供給される改質ガスの熱量を調整していないため、水素利用装置に供給される熱量を要求値に維持することができない。 By the way, in the above-mentioned prior art, when the reforming gas is supplied from the reformer to the engine (hydrogen utilization device), the calorific value (energy amount) of the reforming gas is supplied to the hydrogen utilization device. Here, even when the amount of heat required by the hydrogen utilization device changes or the performance of the reformer deteriorates, it is necessary to maintain the amount of heat supplied to the hydrogen utilization device at the required value. However, in the above-mentioned prior art, since the calorific value of the reforming gas supplied from the reformer to the hydrogen utilization apparatus is not adjusted, the calorific value supplied to the hydrogen utilization apparatus cannot be maintained at the required value.
本発明の目的は、水素利用装置に供給される熱量を要求値に維持することができる水素利用システムを提供することである。 An object of the present invention is to provide a hydrogen utilization system capable of maintaining the amount of heat supplied to the hydrogen utilization apparatus at a required value.
本発明の一態様に係る水素利用システムは、燃料ガスを燃焼させて発生した熱を利用して燃料ガスを改質することにより、水素を含有した改質ガスを生成する改質器と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給源と、酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給源と、燃料ガス供給源から改質器に向けて燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、酸化性ガス供給源から改質器に向けて酸化性ガスが流れる酸化性ガス流路と、改質器により生成された改質ガスに含まれる水素を利用する水素利用装置と、改質器から水素利用装置に向けて改質ガスが流れる改質ガス流路と、改質器をバイパスするように燃料ガス供給源と水素利用装置との間に配置され、燃料ガス供給源から水素利用装置に向けて燃料ガスが流れるバイパス流路と、燃料ガス流路を流れる燃料ガスの流量を調整する第1流量調整部と、酸化性ガス流路を流れる酸化性ガスの流量を調整する第2流量調整部と、バイパス流路を流れる燃料ガスの流量を調整する第3流量調整部と、水素利用装置が要求する熱量に応じて、第1流量調整部、第2流量調整部及び第3流量調整部を制御する制御部とを備える。 The hydrogen utilization system according to one aspect of the present invention includes a reformer that generates a reformed gas containing hydrogen by reforming the fuel gas by utilizing the heat generated by burning the fuel gas, and a fuel. From the fuel gas supply source that supplies the gas, the oxidizing gas supply source that supplies the oxidizing gas, the fuel gas flow path through which the fuel gas flows from the fuel gas supply source to the reformer, and the oxidizing gas supply source. An oxidizing gas flow path through which an oxidizing gas flows toward the reformer, a hydrogen utilization device that uses hydrogen contained in the reforming gas generated by the reformer, and a hydrogen utilization device from the reformer to the hydrogen utilization device. It is arranged between the reformed gas flow path through which the reformed gas flows and the fuel gas supply source and the hydrogen utilization device so as to bypass the reformer, and the fuel gas flows from the fuel gas supply source toward the hydrogen utilization device. A bypass flow path, a first flow rate adjusting unit that adjusts the flow rate of fuel gas flowing through the fuel gas flow path, a second flow rate adjusting unit that adjusts the flow rate of oxidizing gas flowing through the oxidizing gas flow path, and a bypass flow path. A third flow rate adjusting unit that adjusts the flow rate of the fuel gas flowing through the gas, and a control unit that controls the first flow rate adjusting unit, the second flow rate adjusting unit, and the third flow rate adjusting unit according to the amount of heat required by the hydrogen utilization device. To be equipped with.
このような水素利用システムにおいては、燃料ガス供給源と水素利用装置との間には、燃料ガス供給源から水素利用装置に向けて燃料ガスが流れるバイパス流路が改質器をバイパスするように配置されている。そして、水素利用装置が要求する熱量に応じて、改質器に供給される燃料ガスの流量を調整する第1流量調整部、改質器に供給される酸化性ガスの流量を調整する第2流量調整部及び水素利用装置に直接供給される燃料ガスの流量を調整する第3流量調整部が制御される。これにより、水素利用装置が要求する熱量が変化したとき、或いは改質器の性能が低下したときでも、水素利用装置に供給される熱量を要求値に維持することができる。 In such a hydrogen utilization system, between the fuel gas supply source and the hydrogen utilization device, a bypass flow path through which the fuel gas flows from the fuel gas supply source to the hydrogen utilization device bypasses the reformer. Have been placed. Then, the first flow rate adjusting unit that adjusts the flow rate of the fuel gas supplied to the reformer and the second flow rate of the oxidizing gas supplied to the reformer are adjusted according to the amount of heat required by the hydrogen utilization device. The flow rate adjusting unit and the third flow rate adjusting unit that adjusts the flow rate of the fuel gas directly supplied to the hydrogen utilization device are controlled. As a result, even when the amount of heat required by the hydrogen utilization device changes or the performance of the reformer deteriorates, the amount of heat supplied to the hydrogen utilization device can be maintained at the required value.
水素利用システムは、改質器の劣化を検知する劣化検知部を更に備え、制御部は、劣化検知部により改質器の劣化が検知されたときは、燃料ガス流路を流れる燃料ガスの流量が増加するように第1流量調整部を制御し、酸化性ガス流路を流れる酸化性ガスの流量が増加するように第2流量調整部を制御してもよい。改質器が劣化すると、改質器により生成される改質ガスに含まれる水素の流量が減少する。そこで、劣化検知部により改質器の劣化が検知されたときは、改質器に供給される燃料ガスの流量が増加するように第1流量調整部が制御され、改質器に供給される酸化性ガスの流量が増加するように第2流量調整部が制御される。このため、改質器により生成される改質ガスに含まれる水素の流量が増加する。これにより、改質器が劣化したときでも、必要な流量の水素が水素利用装置に供給される。 The hydrogen utilization system further includes a deterioration detection unit that detects the deterioration of the reformer, and the control unit discharges the fuel gas flowing through the fuel gas flow path when the deterioration of the reformer is detected by the deterioration detection unit. The first flow rate adjusting unit may be controlled so that the flow rate of the first flow rate adjusting unit is increased, and the second flow rate adjusting unit may be controlled so that the flow rate of the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas flow path is increased. When the reformer deteriorates, the flow rate of hydrogen contained in the reforming gas generated by the reformer decreases. Therefore, when the deterioration detection unit detects the deterioration of the reformer, the first flow rate adjusting unit is controlled so that the flow rate of the fuel gas supplied to the reformer increases, and the fuel gas is supplied to the reformer. The second flow rate adjusting unit is controlled so that the flow rate of the oxidizing gas increases. Therefore, the flow rate of hydrogen contained in the reforming gas generated by the reformer increases. As a result, even when the reformer deteriorates, the required flow rate of hydrogen is supplied to the hydrogen utilization device.
制御部は、バイパス流路を流れる燃料ガスの流量が減少するように第3流量調整部を制御してもよい。改質器に供給される燃料ガス及び酸化性ガスの流量が増加すると、改質器により燃料ガスが改質されることで生成される水素の流量が増加するだけでなく、改質器により改質されない燃料ガスの流量も増加する。そこで、バイパス流路を介して水素利用装置に直接供給される燃料ガスの流量が減少するように第3流量調整部を制御することにより、水素利用装置に供給される燃料ガスの合計流量を増加させなくて済む。従って、改質器が劣化しているが、水素利用装置が要求する熱量が変化していないときでも、水素利用装置に供給される熱量を要求値に維持することができる。 The control unit may control the third flow rate adjusting unit so that the flow rate of the fuel gas flowing through the bypass flow path is reduced. When the flow rate of fuel gas and oxidizing gas supplied to the reformer increases, not only the flow rate of hydrogen produced by reforming the fuel gas by the reformer increases, but also the flow rate of hydrogen produced by the reformer increases. The flow of unreformed fuel gas also increases. Therefore, by controlling the third flow rate adjusting unit so that the flow rate of the fuel gas directly supplied to the hydrogen utilization device via the bypass flow path decreases, the total flow rate of the fuel gas supplied to the hydrogen utilization device is increased. You don't have to let it. Therefore, even when the reformer is deteriorated but the amount of heat required by the hydrogen utilization device has not changed, the amount of heat supplied to the hydrogen utilization device can be maintained at the required value.
水素利用システムは、改質ガスの温度を検出する第1温度検出部を更に備え、劣化検知部は、第1温度検出部の検出値を用いて、改質器の劣化を検知してもよい。改質器が劣化すると、改質器により生成された改質ガスの温度が上昇しやすくなる。従って、改質ガスの温度を検出することにより、改質器の劣化を容易に検知することができる。 The hydrogen utilization system further includes a first temperature detection unit that detects the temperature of the reformed gas, and the deterioration detection unit may detect the deterioration of the reformer by using the detection value of the first temperature detection unit. .. When the reformer deteriorates, the temperature of the reforming gas generated by the reformer tends to rise. Therefore, by detecting the temperature of the reforming gas, deterioration of the reformer can be easily detected.
水素利用システムは、燃料ガス流路を流れる燃料ガスと酸化性ガス流路を流れる酸化性ガスとの混合ガスの温度を検出する第2温度検出部と、改質器の筐体の温度を検出する第3温度検出部とを更に備え、劣化検知部は、第1温度検出部、第2温度検出部及び第3温度検出部の検出値に基づいて、改質ガスに含まれる水素の実流量を求め、水素の実流量と予め決められた水素の目標流量との差分から改質器の劣化量を推定し、制御部は、改質器の劣化量に基づいて、改質器に対する燃料ガス及び酸化性ガスの供給流量を決定し、燃料ガスの供給流量に応じて第1流量調整部を制御し、酸化性ガスの供給流量に応じて第2流量調整部を制御してもよい。このような構成では、改質器により生成された改質ガスの温度と、改質器に供給される燃料ガス及び酸化性ガスの混合ガスの温度と、改質器の筐体の温度とを検出することにより、改質器の劣化量を容易に推定することができる。そして、改質器の劣化量に基づいて、改質器に供給される燃料ガス及び酸化性ガスの流量を決定し、その流量に応じて第1流量調整部及び第2流量調整部をそれぞれ制御することにより、改質器の劣化量に応じた適切な流量の水素を生成することができる。 The hydrogen utilization system detects the temperature of the second temperature detector that detects the temperature of the mixed gas of the fuel gas flowing through the fuel gas flow path and the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas flow path, and the temperature of the reformer housing. The deterioration detection unit further includes a third temperature detection unit, and the deterioration detection unit is based on the detection values of the first temperature detection unit, the second temperature detection unit, and the third temperature detection unit, and the actual flow rate of hydrogen contained in the reforming gas. The amount of deterioration of the reformer is estimated from the difference between the actual flow rate of hydrogen and the predetermined target flow rate of hydrogen, and the control unit determines the fuel gas for the reformer based on the deterioration amount of the reformer. And the supply flow rate of the oxidizing gas may be determined, the first flow rate adjusting unit may be controlled according to the supply flow rate of the fuel gas, and the second flow rate adjusting unit may be controlled according to the supply flow rate of the oxidizing gas. In such a configuration, the temperature of the reforming gas generated by the reformer, the temperature of the mixed gas of the fuel gas and the oxidizing gas supplied to the reformer, and the temperature of the housing of the reformer are set. By detecting, the amount of deterioration of the reformer can be easily estimated. Then, the flow rates of the fuel gas and the oxidizing gas supplied to the reformer are determined based on the amount of deterioration of the reformer, and the first flow rate adjusting unit and the second flow rate adjusting unit are controlled according to the flow rates. By doing so, it is possible to generate hydrogen at an appropriate flow rate according to the amount of deterioration of the reformer.
燃料ガスがアンモニアガスであってもよい。アンモニアガスは燃焼しにくいが、水素は燃焼しやすい。このため、水素利用装置がアンモニアガスを燃焼する場合、改質器により生成された水素を水素利用装置に供給するのが効果的である。 The fuel gas may be ammonia gas. Ammonia gas is hard to burn, but hydrogen is easy to burn. Therefore, when the hydrogen utilization device burns ammonia gas, it is effective to supply the hydrogen generated by the reformer to the hydrogen utilization device.
本発明によれば、水素利用装置に供給される熱量を要求値に維持することができる。 According to the present invention, the amount of heat supplied to the hydrogen utilization device can be maintained at the required value.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or equivalent elements are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.
図1は、本発明の第1実施形態に係る水素利用システムを示す概略構成図である。図1において、本実施形態の水素利用システム1は、アンモニアガス供給源2と、空気供給源3と、改質器4と、水素利用装置5とを備えている。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a hydrogen utilization system according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the hydrogen utilization system 1 of the present embodiment includes an ammonia
アンモニアガス供給源2は、燃料ガスであるアンモニアガス(NH3ガス)を供給する燃料ガス供給源である。アンモニアガス供給源2は、特に図示はしないが、アンモニアを液体状態で貯蔵するアンモニアタンクと、液体状態のアンモニアを気化させてアンモニアガスを生成する気化器とを有している。
Ammonia
空気供給源3は、酸化性ガスである空気を供給する酸化性ガス供給源である。空気供給源3としては、例えば送風機等が用いられる。 The air supply source 3 is an oxidizing gas supply source that supplies air, which is an oxidizing gas. As the air supply source 3, for example, a blower or the like is used.
改質器4は、アンモニアガス供給源2とアンモニアガス流路6を介して接続されている。アンモニアガス流路6は、アンモニアガス供給源2から改質器4に向けてアンモニアガスが流れる燃料ガス流路である。アンモニアガス流路6の一端は、アンモニアガス供給源2に接続されている。アンモニアガス流路6の他端は、改質器4の入口部4aに接続されている。
The
また、改質器4は、空気供給源3と空気流路7を介して接続されている。空気流路7は、空気供給源3から改質器4に向けて空気が流れる酸化性ガス流路である。空気流路7の一端は、空気供給源3に接続されている。空気流路7の他端は、アンモニアガス流路6に接続されている。従って、アンモニアガス流路6における空気流路7との接続点と改質器4との間の部分には、アンモニアガスと空気との混合ガスが流れることとなる。つまり、改質器4の入口部4aには、アンモニアガスと空気とが混合した状態で導入される。
Further, the
アンモニアガス流路6には、流量調整弁8が配設されている。流量調整弁8は、アンモニアガス流路6を流れるアンモニアガスの流量を調整する第1流量調整部である。空気流路7には、流量調整弁9が配設されている。流量調整弁9は、空気流路7を流れる空気の流量を調整する第2流量調整部である。
A flow
改質器4は、アンモニアガスを燃焼させて発生した熱を利用してアンモニアガスを改質することにより、水素を含有した改質ガスを生成する。改質器4は、アンモニアを燃焼させる燃焼触媒10と、この燃焼触媒10よりも下流側に配置され、アンモニアを水素に分解する改質触媒11とを有している。
The
燃焼触媒10としては、例えばゼオライトにパラジウム及び銅が担持された触媒またはCuO/10Al2O3・2B2O3等が用いられる。燃焼触媒10は、例えば200℃〜400℃の温度領域においてアンモニアを燃焼させる。改質触媒11としては、例えRu/CeO2、Ru/ZrO2、Ru/MgO、Ru/Al2O3またはRu/SiO2等が用いられる。改質触媒11は、例えば250℃〜500℃の温度領域においてアンモニアを水素に分解する。
The
水素利用装置5は、改質ガス流路12を介して改質器4と接続されている。改質ガス流路12は、改質器4により生成された改質ガスが流れる流路である。改質ガス流路12の一端は、改質器4の出口部4bに接続されている。改質ガス流路12の他端は、水素利用装置5に接続されている。
The hydrogen utilization device 5 is connected to the
水素利用装置5は、改質ガスに含まれる水素を利用する装置である。水素利用装置5としては、例えば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の燃焼装置、或いは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等が挙げられる。なお、アンモニアガスは燃焼しにくいが、水素は燃焼しやすい。このため、改質器4により生成された水素が水素利用装置5に供給される。
The hydrogen utilization device 5 is an apparatus that utilizes hydrogen contained in the reforming gas. Examples of the hydrogen utilization device 5 include a combustion device such as an ammonia engine or an ammonia gas turbine using ammonia as fuel, or a fuel cell that chemically reacts hydrogen with oxygen in the air to generate power. Ammonia gas is hard to burn, but hydrogen is easy to burn. Therefore, the hydrogen generated by the
また、水素利用システム1は、改質器4をバイパスするようにアンモニアガス供給源2と水素利用装置5との間に配置されたバイパス流路13を備えている。バイパス流路13は、アンモニアガス供給源2から水素利用装置5に向けてアンモニアガスが流れる流路である。バイパス流路13の一端は、アンモニアガス流路6に接続されている。バイパス流路13の他端は、改質ガス流路12に接続されている。
Further, the hydrogen utilization system 1 includes a
バイパス流路13には、流量調整弁14が配設されている。流量調整弁14は、バイパス流路13を流れるアンモニアガスの流量を調整する第3流量調整部である。
A flow
また、水素利用システム1は、メインコントローラ15と、改質器コントローラ16とを備えている。メインコントローラ15及び改質器コントローラ16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。
Further, the hydrogen utilization system 1 includes a
メインコントローラ15は、水素利用装置5を含む水素利用システム1の全体を制御すると共に、水素利用装置5の状態を監視する。メインコントローラ15は、水素利用装置5の状態に基づいて、水素利用装置5が要求する熱量(エネルギー量)を決定し、その熱量情報を改質器コントローラ16に出力する。
The
改質器コントローラ16は、水素利用装置5が要求する熱量に応じて、流量調整弁8,9,14を制御する制御部である。改質器コントローラ16は、メインコントローラ15からの熱量情報を取得し、その熱量情報に基づいて流量調整弁8,9,14を制御する。
The
図2は、改質器コントローラ16により実行される制御処理の手順を示すフローチャートである。本処理は、水素利用システム1が起動されると、実行される。
FIG. 2 is a flowchart showing a procedure of control processing executed by the
図2において、改質器コントローラ16は、まずメインコントローラ15からの熱量情報を取得する(手順S101)。続いて、改質器コントローラ16は、メインコントローラ15からの熱量情報に基づいて、水素利用装置5が要求する熱量の変更があるかどうかを判断する(手順S102)。なお、熱量の変更には、水素利用システム1の起動による熱量の初期設定も含まれる。改質器コントローラ16は、水素利用装置5が要求する熱量の変更がないと判断したときは、手順S101を再度実行する。
In FIG. 2, the
改質器コントローラ16は、水素利用装置5が要求する熱量の変更があると判断したときは、水素利用装置5が要求する熱量に基づいて、改質器4に対するアンモニアガス及び空気の供給流量と水素利用装置5に対するアンモニアガスの供給流量とを決定する(手順S103)。つまり、改質器コントローラ16は、アンモニアガス流路6を流れるアンモニアガスの流量、空気流路7を流れる空気の流量及びバイパス流路13を流れるアンモニアガスの流量を決定する。
When the
ここで、水素利用装置5にガスが供給されると、ガスの熱量(エネルギー量)が水素利用装置5に供給されることになる。水素利用装置5に供給されるガスの合計熱量は、水素利用装置5に供給される水素の熱量と水素利用装置5に供給されるアンモニアガスの熱量との合計である。なお、水素利用装置5において所望の熱量を得るためには、水素の熱量がある程度必要となる。 Here, when the gas is supplied to the hydrogen utilization device 5, the amount of heat (energy amount) of the gas is supplied to the hydrogen utilization device 5. The total calorific value of the gas supplied to the hydrogen utilization device 5 is the sum of the calorific value of hydrogen supplied to the hydrogen utilization device 5 and the calorific value of the ammonia gas supplied to the hydrogen utilization device 5. In addition, in order to obtain a desired amount of heat in the hydrogen utilization device 5, a certain amount of heat of hydrogen is required.
水素利用装置5に供給される熱量が規定値になるときに、改質器4に供給されるアンモニアガス及び空気の流量は、実験等により予め分かっている。そこで、改質器コントローラ16は、水素利用装置5に供給される熱量が規定値であるときのアンモニアガス及び空気の流量を基準として、水素利用装置5が要求する熱量に基づいて、改質器4に対するアンモニアガス及び空気の供給流量と水素利用装置5に対するアンモニアガスの供給流量とを決定する。
When the amount of heat supplied to the hydrogen utilization device 5 reaches a specified value, the flow rates of ammonia gas and air supplied to the
また、改質器コントローラ16は、水素利用装置5が要求する熱量と、改質器4に対するアンモニアガス及び空気の供給流量と水素利用装置5に対するアンモニアガスの供給流量との関係をマップデータとして予め用意しておき、そのマップデータを用いて、水素利用装置5が要求する熱量に基づいて、改質器4に対するアンモニアガス及び空気の供給流量と水素利用装置5に対するアンモニアガスの供給流量とを決定してもよい。
Further, the
改質器コントローラ16は、水素利用装置5が要求する熱量が増加したときは、改質器4に供給されるアンモニアガス及び空気の流量を増加させる。このとき、水素利用装置5が要求する熱量の増加量に応じて、水素利用装置5に直接供給されるアンモニアガスの流量を変更する。一方、改質器コントローラ16は、水素利用装置5が要求する熱量が減少したときは、改質器4に供給されるアンモニアガス及び空気の流量を減少させる。このとき、水素利用装置5が要求する熱量の減少量に応じて、水素利用装置5に直接供給されるアンモニアガスの流量を変更する。
The
具体的には、例えば改質器4には最適な動作範囲があるため、改質器4に供給されるアンモニアガス及び空気の流量を制御するたけでは、水素利用装置5に供給される熱量の調整に制約がある。そこで、改質器コントローラ16は、改質器4の最適な動作範囲よりも高くなるような大きな熱量が要求された場合は、改質器4に供給されるアンモニアガスの流量を増加させるだけでなく、水素利用装置5に直接供給されるアンモニアガスの流量も増加させる。一方、改質器コントローラ16は、改質器4の最適な動作範囲よりも低くなるような小さな熱量が要求された場合は、改質器4に供給されるアンモニアガスの流量を減少させるだけでなく、水素利用装置5に直接供給されるアンモニアガスの流量も減少させる。
Specifically, for example, since the
そして、改質器コントローラ16は、改質器4に対するアンモニアガスの供給流量に応じて流量調整弁8を制御し、改質器4に対する空気の供給流量に応じて流量調整弁9を制御し、水素利用装置5に対するアンモニアガスの供給流量に応じて流量調整弁14を制御する(手順S104)。そして、改質器コントローラ16は、手順S101を再度実行する。
Then, the
以上のような水素利用システム1が起動されると、アンモニアガス供給源2から改質器4にアンモニアガスが供給されると共に、空気供給源3から改質器4に空気が供給される。
When the hydrogen utilization system 1 as described above is activated, ammonia gas is supplied from the ammonia
そして、ヒータ(図示せず)等により改質器4が加熱されることで改質器4が昇温し、改質器4の温度が燃焼可能温度に達すると、燃焼触媒10によりアンモニアガスが燃焼する。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(酸化反応)することで、アンモニアの燃焼反応が起こり、燃焼熱が発生する。なお、酸化反応は、発熱を伴う反応である。
NH3+3/4O2→1/2N2+3/2H2O+317kJ/mol …(A)
Then, when the
NH 3 + 3/4O 2 → 1 / 2N 2 + 3 / 2H 2 O + 317kJ / mol… (A)
そして、アンモニアガスの燃焼熱によって改質器4が更に昇温し、改質器4の温度が改質可能温度に達すると、改質触媒11によりアンモニアガスが改質され、水素を含有した改質ガスが生成される。具体的には、下記式のように、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、窒素及びアンモニアを含む改質ガスが生成される。なお、改質反応は、吸熱を伴う反応である。
NH3→3/2H2+1/2N2−46kJ/mol …(B)
Then, when the
NH 3 → 3 / 2H 2 + 1 / 2N 2 -46kJ / mol ... (B)
改質器4により生成された改質ガスは水素利用装置5に供給され、水素利用装置5において改質ガスに含まれる水素が利用される。このとき、改質器4から出力される改質ガスの温度は、上記(A)式の酸化反応と上記(B)式の改質反応とのバランスで決まる。
The reforming gas generated by the
改質器4の運転中に、水素利用装置5が要求する熱量が変化すると、水素利用装置5が要求する熱量に応じて流量調整弁8,9,14が制御されることで、改質器4の運転条件が変更される。これにより、水素利用装置5に供給される熱量が適切に調整される。
When the amount of heat required by the hydrogen utilization device 5 changes during the operation of the
以上のような本実施形態にあっては、アンモニアガス供給源2と水素利用装置5との間には、アンモニアガス供給源2から水素利用装置5に向けてアンモニアガスが流れるバイパス流路13が改質器4をバイパスするように配置されている。そして、水素利用装置5が要求する熱量に応じて、改質器4に供給されるアンモニアガスの流量を調整する流量調整弁8、改質器4に供給される空気の流量を調整する流量調整弁9及び水素利用装置5に直接供給されるアンモニアガスの流量を調整する流量調整弁14が制御される。これにより、水素利用装置5が要求する熱量が変化したときでも、水素利用装置5に供給される熱量を要求値に維持することができる。
In the present embodiment as described above, between the ammonia
図3は、本発明の第2実施形態に係る水素利用システムを示す概略構成図である。図3において、本実施形態の水素利用システム1Aは、上記の第1実施形態における構成に加え、温度センサ21〜23を備えている。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a hydrogen utilization system according to a second embodiment of the present invention. In FIG. 3, the
温度センサ21は、改質ガス流路12に配設されている。温度センサ21は、改質ガスの温度を検出する第1温度検出部である。温度センサ22は、アンモニアガス流路6における空気流路7との接続点よりも下流側に配設されている。温度センサ22は、アンモニアガスと空気との混合ガスの温度を検出する第2温度検出部である。温度センサ23は、改質器4の筐体4cに配設されている。温度センサ23は、改質器4の筐体4cの温度を検出する第3温度検出部である。
The
また、水素利用システム1は、上記の第1実施形態における改質器コントローラ16に代えて、改質器コントローラ16Aを備えている。改質器コントローラ16Aは、図4に示されるように、熱量変更時バルブ制御部24と、劣化検知部25と、劣化時バルブ制御部26とを有している。
Further, the hydrogen utilization system 1 includes a
熱量変更時バルブ制御部24は、水素利用装置5が要求する熱量に応じて、流量調整弁8,9,14を制御する制御部である。熱量変更時バルブ制御部24は、上記の改質器コントローラ16と同じ機能を有している。
The heat amount changing
劣化検知部25は、温度センサ21〜23の検出値を用いて、改質器4の劣化を検知する。このとき、劣化検知部25は、温度センサ21〜23の検出値に基づいて、改質ガス流路12を流れる改質ガスに含まれる水素の実流量を求め、水素の実流量と予め決められた水素の目標流量との差分から改質器4の劣化量を推定する。
The
劣化時バルブ制御部26は、水素利用装置5が要求する熱量に応じて、流量調整弁8,9,14を制御する制御部である。また、劣化時バルブ制御部26は、劣化検知部25により改質器4の劣化が検知されたときは、アンモニアガス流路6を流れるアンモニアガスの流量が増加するように流量調整弁8を制御し、空気流路7を流れる空気の流量が増加するように流量調整弁9を制御し、バイパス流路13を流れるアンモニアガスの流量が減少するように流量調整弁14を制御する。
The deterioration
図5は、改質器コントローラ16Aにより実行される処理手順を示すフローチャートである。なお、本処理では、劣化検知部25及び劣化時バルブ制御部26により実行される処理を示し、熱量変更時バルブ制御部24により実行される処理を省略している。つまり、本処理では、水素利用装置5が要求する熱量が変更されないことが前提となっている。
FIG. 5 is a flowchart showing a processing procedure executed by the
図5において、改質器コントローラ16Aは、まず温度センサ21〜23の検出値を取得する(手順S111)。続いて、改質器コントローラ16Aは、温度センサ21〜23の検出値に基づいて、改質ガス流路12を流れる改質ガスの全流量を計算する(手順S112)。改質ガスの全流量の計算は、以下のように行う。
In FIG. 5, the
即ち、改質器4では、燃焼触媒10よりも改質触媒11のほうが劣化しやすい。改質触媒11が劣化すると、改質触媒11の吸熱量が減少するため、改質器4の出口部4bから出力される改質ガスの温度が上昇する。
That is, in the
図6に示されるように、改質器4の入口部4aから流入するアンモニアガスと空気との混合ガスの熱量をQ1とし、改質器4の出口部4bから放出される改質ガスの熱量をQ2とし、改質器4の筐体4cから放出される熱量をQ3とすると、次の関係式が成り立つ。
Q1=Q2+Q3
Q1=混合ガス流量(設定値)×混合ガス温度(計測値)
Q2=改質ガス全流量(不明値)×改質ガス温度(計測値)
Q3=自然対流熱伝達率(理論値)×筐体表面積(既知)×筐体温度(計測値)
As shown in FIG. 6, the calorific value of the mixed gas of ammonia gas and air flowing in from the
Q1 = Q2 + Q3
Q1 = mixed gas flow rate (set value) x mixed gas temperature (measured value)
Q2 = total flow rate of reformed gas (unknown value) x reformed gas temperature (measured value)
Q3 = Natural convection heat transfer coefficient (theoretical value) x housing surface area (known) x housing temperature (measured value)
混合ガスの温度は、温度センサ22の検出値から得られる。改質ガスの温度は、温度センサ21の検出値から得られる。筐体4cの温度は、温度センサ23の検出値から得られる。混合ガスの流量、自然対流熱伝達率及び筐体の表面積は、予め分かっている。従って、上記式によって、改質ガスの全流量が得られる。
The temperature of the mixed gas is obtained from the detected value of the
続いて、改質器コントローラ16Aは、改質ガスに含まれる水素の実流量を計算する(手順S113)。水素の実流量は、実際の水素の流量である。改質ガス中における水素、窒素、アンモニア及び水分の比率は、予め分かっている。このため、改質ガスの全流量から水素の実流量が得られる。
Subsequently, the
続いて、改質器コントローラ16Aは、水素の目標流量と水素の実流量との差分を計算する(手順S114)。水素の目標流量は、予め決められている。改質器4に供給されるアンモニアガス及び空気の流量は、水素の目標流量によって決まる。
Subsequently, the
続いて、改質器コントローラ16Aは、水素の目標流量と水素の実流量との差分が規定値以上であるかどうかを判断する(手順S115)。規定値は、改質器4の特性、規格または運転状態等に応じて適宜決定される。改質器コントローラ16Aは、水素の目標流量と水素の実流量との差分が規定値よりも小さいと判断したときは、改質器4が劣化していないと判定し、手順S111を再度実行する。
Subsequently, the
改質器コントローラ16Aは、水素の目標流量と水素の実流量との差分が規定値以上であると判断したときは、改質器4が劣化していると判定し、当該差分から改質器4の劣化量を推定する(手順S116)。ここでは、水素の目標流量と水素の実流量との差分自体を改質器4の劣化量とする。
When the
続いて、改質器コントローラ16Aは、改質器4の劣化量に基づいて、改質器4に対するアンモニアガス及び空気の供給流量と水素利用装置5に対するアンモニアガスの供給流量とを決定する(手順S117)。
Subsequently, the
このとき、改質器コントローラ16Aは、改質器4の劣化量に対応する分だけ、改質器4に対するアンモニアガス及び空気の供給流量を増加させる。また、改質器コントローラ16Aは、水素利用装置5に供給されるアンモニアガスの全流量が相殺されるように、改質器4に対するアンモニアガスの供給流量の増加量に対応する分だけ、水素利用装置5に対するアンモニアガスの供給流量を減少させる。
At this time, the
そして、改質器コントローラ16Aは、改質器4に対するアンモニアガスの供給流量に応じて流量調整弁8を制御し、改質器4に対する空気の供給流量に応じて流量調整弁9を制御し、水素利用装置5に対するアンモニアガスの供給流量に応じて流量調整弁14を制御する(手順S118)。そして、改質器コントローラ16Aは、手順S111を再度実行する。
Then, the
以上において、手順S111〜116は、劣化検知部25により実行される。手順S117,118は、劣化時バルブ制御部26により実行される。
In the above, steps S111 to 116 are executed by the
例えば図7に示されるように、改質器4に供給されるアンモニアガスの流量を100としたときに、目標改質アンモニアガス流量(目標水素流量)が60であり、目標残存アンモニアガス流量が40であると想定する。この場合に、実改質アンモニアガス流量(実水素流量)が50となり、実残存アンモニアガス流量が50となるときは、目標水素流量と実水素流量との差分が10となる。
For example, as shown in FIG. 7, when the flow rate of ammonia gas supplied to the
そこで、改質器4に供給されるアンモニアガスの流量を、目標水素流量と実水素流量との差分の2倍分だけ増加させる。つまり、改質器4に供給されるアンモニアガスの流量は、120となる。すると、実改質アンモニアガス流量(実水素流量)が60となり、目標改質アンモニアガス流量(目標水素流量)と等しくなる。
Therefore, the flow rate of the ammonia gas supplied to the
ただし、実残存アンモニアガス流量も60となり、目標残存アンモニアガス流量よりも20だけ多くなる。このため、水素利用装置5に直接供給されるアンモニアガスの流量を20だけ少なくする。従って、改質器4から水素利用装置5に供給される実残存アンモニアガス流量とアンモニアガス供給源2から水素利用装置5に直接供給されるアンモニアガスの流量との合計は、変わることはない。その結果、水素利用装置5が要求する熱量が得られる。
However, the actual residual ammonia gas flow rate is also 60, which is 20 more than the target residual ammonia gas flow rate. Therefore, the flow rate of the ammonia gas directly supplied to the hydrogen utilization device 5 is reduced by 20. Therefore, the total of the actual residual ammonia gas flow rate supplied from the
以上のような本実施形態においても、水素利用装置5が要求する熱量に応じて、改質器4に供給されるアンモニアガスの流量を調整する流量調整弁8、改質器4に供給される空気の流量を調整する流量調整弁9及び水素利用装置5に直接供給されるアンモニアガスの流量を調整する流量調整弁14が制御される。これにより、改質器4の性能が低下したときでも、水素利用装置5に供給される熱量を要求値に維持することができる。
Also in the present embodiment as described above, it is supplied to the flow
また、本実施形態では、改質器4の劣化が検知されたときは、改質器4に供給されるアンモニアガスの流量が増加するように流量調整弁8が制御され、改質器4に供給される空気の流量が増加するように流量調整弁9が制御されるため、改質器4により生成される改質ガスに含まれる水素の流量が増加する。これにより、改質器4が劣化したときでも、必要な流量の水素が水素利用装置5に供給される。
Further, in the present embodiment, when deterioration of the
また、本実施形態では、改質器4に供給されるアンモニアガス及び空気の流量が増加することで、改質器4に残存するアンモニアガスの流量も増加しても、バイパス流路13を介して水素利用装置5に直接供給されるアンモニアガスの流量が減少するように流量調整弁14が制御される。このため、水素利用装置5に供給されるアンモニアガスの合計流量を増加させなくて済む。従って、改質器4が劣化しているが、水素利用装置5が要求する熱量が変化していないときでも、水素利用装置5に供給される熱量を要求値に維持することができる。
Further, in the present embodiment, even if the flow rate of the ammonia gas and air supplied to the
また、本実施形態では、改質器4が劣化することで、改質器4により生成された改質ガスの温度が上昇しやすくなるが、改質ガスの温度を検出することにより、改質器4の劣化を容易に検知することができる。
Further, in the present embodiment, the temperature of the reforming gas generated by the
また、本実施形態では、改質器4により生成された改質ガスの温度と、改質器4に供給されるアンモニアガス及び空気の混合ガスの温度と、改質器4の筐体4cの温度とを検出することにより、改質器4の劣化量を容易に推定することができる。そして、改質器4の劣化量に基づいて、改質器4に供給されるアンモニアガス及び空気の流量を決定し、その流量に応じて流量調整弁8,9を制御することにより、改質器4の劣化量に応じた適切な流量の水素を生成することができる。
Further, in the present embodiment, the temperature of the reforming gas generated by the
なお、本実施形態では、改質器コントローラ16Aによって、水素利用装置5が要求する熱量が変化したときの制御処理と改質器4が劣化したときの制御処理とが別々のフローで実行されているが、特にその形態には限られず、水素利用装置5が要求する熱量が変化したときの制御処理と改質器4が劣化したときの制御処理とを1つのフローで実行してもよい。
In the present embodiment, the
例えば、水素利用装置5が要求する熱量が増加すると共に、改質器4が劣化したときは、改質器4に供給されるアンモニアガス及び空気の流量が増加する。このとき、水素利用装置5に直接供給されるアンモニアガスの流量については、変更してもよいし、変更しなくてもよく、水素利用装置5が要求する熱量の増加量に応じて決定される。
For example, when the amount of heat required by the hydrogen utilization device 5 increases and the
以上、本発明の実施形態について幾つか説明してきたが、本発明は上記実施形態には限定されない。例えば上記の第2実施形態では、温度センサ21〜23に基づいて改質器4の劣化を改質器4自体で検知しているが、特にその形態には限られず、改質器4の累積作動時間によって改質器4の劣化を検知してもよいし、或いは水素利用装置5の状態の変化量に基づいて改質器4の劣化を検知してもよい。
Although some embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments. For example, in the above-mentioned second embodiment, the deterioration of the
また、上記の第2実施形態では、圧力の影響は考慮されていないが、改質器4の改質性能は、圧力によって変化することがある。従って、改質器4の劣化を検知する際には、改質器4の圧力も考慮してもよい。
Further, in the above-mentioned second embodiment, the influence of pressure is not considered, but the reforming performance of the
また、上記実施形態では、アンモニアガス流路6、空気流路7及びバイパス流路13には、第1流量調整部〜第3流量調整部である流量調整弁8,9,14がそれぞれ配設されているが、第1流量調整部〜第3流量調整部としては、特にそのような流量調整弁には限られない。例えば、アンモニアガス流路6とバイパス流路13との合流点に、改質器4及び水素利用装置5へ流れるアンモニアガスの分配比率を調整する3方弁タイプの流量調整弁を配設してもよい。この場合には、3方弁タイプの流量調整弁は、第1流量調整部及び第3流量調整部を兼ねることになる。また、第1流量調整部〜第3流量調整部は、圧縮機やポンプ等であってもよい。
Further, in the above embodiment, the flow
また、上記実施形態では、改質器4は、アンモニアガスを燃焼させる燃焼触媒10と、アンモニアを水素に分解する改質触媒11とを有しているが、改質器4に使用される触媒としては、特にその形態には限られず、例えばアンモニアを燃焼させると共にアンモニアを水素に分解する燃焼改質触媒を使用してもよい。
Further, in the above embodiment, the
また、上記実施形態では、改質器コントローラ16により流量調整弁8,9,14が制御されているが、特にその形態には限られず、例えばメインコントローラ15により流量調整弁8,9,14を直接制御してもよい。この場合には、コントローラの数が必要最小限で済むと共に、改質器コントローラ16への熱量情報の出力が不要となる。
Further, in the above embodiment, the flow
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水素利用システムにも適用可能である。 Further, in the above embodiment, ammonia gas is used as the fuel gas, but the present invention can also be applied to a hydrogen utilization system using a hydrocarbon gas or the like as the fuel gas.
また、上記実施形態では、酸化性ガスとして空気を使用しているが、本発明は、酸化性ガスとして酸素を使用した水素利用システムにも適用可能である。 Further, in the above embodiment, air is used as the oxidizing gas, but the present invention is also applicable to a hydrogen utilization system using oxygen as the oxidizing gas.
1,1A…水素利用システム、2…アンモニアガス供給源(燃料ガス供給源)、3…空気供給源(酸化性ガス供給源)、4…改質器、4c…筐体、5…水素利用装置、6…アンモニアガス流路(燃料ガス流路)、7…空気流路(酸化性ガス流路)、8…流量調整弁(第1流量調整部)、9…流量調整弁(第2流量調整部)、12…改質ガス流路、13…バイパス流路、14…流量調整弁(第3流量調整部)、16…改質器コントローラ(制御部)、21…温度センサ(第1温度検出部)、22…温度センサ(第2温度検出部)、23…温度センサ(第3温度検出部)、24…熱量変更時バルブ制御部(制御部)、25…劣化検知部、26…劣化時バルブ制御部(制御部)。 1,1A ... Hydrogen utilization system, 2 ... Ammonia gas supply source (fuel gas supply source), 3 ... Air supply source (oxidizing gas supply source), 4 ... Reformer, 4c ... Housing, 5 ... Hydrogen utilization device , 6 ... Ammonia gas flow path (fuel gas flow path), 7 ... Air flow path (oxidizing gas flow path), 8 ... Flow rate adjusting valve (first flow rate adjusting section), 9 ... Flow rate adjusting valve (second flow rate adjusting) Section), 12 ... reforming gas flow path, 13 ... bypass flow path, 14 ... flow rate adjusting valve (third flow rate adjusting section), 16 ... reformer controller (control section), 21 ... temperature sensor (first temperature detection) Unit), 22 ... Temperature sensor (second temperature detection unit), 23 ... Temperature sensor (third temperature detection unit), 24 ... Valve control unit (control unit) when changing the amount of heat, 25 ... Deterioration detection unit, 26 ... Deterioration Valve control unit (control unit).
Claims (6)
前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給源と、
酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給源と、
前記燃料ガス供給源から前記改質器に向けて前記燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、
前記酸化性ガス供給源から前記改質器に向けて前記酸化性ガスが流れる酸化性ガス流路と、
前記改質器により生成された前記改質ガスに含まれる水素を利用する水素利用装置と、
前記改質器から前記水素利用装置に向けて前記改質ガスが流れる改質ガス流路と、
前記改質器をバイパスするように前記燃料ガス供給源と前記水素利用装置との間に配置され、前記燃料ガス供給源から前記水素利用装置に向けて前記燃料ガスが流れるバイパス流路と、
前記燃料ガス流路を流れる前記燃料ガスの流量を調整する第1流量調整部と、
前記酸化性ガス流路を流れる前記酸化性ガスの流量を調整する第2流量調整部と、
前記バイパス流路を流れる前記燃料ガスの流量を調整する第3流量調整部と、
前記水素利用装置が要求する熱量に応じて、前記第1流量調整部、前記第2流量調整部及び前記第3流量調整部を制御する制御部とを備える水素利用システム。 A reformer that produces a reformed gas containing hydrogen by reforming the fuel gas using the heat generated by burning the fuel gas.
The fuel gas supply source that supplies the fuel gas and
Oxidizing gas supply source that supplies oxidizing gas and
A fuel gas flow path through which the fuel gas flows from the fuel gas supply source to the reformer, and
An oxidizing gas flow path through which the oxidizing gas flows from the oxidizing gas supply source to the reformer, and
A hydrogen utilization device that utilizes hydrogen contained in the reforming gas generated by the reformer, and a hydrogen utilization device.
A reformed gas flow path through which the reformed gas flows from the reformer toward the hydrogen utilization device, and
A bypass flow path arranged between the fuel gas supply source and the hydrogen utilization device so as to bypass the reformer, and the fuel gas flows from the fuel gas supply source to the hydrogen utilization device.
A first flow rate adjusting unit that adjusts the flow rate of the fuel gas flowing through the fuel gas flow path,
A second flow rate adjusting unit that adjusts the flow rate of the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas flow path,
A third flow rate adjusting unit that adjusts the flow rate of the fuel gas flowing through the bypass flow path, and
A hydrogen utilization system including a first flow rate adjusting unit, a second flow rate adjusting unit, and a control unit that controls the third flow rate adjusting unit according to the amount of heat required by the hydrogen utilization device.
前記制御部は、前記劣化検知部により前記改質器の劣化が検知されたときは、前記燃料ガス流路を流れる前記燃料ガスの流量が増加するように前記第1流量調整部を制御し、前記酸化性ガス流路を流れる前記酸化性ガスの流量が増加するように前記第2流量調整部を制御する請求項1記載の水素利用システム。 Further equipped with a deterioration detection unit for detecting the deterioration of the reformer,
When the deterioration detection unit detects the deterioration of the reformer, the control unit controls the first flow rate adjusting unit so that the flow rate of the fuel gas flowing through the fuel gas flow path increases. The hydrogen utilization system according to claim 1, wherein the second flow rate adjusting unit is controlled so that the flow rate of the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas flow path is increased.
前記劣化検知部は、前記第1温度検出部の検出値を用いて、前記改質器の劣化を検知する請求項2または3記載の水素利用システム。 A first temperature detection unit for detecting the temperature of the reformed gas is further provided.
The hydrogen utilization system according to claim 2 or 3, wherein the deterioration detection unit detects deterioration of the reformer by using the detection value of the first temperature detection unit.
前記改質器の筐体の温度を検出する第3温度検出部とを更に備え、
前記劣化検知部は、前記第1温度検出部、前記第2温度検出部及び前記第3温度検出部の検出値に基づいて、前記改質ガスに含まれる水素の実流量を求め、前記水素の実流量と予め決められた水素の目標流量との差分から前記改質器の劣化量を推定し、
前記制御部は、前記改質器の劣化量に基づいて、前記改質器に対する前記燃料ガス及び前記酸化性ガスの供給流量を決定し、前記燃料ガスの供給流量に応じて前記第1流量調整部を制御し、前記酸化性ガスの供給流量に応じて前記第2流量調整部を制御する請求項4記載の水素利用システム。 A second temperature detection unit that detects the temperature of a mixed gas of the fuel gas flowing through the fuel gas flow path and the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas flow path, and
Further provided with a third temperature detecting unit for detecting the temperature of the housing of the reformer.
The deterioration detection unit obtains the actual flow rate of hydrogen contained in the reforming gas based on the detection values of the first temperature detection unit, the second temperature detection unit, and the third temperature detection unit, and determines the actual flow rate of hydrogen contained in the reforming gas. The amount of deterioration of the reformer is estimated from the difference between the actual flow rate and the predetermined target flow rate of hydrogen.
The control unit determines the supply flow rates of the fuel gas and the oxidizing gas to the reformer based on the amount of deterioration of the reformer, and adjusts the first flow rate according to the supply flow rate of the fuel gas. The hydrogen utilization system according to claim 4, wherein the second flow rate adjusting unit is controlled according to the supply flow rate of the oxidizing gas.
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