JP7259654B2 - 水素利用システム - Google Patents

Description

本発明は、水素利用システムに関する。

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。

特開２０１３－２３８３５６号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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に示された改質器コントローラ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に示された改質器コントローラの機能ブロック図である。 図３に示された改質器コントローラ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。 改質器に発生する熱量の関係を示す概念図である。 改質器に供給されるアンモニアガスの流量を変更するイメージを示す図である。

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

図１は、本発明の第１実施形態に係る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。

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（ＮＨ_３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。

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。

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。

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。

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。

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。

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／１０Ａｌ_２Ｏ_３・２Ｂ_２Ｏ_３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／ＣｅＯ_２、Ｒｕ／ＺｒＯ_２、Ｒｕ／ＭｇＯ、Ｒｕ／Ａｌ_２Ｏ_３またはＲｕ／ＳｉＯ_２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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。
ＮＨ_３＋３／４Ｏ_２→１／２Ｎ_２＋３／２Ｈ_２Ｏ＋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。
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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

Claims (5)

1. 燃料ガスを燃焼させて発生した熱を利用して前記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、
   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、
   前記改質器の劣化を検知する劣化検知部と、を備え、
   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水素利用システム。
2. 前記制御部は、前記バイパス流路を流れる前記燃料ガスの流量が減少するように前記第３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。
3. 前記改質ガスの温度を検出する第１温度検出部を更に備え、
   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１または２記載の水素利用システム。
4. 前記燃料ガス流路を流れる前記燃料ガスと前記酸化性ガス流路を流れる前記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、
   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３記載の水素利用システム。
5. 前記燃料ガスがアンモニアガスである請求項１～４の何れか一項記載の水素利用システム。

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