特許 7278544 燃料改質装置及び燃料改質方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-05-12

(45)【発行日】2023-05-22

(54)【発明の名称】燃料改質装置及び燃料改質方法

(51)【国際特許分類】

   F02M 21/02 20060101AFI20230515BHJP

   C01B 3/04 20060101ALI20230515BHJP

   C01B 3/56 20060101ALI20230515BHJP

   F02M 27/04 20060101ALI20230515BHJP

   F02D 19/02 20060101ALI20230515BHJP

   F02D 19/08 20060101ALI20230515BHJP

【ＦＩ】

F02M21/02 K

C01B3/04 B

C01B3/56 Z

F02M27/04 B

F02M21/02 301A

F02D19/02 C

F02D19/08 B

F02M21/02 G

F02M21/02 N

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2019084932

(22)【出願日】2019-04-26

(65)【公開番号】P2020180592

(43)【公開日】2020-11-05

【審査請求日】2022-02-03

(73)【特許権者】

【識別番号】504139662

【氏名又は名称】国立大学法人東海国立大学機構

(73)【特許権者】

【識別番号】000253075

【氏名又は名称】澤藤電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003890

【氏名又は名称】弁理士法人ＳＩＰＰｓ

(72)【発明者】

【氏名】神原 信志

(72)【発明者】

【氏名】三浦 友規

(72)【発明者】

【氏名】田中 裕弥

(72)【発明者】

【氏名】池田 達也

【審査官】池田 匡利

(56)【参考文献】

【文献】特開平０５－３３２１５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第５０４９９４７（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開２００９－２２１０８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１５６８３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２５６９３５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｍ ２１／０２

Ｃ０１Ｂ ３／０４

Ｃ０１Ｂ ３／５６

Ｆ０２Ｍ ２７／０４

Ｆ０２Ｄ １９／０２

Ｆ０２Ｄ １９／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃焼装置に、アンモニア及び水素を含む燃料ガスを供給する燃料改質装置であって、
アンモニアタンクと、
アンモニアを改質して高濃度水素ガスを生成する改質器と、
アンモニア又はアンモニアの一部を分解した低濃度水素ガスと、前記高濃度水素ガスとを混合した混合ガスを一時保管し、前記燃焼装置に燃料ガスとして供給する混合タンクと、
前記混合タンクに供給するアンモニア又は前記低濃度水素ガスと、前記高濃度水素ガスとのそれぞれの供給量、及び前記燃焼装置に送り出す混合ガスの量を制御する制御手段と、
を備えていることを特徴とする燃料改質装置。

【請求項2】

燃焼装置に、アンモニア及び水素を含む燃料ガスを供給する燃料改質装置であって、
アンモニアタンクと、
アンモニアを改質して高濃度水素ガスを生成する、水素分離膜を有する改質器と、
アンモニアと前記高濃度水素ガスとを混合した混合ガスを一時保管し、前記燃焼装置に燃料ガスとして供給する混合タンクと、
前記混合タンクに供給するアンモニアと前記高濃度水素ガスのそれぞれの供給量、及び前記燃焼装置に送り出す混合ガスの量を制御する制御手段と、
を備えていることを特徴とする燃料改質装置。

【請求項3】

前記改質器と前記混合タンクとの間に、高濃度水素タンクを備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料改質装置。

【請求項4】

前記改質器が、
アンモニアを分解してプラズマとするためのプラズマ反応容器と、
プラズマ発生用電源と、
前記プラズマ反応容器内に配置された水素分離膜であって、アンモニアのプラズマから水素を分離して、高濃度水素ガスとして混合タンク側の出口に通過させる水素分離膜と、
を備えており、
前記制御手段が、プラズマ発生用電源の電圧とアンモニアタンクからのアンモニア流量を制御して前記高濃度水素ガスの生成量を制御していることを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。

【請求項5】

前記低濃度水素ガスを生成するアンモニア分解触媒反応器と、
生成した前記低濃度水素ガスを一時貯蔵して前記混合タンクに供給する低濃度水素タンクと、
を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。

【請求項6】

前記制御手段が、
前記アンモニアタンクから前記改質器に供給するアンモニアの供給量を制御する第一のバルブと、
前記アンモニアタンクから前記アンモニア分解触媒反応器に供給するアンモニアの供給量を制御する第二のバルブと、
前記低濃度水素タンクから前記混合タンクに供給する前記低濃度水素ガスの供給量を制御する第三のバルブと、
前記改質器に電力を供給する高電圧電源の電圧と、
前記アンモニア分解触媒反応器に供給する電力の供給量と、
前記燃焼装置に供給する混合ガスの供給量と、
を制御することを特徴とする請求項５に記載の燃料改質装置。

【請求項7】

前記制御手段が、燃焼装置で用いる基準燃料、水素、およびアンモニアの燃焼速度を記憶しており、下記式（１）によって、基準燃料に対する混合ガスの燃焼速度係数Ｃを算出し、

【数1】

ここで、Ｓ ₀ は基準燃料の燃焼速度であり、Ｓ _H は水素の燃焼速度であり、Ｓ _A はアンモニアの燃焼速度であり、Ｃは混合ガスの燃焼速度係数であり、
さらに式（２）に基づいて混合タンクに供給するアンモニアと水素の体積比を決定しており、

【数2】

ここで、Ｍは混合ガスに占める水素の体積比であり、Ａ＝６．０、Ｂ＝３．５であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料改質装置。

【請求項8】

燃焼装置にアンモニア及び水素を含む燃料ガスを供給する燃料改質方法であって、
アンモニアと水素の混合比を制御手段によって決定する工程と、
改質器でアンモニアを改質して高濃度水素ガスを生成する工程と、
前記制御手段で制御して、アンモニア又はアンモニアの一部を分解した低濃度水素ガスと前記高濃度水素ガスとを混合タンクで混合して混合ガスとする工程と、
前記制御手段で制御して、前記混合ガスを燃焼装置に供給する工程と、
を備えていることを特徴とする燃料改質方法。

【請求項9】

前記改質器と前記混合タンクとの間に配置された高濃度水素タンクで、前記高濃度水素ガスを一時貯蔵する工程をさらに備えていることを特徴とする請求項８記載の燃料改質方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アンモニアを分解することで水素を生成し、アンモニアと水素を含むガスを燃料として供給する燃料改質装置と、この燃料改質装置を用いた燃料改質方法に関する。

【背景技術】

【0002】

二酸化炭素の排出量の削減のために、水素エネルギーの利用が推進されている。しかしながら、水素の製造および輸送はいまだ高コストであり、水素を燃料とする燃料電池による発電もまた、他のエネルギーを用いた発電よりも費用がかかる。このような費用面での制約が、水素エネルギーの普及を妨げる一因となっている。

【0003】

そこで、発電出力単価が燃料電池よりも割安な、ガスエンジン、ガスタービン、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等の燃焼装置に、燃料として水素を用いる検討が行われている。しかし、水素は最大燃焼速度が極めて早く、また高位発熱量も多いため、燃焼装置に水素単体または水素と空気の混合気体を適用することには課題が多い。

【0004】

例えば、水素をエンジンに適用した場合、バックファイアの発生が問題となる。バックファイアは主にレシプロエンジンにおける現象であって、水素が燃料の吸入行程で燃焼装置の高温部に触れて着火してしまい、プラグによる点火前に爆発するという現象である。特許文献１には、バックファイアを回避する技術として、低出力運転時には水素と空気とを燃焼室内又は燃焼室外で予め混合して予混合気を生成し、この予混合気にプラグにより着火燃焼させて出力を得、高出力運転時には既に着火した前記予混合気の中に水素を高圧で噴射して前記予混合気を火種として着火燃焼させて出力を得るという技術が開示されている。しかしながら、吸気行程において気体である水素を供給して空気と混合した場合は、エンジンの体積効率が低下するため、結果として出力が低下すると言われている。

【0005】

そこで、アンモニアと水素とを混合し、燃焼させてエネルギー源とする試みが行われている。アンモニアは着火性が悪く、また最大燃焼速度は水素の５０分の１であるので、水素にアンモニアと空気とをそれぞれ適正な割合で予混合することで、着火性の改善と燃焼速度の調整が可能となる。また、ガスエンジンやガスタービン、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等の負荷に対して、最適なアンモニア／水素／空気の混合比に調整することにより、エネルギー効率を最大とすることができる。

【0006】

特許文献２には、アンモニアと水素を燃焼させるエンジンシステムにおいて、燃焼制御の自由度を高めるための技術が開示されている。特許文献２のエンジンシステムは、燃料改質器によってアンモニアガスを部分的に改質して水素ガスを生成し、加圧による液化でアンモニアと水素を分離している。そして、アンモニアと水素を別系統のインジェクタで吸気管へ噴射して燃焼させて、制御の自由度を高めている。特許文献２は、改質器のキャビティに、電磁波発生電源からマイクロ波を供給してプラズマ放電を発生させることで、キャビティ内に供給されたアンモニアガスを水素ガスに改質している。そして、供給するマイクロ波の電力を制御することで、アンモニアガスを水素ガスに改質する割合を制御している。

【0007】

特許文献３は、水素を助燃剤として用いるアンモニアエンジンを開示している。特許文献３のアンモニアエンジンは、アンモニアを分解するアンモニアクラッカー触媒を用いて水素を生成し、アンモニアの燃焼の補助に用いている。アンモニアクラッカー触媒は、安定して水素を生成するために、２９０度以上の高温に維持する必要があるため、特許文献３のアンモニアエンジンは、アンモニアと酸素を反応させて発熱させるアンモニア酸化装置を備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開平７－１３３７３１号公報

【文献】特開２００９－９７４２１号公報

【文献】特開２０１０－１２１５０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

アンモニアと水素を含むガスを燃料として燃焼装置に供給する場合は、燃焼装置の運転条件に合わせて、アンモニアと水素の混合比と供給量を最適化する必要がある。しかしながら、従来の改質器では、アンモニアから水素を生成する割合を正確に管理することが困難であり、燃料としての最適化が難しかった。特に、燃焼装置の起動時や低負荷運転時に、最適な組成の燃料を供給することが困難であった。

【0010】

本発明はかかる現状に鑑みてなされたものであって、アンモニアと水素の混合比と供給量を最適化し、燃焼装置に燃料として提供することのできる燃料改質装置と燃料改質方法の提供を、解決すべき課題としてなされたものである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明は、燃焼装置に、アンモニア及び水素を含む燃料ガスを供給する燃料改質装置に関する。本発明の燃料改質装置は、アンモニアタンクと、アンモニアを改質して水素含有率が９９％以上である高濃度水素ガスを生成する改質器と、アンモニアと水素とを混合して一時保管する混合タンクと、混合タンクに供給するアンモニアと高濃度水素ガスのそれぞれの供給量を制御する制御手段と、を備えている。本発明の燃料改質装置の制御手段は、燃焼装置で用いる基準燃料、水素、およびアンモニアの燃焼速度を記憶しており、下記式（１）によって基準燃料に対する混合ガスの燃焼速度係数Ｃを算出する。

【数1】

ここで、Ｓ₀は基準燃料の燃焼速度であり、Ｓ_Hは水素の燃焼速度であり、Ｓ_Aはアンモニアの燃焼速度であり、Ｃは混合ガスの燃焼速度係数である。さらに本発明の燃料改質装置の制御手段は、式（２）に基づいて混合タンクに供給するアンモニアと水素の体積比を決定している。

【数2】

ここで、Ｍは混合ガスに占める水素の体積比であり、Ａ、Ｂは定数である。

【0012】

発明者らは、基準燃料の燃焼速度に対する混合ガスの燃焼速度の割合である燃焼速度係数Ｃと、混合ガスに占める水素の体積比Ｍとの間の、上記式（２）の関係を見いだして、混合ガスの混合率の最適化をなすに至った。さらに、本発明の燃料改質装置は、制御手段が、燃焼装置で用いる基準燃料、水素、およびアンモニアの高位発熱量を記憶しており、基準燃料の高位発熱量に対する混合ガスの高位発熱量の比に基づいて、混合ガスの供給量の基準燃料に対する流量分率を、下記式（３）および式（４）によって決定することができる。

【数3】

ここで、Ｈ_mは混合ガスの高位発熱量であり、Ｈ_Hは水素の高位発熱量であり、Ｈ_Aはアンモニアの高位発熱量であり、Ｈ₀は基準燃料の高位発熱量であり、Ｗ_mは基準燃料に対する混合ガスの重量基準の流量分率である。

【0013】

制御手段は、燃焼装置から基準燃料の燃料要求速度を入力して、混合タンクから前記燃焼装置に供給する混合ガスの供給量を、下記式（５）および式（６）に基づいて決定することができる。

【数4】

ここでｍ_wは混合燃料の分子量であり、Ｗ₀は燃焼装置から要求された基準燃料の燃料要求速度であり、Ｆ_mは、燃焼装置に供給する混合ガスの供給量である。

【0014】

本発明の燃料改質装置の改質器は、アンモニアを分解してプラズマとするためのプラズマ反応容器と、プラズマ発生用電源と、プラズマ反応容器内に配置された水素分離膜であって、アンモニアのプラズマから水素を分離して、高濃度水素ガスとして混合タンク側の出口に通過させる水素分離膜と、を備えていることが好ましい。本発明の燃料改質装置の制御手段は、プラズマ発生用電源の電圧とアンモニアタンクからのアンモニア流量を制御して、高濃度水素ガスの生成量を制御することができる。

【0015】

本発明の燃料改質装置は、アンモニアの一部を分解して水素含有率５～１５％である低濃度水素ガスを生成するアンモニア分解触媒反応器と、生成した前記低濃度水素ガスを一時貯蔵して前記混合タンクに供給する低濃度水素タンクと、を更に備えることができる。アンモニア分解触媒反応器を備えた燃料改質装置の制御手段は、改質器から混合タンクに供給する高濃度水素ガスの体積基準の混合分率Ｍ_Hを下記式、すなわち、

Ｍ_H＝（１００×Ｍ－Ｈ_2L）／（１００－Ｈ_2L）

に基づいて決定する。ここで、Ｈ_2Lは低濃度タンクのガスの水素濃度（体積％、Ｎ₂フリー基準）である。ここで、Ｍは混合ガスに占める水素の体積比である。

【0016】

本発明の燃料改質装置は、制御手段が、アンモニアタンクから前記改質器に供給するアンモニアの供給量を制御する第一のバルブと、アンモニアタンクからアンモニア分解触媒反応器に供給するアンモニアの供給量を制御する第二のバルブと、低濃度水素タンクから前記混合タンクに供給する前記低濃度水素ガスの供給量を制御する第三のバルブと、改質器に電力を供給する高電圧電源の電圧と、アンモニア分解触媒反応器に供給する電力の供給量と、燃焼装置に供給する混合ガスの供給量と、を制御することを特徴とする。

【0017】

本発明はまた、燃焼装置にアンモニア及び水素を含む燃料ガスを供給する燃料改質方法を提供する。本発明の燃料改質方法は、アンモニアと水素の混合比を決定する工程と、改質器でアンモニアを改質して、水素含有率が９９％以上である高濃度水素ガスを生成する工程と、アンモニアと高濃度水素ガスとを混合して混合ガスとする工程と、混合ガスを燃焼装置に供給する工程と、を備えている。本発明のアンモニアと水素の混合比を決定する工程は、燃焼装置で用いる基準燃料、水素、およびアンモニアの燃焼速度に基づいて、下記式（１）によって基準燃料に対する混合ガスの燃焼速度係数Ｃを算出する。

【数5】

ここで、Ｓ₀は基準燃料の燃焼速度であり、Ｓ_Hは水素の燃焼速度であり、Ｓ_Aはアンモニアの燃焼速度であり、Ｃは混合ガスの燃焼速度係数である。さらに本発明の燃料改質方法は、式（２）に基づいて混合タンクに供給する水素の体積比を決定しており、

【数6】

ここで、Ｍは混合ガスに占める水素の体積比であり、Ａ、Ｂは定数であり、アンモニアと前記高濃度水素ガスの混合比を、（１－Ｍ）：Ｍに制御することを特徴とする。

【発明の効果】

【0018】

本発明の燃料改質装置および燃料改質方法は、アンモニアから水素含有率が９９％以上の高濃度水素ガスを製造してアンモニアと混合し、燃料とするので、アンモニアとの混合比の最適化を容易に行うことができる。これにより、供給先の燃焼装置の燃焼を、容易に最適化できる。

【0019】

本発明の燃料改質装置および燃料改質方法は、燃焼装置の最適化が可能となるために、燃焼時のＮＯｘの排出量の低減に寄与することができる。

【0020】

本発明の燃料改質装置および燃料改質方法は、アンモニアと水素を混合するときの体積比を基準燃料に対する混合ガスの燃焼速度係数との関係で定量化して制御することにより、非常に容易で精度高く燃焼を行うことができる。

【0021】

本発明の燃料改質装置は、改質器によって生成した高濃度の水素ガスと、アンモニア分解触媒反応器によって生成した低濃度の水素ガスとを併用することにより、燃料の大量製造が可能であり、大型の燃焼装置に対応することができる。

【0022】

本発明の燃料改質装置および燃料改質方法は、ガスエンジンやガスタービン、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等の燃焼装置に対して、最適なアンモニア／水素／空気の混合比に調整して供給することにより、エネルギー効率を最大とすることができる。

【0023】

本発明の燃料改質装置および燃料改質方法は、発電負荷に対して、最適なアンモニア／水素／空気の混合比に調整して供給することにより、エネルギー効率を最大とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】図１は、本発明の実施形態に従った燃料改質装置の構成を模式的に示すブロック図である。

【図2】図２は、本発明の燃料改質装置の第二の実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。

【図3】図３は、本発明の燃料改質装置に好適に適用される改質器の一例を示す図である。

【図4】図４は、本発明のアンモニア分解触媒反応器の触媒層温度とアンモニア分解率との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

図１に、本発明の実施形態に従った燃料改質装置１の構成を模式的に示す。燃料改質装置１は、燃料として、燃焼装置２にアンモニアと水素を含む混合ガスを供給する。燃焼装置２には負荷３が接続されており、負荷３側からの要求に対応して、燃焼状態を変化させる。

【0026】

燃料改質装置１は、アンモニアタンク４と、改質器５と、高濃度水素タンク６とを備えている。アンモニアタンク４は、アンモニア供給路２５によって混合タンク７と接続されており、アンモニアを供給する。同様に、アンモニアタンク４は改質器５とも別系統のアンモニア供給路によって接続されており、改質器５にアンモニアを供給する。アンモニアタンク４と改質器５とが接続されているアンモニア供給路上には第一のバルブ２１が設けられており、アンモニアの供給量が制御されている。同様に、アンモニアタンク４と混合タンク７を接続する経路上にはバルブ２２が設けられており、アンモニアの供給量が制御されている。

【0027】

本発明の改質器５の好適な形態を図３に示す。改質器５は、アンモニアを分解してプラズマとするためのプラズマ反応容器５２と、プラズマ発生用電源５３と、プラズマ反応容器５２の水素出口５４側を区画する水素分離膜５５と、を備えた装置である。プラズマ反応容器５２の外側に接して、図示されない接地電極が配置されている。プラズマ反応容器５２の内面と水素分離膜５５との間に放電空間５６が形成されており、アンモニアタンク４から供給されたアンモニアは、放電空間５６に導入される。プラズマ発生用電源５３から水素分離膜５５に高電圧が印加されると、誘電体バリア放電が発生して、アンモニアがプラズマとなる。改質器５の水素分離膜５５は、プラズマ反応容器５２内でプラズマとなっているアンモニアから水素のみを分離して、水素出口５４側に通過させる。改質器５に供給するアンモニアの量と、プラズマ発生用電源５３の電圧との両方を制御することによって、水素の製造量を容易かつ迅速に変更することができる。水素出口５４に導入される水素ガスは、９９％以上の高純度の水素ガスとなる。

【0028】

改質器５は、燃焼装置側の要求に直ちに対応して水素を製造することができるので、水素の一時貯蔵容器である高濃度水素タンク６は必須の構成要素ではない。しかしながら、高濃度水素タンク６を、改質器５から混合タンク７に至る経路上に設けることによって、余剰となった水素ガスを一時貯蔵することができ、全体として一層効率よくアンモニアの改質を行うことができる。

【0029】

混合タンク７では、アンモニアタンク４から供給されたアンモニアと、高濃度水素タンク６から供給された水素に加えて、空気ブロア８から供給された空気が混合されて、予混合ガスが製造され、貯留される。混合ガスの適正な組成比は、燃焼装置２が要求する燃焼速度および高位発熱量の値によって制御手段１０が決定し、アンモニアの供給量および水素の製造量を制御することで管理される。混合ガスの燃焼装置２への供給量は、燃焼装置２の特性と負荷に応じて制御手段１０が制御する。

【0030】

本実施形態の燃料改質装置１の制御手段１０が行う、燃料改質の内容を以下に説明する。制御手段１０は、バルブ２１によって、アンモニアタンク４から改質器５に供給するアンモニアの供給量を制御する。また、バルブ２２によって、アンモニアタンク４から混合タンク７に供給するアンモニアの供給量を制御する。さらに、改質器５に供給する電力の電圧を制御して、高濃度水素の製造量を制御する。最後に、混合タンク７から燃焼装置２に供給する混合ガスの供給量を、バルブ２３の操作によって制御する。

【0031】

以下においては、燃焼装置２が従来使用していた燃料のことを、基準燃料と称する。表１に、一般的な基準燃料と、アンモニア、水素についての、最大燃焼速度と高位発熱量の例を示す。

【表1】

【0032】

制御手段１０は、基準燃料、水素、およびアンモニアの最大燃焼速度と高位発熱量を記憶しており、下記式（１）によって、基準燃料に対する混合ガスの燃焼速度係数Ｃを算出する。

【数7】

ここで、Ｓ₀は基準燃料の燃焼速度（ｃｍ／ｓ）であり、Ｓ_Hは水素の燃焼速度であり、Ｓ_Aはアンモニアの燃焼速度である。表１に示した例に従えば、Ｓ_Hは３４６ｃｍ／ｓであり、水素の燃焼速度であり、Ｓ_Aは８ｃｍ／ｓである。この式を用いて、制御手段１０は、混合ガスの燃焼速度係数Ｃを算出する。

【0033】

さらに制御手段１０は、式（２）に基づいて混合タンクに供給するアンモニアと水素の体積比を決定する。体積比の計算には、下記の式（２）を用い、まず水素の体積基準の混合分率Ｍを決定する。

【数8】

ここで、Ａ、Ｂは定数であり、最も好適な値は、Ａ＝６．０、Ｂ＝３．５である。

【0034】

水素の体積基準の混合分率Ｍが決定したことにより、アンモニアの体積基準の混合分率は、１－Ｍとなる。

【0035】

水素とアンモニアの混合率を決定した制御手段１０は、バルブ２２とバルブ２４の開閉操作によって、混合タンク７に決定した体積比率で水素とアンモニアを供給し、混合する。

【0036】

次に、制御手段１０は、燃焼装置２に供給する混合ガスの流量を決定する。制御手段１０は、基準燃料、水素、およびアンモニアの高位発熱量を予め記憶しており、まず、混合ガスの供給量の基準燃料に対する流量分率Ｗ_mを決定するために、式（３）と式（４）を用いる。式（３）では、混合ガスの高位発熱量Ｈ_mの値を決定する。式（３）において、Ｈ_Hは水素ガスの高位発熱量であり、Ｈ_Aはアンモニアの高位発熱量であり、Ｍは水素の体積基準の混合分率である。

【数9】

【0037】

表１に示したように、水素の高位発熱量は、１４１．８ＭＪ／ｋｇであり、アンモニアの高位発熱量は、２２．５ＭＪ／ｋｇである。従って、式（３）は、以下のように表される。

【数10】

【0038】

次に、制御手段１０は、式（４）を用いて、基準燃料の高位発熱量Ｈ₀に対する混合ガスの高位発熱量Ｈ_mの比から、混合ガスの基準燃料に対する流量分率Ｗ_mを決定する。

【数11】

【0039】

さらに制御手段１０は、式（５）によって、混合燃料の分子量ｍ_wを計算する。式（５）において、水素の混合分率Ｍの係数の２は水素の質量数であり、アンモニアの混合分率（１－Ｍ）係数の１７は、アンモニアの質量数である。

【数12】

【0040】

そして制御手段１０は、燃焼装置２から基準燃料の燃料要求速度Ｗ₀（ｋｇ／ｈ）が入力されると、式（４）で算出した混合ガスの流量分率Ｗ_mと混合燃料の分子量ｍ_wを式（６）に代入し、混合タンクから燃焼装置２に供給する混合ガスの供給量Ｆ_m（ＮＬ／ｈ）を決定する。

【数13】

【0041】

制御手段１０は、混合タンク７に供給するアンモニアと水素の量を、流量（ＮＬ／ｈ）で管理することで、混合タンク７のアンモニアと水素ガスの混合比を常時一定に保つことができる。混合タンク７に供給する水素の流量Ｆ_H2（ＮＬ／ｈ）は、下記の式（７）で、管理される。また、混合タンク７に供給するアンモニアの流量Ｆ_NH3（ＮＬ／ｈ）は、下記の式（８）で、管理される。

【数14】

【0042】

図２に、本発明の燃料改質装置の更なる実施形態を示す。燃料改質装置３０は、アンモニア分解触媒反応器３１と、低濃度水素タンク３２と、を更に備えている。アンモニア分解触媒反応器３１は、アンモニアタンク４から供給されるアンモニアの一部を分解して水素含有率５～１５％、窒素含有率１．７～５％、アンモニア含有率８０～９３％である低濃度水素ガスを生成して、低濃度水素タンク３２に送りこむ。

【0043】

制御手段１０は、改質器５に加えて、アンモニア分解触媒反応器３１の制御を行って、低濃度水素ガスの組成と生成量を制御する。アンモニア分解触媒反応器３１は、図４に例を示すように、反応温度を制御することで、アンモニアの分解率を制御することができる。アンモニア分解触媒反応器３１の温度制御の容易さとを考慮すると、低濃度水素ガスは、水素含有率を５～１５％に制御することが好ましい。制御手段１０は、アンモニア分解触媒反応器３１の電源３３の供給電力を制御することによって、低濃度水素ガスの特性を制御する。アンモニアの分解触媒としては、Ｒｕ／Ａｌ₂Ｏ₃が好適に用いられる。

【0044】

本実施形態の燃料改質装置３０では、混合タンク７に、低濃度水素タンク３２から供給された低濃度水素ガスと、高濃度水素タンク６から供給された水素に加えて、空気ブロア８から供給された空気が適宜混合されて、混合ガスが製造され、貯留される。

【0045】

このとき、制御手段１０は、混合タンク７に供給する低濃度水素ガスと高濃度水素ガスの量を、既に算出した水素の体積基準の混合分率Ｍと、混合タンク７に供給する水素の流量Ｆ_H2（ＮＬ／ｈ）とをもとに、下記式（９）～（１２）で決定する。式（９）によって、高濃度水素タンク６の混合分率（体積基準）Ｍ_Hを算出することができる。

【数15】

ここで、Ｈ_2Lは低濃度タンクのガスの水素濃度（体積％、Ｎ₂フリー基準）である。

【0046】

次に、式（１０）によって、ここでは、混合タンク７に供給する高濃度水素ガスの流量Ｆ_HT（ＮＬ／ｈ）を決定することができる。

【数16】

【0047】

式（１１）によって、混合タンク７に供給するアンモニアガスの流量Ｆ_LT（ＮＬ／ｈ）を決定することができる。

【数17】

ここで、Ｆ_m’は燃焼装置に供給する混合ガスの燃料供給速度（ＮＬ／ｈ、Ｎ₂含有基準）である。

【0048】

式（１２）によって、燃焼装置２に供給する混合ガスの燃料供給速度Ｆ_m'（ＮＬ／ｈ、Ｎ₂含有基準）を決定することができる。

【数18】

ここで、Ｎ_2Lは低濃度タンクのガスの窒素濃度（体積％）である。

【実施例】

【0049】

（実施例１）
基準燃料がメタンであり、燃料供給速度Ｗ₀＝１．０ｋｇ／ｈ、発電量１０００Ｗｈの燃焼装置の燃料を製造するために本発明の燃料改質装置１を適用した例を示す。

【0050】

制御手段１０は、メタンの最大燃焼速度Ｓを４３ｃｍ／ｓを記憶している。また、水素の最大燃焼速度３４６ｃｍ／ｓとアンモニアの最大燃焼速度８ｃｍ／ｓを記憶している。これらの最大燃焼速度から、式（１）を用いて算出した混合ガスの燃焼速度係数Ｃは、０．１０４である。燃焼速度係数Ｃを式（２）に代入し、混合ガスに占める水素の体積比Ｍを求めると、０．３１９である。従って、アンモニアの体積比は、０．６８１である。混合タンク７に、改質器５で製造した高濃度水素を供給し、アンモニアタンクからアンモニアを供給し、混合した。このときの、混合ガスの高位発熱量Ｈ_mは、式（３）に基づいて計算すると、１４１．８×０．３１９＋２２．５×０．６８１＝６０．６である。一方、基準ガスであるメタンの高位発熱量Ｈ₀は、５５．５である。これらの値を式（４）に適用することで、基準燃料に対する混合ガスの重量基準の流量分率Ｗ_mが０．９１７と算出された。一方、混合ガスの分子量ｍ_wは、１２．２であるので、式（６）を用いることにより、混合ガスの燃料供給速度Ｆ_mが、２８．０ＮＬ／ｈであると決定することができた。また燃料供給速度Ｆｍを２８．０ＮＬ／ｈに維持するために、混合タンクに供給する水素の供給量を、式（７）によって８．９ＮＬ／ｈに決定した。同様に、混合タンクに供給するアンモニアの供給量を、式（８）によって、１９．１ＮＬ／ｈに決定した。制御手段１０が、水素：アンモニアの体積比を０．３１９：０．６８１に制御した混合ガスを、２８．０ＮＬ／ｈで供給することにより、燃焼装置２は良好に燃焼した。

【0051】

（実施例２）
次に、実施例１と同様の、基準燃料がメタンであり、燃料供給速度Ｗ０＝１．０ｋｇ／ｈ、発電量１０００Ｗｈの燃焼装置の燃料を製造するために本発明の燃料改質装置３０を適用した例を示す。本実施例で、アンモニア分解触媒反応器３１が製造する低濃度水素ガスの水素濃度Ｈ_2Lは、７．７体積％である。

【0052】

制御手段１０は、実施例１と同様に、メタン、水素、アンモニアの最大燃焼速度と高位発熱量を記憶している。そして、式（１）～（６）を用いることにより、混合ガスの燃料供給速度Ｆｍが、２８．０ＮＬ／ｈ、水素の混合分率は、０．３１９であると決定した。さらに制御手段１０は、式（９）を用いて、高濃度水素タンク６の混合分率（体積基準）Ｍ_Hを、式（９）を用いて０．２６２と特定した。この結果、高濃度水素タンク６から混合タンク７に供給する水素の供給量を、式（１０）によって７．３ＮＬ／ｈに決定した。

【0053】

改質器５で７．３ＮＬ／ｈの水素を生成して混合タンク７に供給するために、制御手段１０は、アンモニアタンク４から改質器５に、２４．２ｌ／ｍｉｎのアンモニアを供給した。そして、改質器５に２０ｋＶの電圧を供給して水素を製造した。このとき改質器５から高純度タンク６に供給した水素ガスの濃度は、９９．９９９％で、ほぼ純水素であった。

【0054】

制御手段１０は、混合タンク７に供給する低濃度水素ガスの供給量を、式（１１）と式（１２）によって、２．１２ＮＬ／ｈに決定した。制御手段１０は、低濃度水素ガスを生成するために、アンモニア分解触媒反応器３１の反応温度を２５０度に設定し、１９．３ｌ／ｍｉｎのアンモニアを供給した。このとき、アンモニア分解触媒反応器３１からは、水素７．５％、アンモニア９０％、窒素２．５％の組成のガスが２．１２ＮＬ／ｈ生成した。制御手段１０が、高濃度水素タンク６から７．３ＮＬ／ｈの水素ガスを混合タンクに供給し、同時に低濃度水素タンクから２．１２ＮＬ／ｈの低濃度水素ガスを混合タンクに供給することで、混合タンク内のガスは、水素３１．８％、アンモニア６６．４％、窒素１．８％に維持された。混合タンクからのガスを、燃料ガスとして燃焼装置２に２８．５ｌ／ｍｉｎ供給することで、燃焼装置２は良好な燃焼を維持することができた。

【0055】

（実施例３）
燃料改質装置３０をメタンガスエンジンの燃料の製造に適用した例を示す。制御手段１０は、アンモニア分解触媒反応器３１の温度を２５０℃に設定し、アンモニア分解率１０％の低濃度水素混合ガスを製造して低濃度水素タンク３２に貯蔵した。生成した低濃度水素混合ガスの組成は、水素７．５％、アンモニア９０％、窒素２．５％である。次に、改質器５で、含有率９９％の水素ガスを生成し、高濃度水素タンク６に貯留した。そして、混合タンク７で、低濃度水素ガス７３．８％、高濃度水素ガス２６．２％を混合し、貯蔵した。この混合燃料の最大燃焼速度は４３ｃｍ／ｓでありメタンの最大燃焼速度と一致していた。また、この混合燃料の高位発熱量は６１ＭＪ／ｋｇであり、メタンの高位発熱量５５．５ＭＪ／ｋｇより大きいため、混合燃料のメタンガスエンジンへの流量を０．９２倍にするようにバルブ２３の流量を制御した。これにより、燃焼装置２の良好な燃焼を得ることができた。

【0056】

以上、実施例に基づいて、本発明の燃料改質装置と燃料改質方法について説明したが、特許請求の範囲に記載の発明は、実施例に限定されるものではなく、燃料改質装置の構成は、適宜変更が可能である。たとえば、既に説明したとおり、高濃度水素タンクは必須ではなく、改質器から混合タンクに、直接高濃度水素ガスを供給することができる。制御手段の制御の内容は、燃焼装置２の燃焼特性に応じて秒単位で変更することができる。

【符号の説明】

【0057】

１、３０ 燃料改質装置
２ 燃焼装置
３ 負荷
４ アンモニアタンク
５ 改質器
６ 高濃度水素タンク
７ 混合タンク
８ 空気ブロア
１０ 制御手段

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】