JP2004017701A

JP2004017701A - 水素ステーション及び改質器

Info

Publication number: JP2004017701A
Application number: JP2002172029A
Authority: JP
Inventors: Tetsuro Okano; 岡野　哲朗; Hiroshi Yatabe; 谷田部　広志
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】立ち上がり時間を短縮する。
【解決手段】炭化水素系燃料と水蒸気とを反応させる改質触媒層２６が配置された反応部５１と、燃焼により発生させた燃焼ガスで反応部５１を加熱する燃焼器１２とを備えてなる改質器１７をトラック１に搭載してなり、燃焼ガスと反応部５１とを熱交換させるガス流路５０を備え、ガス流路５０にエンジン５から排出される排ガスを導く排気流路８を設けることにより、エンジン５から排出される排ガスで改質器１７の反応部５１を予熱することができ、目的地に到着してから改質器を設定温度まで昇温させる時間である立ち上がり時間を短縮することができる。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両を備えた移動式の水素ステーション及び水素ステーションに搭載される改質器の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素ステーションは、例えば、水素エンジン車や燃料電池車（ＦＣＶ）などに燃料である水素を供給する施設であり、水素エンジン車や燃料電池車（以下、水素燃料車と称する）を普及させるために全国各地に設置することが望まれている。しかし、水素ステーションを設置する用地や水素製造装置の確保などが困難であるためインフラの整備には時間がかかっている。
【０００３】
そこで、従来では、水素ステーションを移動させる方法が考えられている。この移動式の水素ステーションの形態としては、車両に搭載した蓄圧器に高圧水素を充填するものや、車両に水の電気透析装置を搭載するものがある。また、特開２０００−９５０２０では、水素ステーションを移動させる方法に代えて、既存のＬＰＧ供給施設に水素タンクを設置するとともに、例えばメタン、ブタン、プロパンなどの炭化水素系の原料を水蒸気改質する改質器を有する水素製造装置を搭載した車両を各ＬＰＧ供給施設に巡回させるというシステムが提案されている。このシステムでは、巡回する車両の移動中に水素製造装置を作動させて水素を製造することで、車両が到着後、直ちに水素を供給できるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、蓄圧器に高圧水素を充填するものは、水素を放出後、水素製造装置を備えた施設に戻って再び充填しなければならず利便性が悪い。また、水を電気透析するものは、電気分解に必要な大量の電力を供給する設備が必要になるという問題がある。
【０００５】
一方、水素製造装置を搭載した車両を既存のＬＰＧ供給施設に巡回させる方法は、原料となる炭化水素系燃料を補給すれば足りるので、装置と別に電源設備や水素製造装置が不要であるが、走行中に水素を製造するため水素の製造中に車両の事故や振動などによるトラブルが発生する可能性があり好ましくない。しかし、安全性を重視して車両の移動中に水素の製造を行わないと、当然に、目的地に到着してから水素の製造を開始しなければならず、迅速な水素の供給ができないという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、立ち上がり時間を短縮することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の水素ステーションは、炭化水素系燃料と水蒸気との反応により水素ガスを発生させる改質器を車両に搭載してなり、この改質器を車両の、例えばガソリンエンジンまたは天然ガスエンジンなどの動力装置の排熱により予熱する予熱手段を備えたことにより上記課題を解決する。
【０００８】
すなわち、本発明は、炭化水素系燃料を水蒸気で改質する場合、改質器を例えば７００〜８５０℃の設定温度に昇温する必要があることに着目してなされたものであり、車両の動力装置の排熱を利用して改質器を予熱できるようにしたものである。
【０００９】
このような構成によれば、水素ステーションが目的地へ移動する際に、改質器を予め昇温することができるので、目的地に到着してから改質器を設定温度まで昇温させる時間、つまり、立ち上がり時間を短縮することができる。なお、予熱手段は、動力装置の排熱を利用して改質器を予熱することができればよく、例えば、金属などの伝熱部材で改質器と動力装置と熱的に導通させる構成、または、単に、改質器を動力装置の近傍に配置する構成とすることができる。
【００１０】
また、炭化水素系燃料と水蒸気とを反応させる改質触媒層が配置された反応部と、燃焼により発生させた燃焼ガスで反応部を加熱する燃焼器とを備えてなる改質器を車両に搭載してなり、この燃焼器に車両の動力装置の排ガスを導く予熱手段を備えた構成とすることができる。この場合において、改質器は、燃焼ガスが通流し、燃焼ガスと反応部とを熱交換させるガス流路を備え、予熱手段は、動力装置の排ガスをガス流路に導く構成とすることができる。これにより、動力装置から排出される排ガスで改質器の燃焼器及び反応部を予熱することができる。
【００１１】
また、動力装置の燃料は、改質器で改質される炭化水素系燃料と同種の燃料とすることができる。これにより、動力装置の燃料タンクと改質器の燃料タンクを共有することができ、タンク設備やタンク設備をためのスペースを縮小することができる。なお、炭化水素系燃料として、例えばＣＮＧと称する圧縮天然ガスなどを用いることができる。
【００１２】
また、本発明の水素ステーションは、外部の燃料タンクに水素ガスを供給する供給装置を備えた構成とする。このような構成とすることで、外部の燃料タンク、つまり、水素が供給される側の水素燃料車に燃料を供給することができ、定置式の水素ステーションが建設されていない場所での水素燃料車の補給を可能にする。この場合において、供給装置は、例えば、燃料タンクに高圧の水素を充填する高圧ガス貯蔵タイプや、燃料タンク内の水素吸蔵合金に水素を吸蔵させるメタルハイドライドタイプに対応するものとする。また、高圧ガス貯蔵タイプの充填圧力は、通常の水素ボンベの圧力（例えば、１５〜２５ＭＰａ）より高い例えば２５ＭＰａである。そこで、本発明の水素ステーションは、水素を圧縮する圧縮機を備えた構成とする。さらに、この圧縮機に動力装置の動力を伝える動力伝達部材とを備えた構成とすることができる。これにより、圧縮機の動力として用いられる例えば発電機などの設備や、その発電機のためのスペースを縮小することができるので好ましい。
【００１３】
また、本発明の改質器は、炭化水素系燃料と水蒸気とを反応させる改質触媒層が配置された反応部と、燃焼により燃焼ガスを発生させる燃焼器と、燃焼ガスが通流し燃焼ガスと反応部とを熱交換させるガス流路とを備え、このガス流路は車両の動力装置の排気流路に連結する構成とすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用してなる水素ステーションの一実施の形態について、図１〜図７を用いて説明する。図１は、本発明を適用してなる水素ステーションの一実施形態の概略構成を示した図である。図２は、本実施形態を適用してなる水素ステーションの概略構成を示した斜視図である。図３は、本発明を適用してなる水素ステーションに搭載される改質器の概略構成について示した図である。図４は、圧縮天然ガスの減圧機構の概略構成を示した図である。図５は、横軸に時間、縦軸に改質器１７の温度を表し、従来の立ち上がり時間を点線で、本実施形態の立ち上がり時間を実線で示したグラフである。図６は、排ガス流路の変形例を示した図である。図７は、本発明を適用してなる水素ステーションの変形例を示した図である。
【００１５】
本実施形態の水素ステーションは、図１及び図２に示すように、トラック１と、トラック１に搭載された水素製造装置３とで構成されている。トラック１は、メタンを主成分とする圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を燃料とするエンジン５と、エンジン５と、圧縮天然ガスが充填される燃料タンク７と、例えば、水が充填される給水タンク９と、例えば水を主成分とする冷媒が通流し冷媒と外気とを熱交換させる熱交換器１１を備えて形成されている。エンジン５の動力は図示していないシャフトを介して車輪に伝達されるように形成されている。エンジン５は、燃料ガス流路６を介して燃料タンク７に接続され、燃料タンク７内の圧縮天然ガスがエンジン５に供給されるようになっている。また、エンジン５の排気口は、排気流路８の一端に接続され、排気流路８の他端は、水素製造装置３に搭載された改質器１７の燃焼器１２に連結されている。また、排気流路８には、排ガス燃焼器１３が設けられている。
【００１６】
水素製造装置３は、圧縮天然ガスを燃焼して水を加熱し水蒸気を生成するボイラ１５と、ボイラ１５で生成された水蒸気と圧縮天然ガスとを反応させて水素ガスを含む改質ガスを発生させる改質器１７と、改質ガスから水素を多く含んだガスを精製する例えばＰＳＡ装置などのガス精製装置１９と、ガス精製装置１９で精製された高純度の水素を、例えば水素エンジン車や燃料電池車などの水素燃料車２４に供給するディスペンサ２１などを備えて構成されている。ボイラ１５は、水が通流する図示していない伝熱管と図示していない燃焼部とを有し、ボイラ１５の伝熱管の一端は給水タンク９に、他端はガス流路１６を介して改質器１７の入口に接続されている。また、ボイラ１５の燃焼部は燃料タンク７に接続され、燃料タンク７内の圧縮天然ガスを導入して燃焼するようになっている。また、燃料タンク７は、ガス流路１６を介して改質器１７の入口に接続されている。なお、ボイラ１５の伝熱管が接続される位置と燃料タンク７との間のガス流路１６には、圧縮天然ガスに付臭剤として添付されたイオウ化合物を吸着する脱硫器４３が設けられている。
【００１７】
改質器１７の吐出側、つまり、改質器１７で発生した改質ガスの排出口は、ガス流路２０を介してガス精製装置１９の入口に連結されている。また、ガス流路２０には、ＣＯ転化器２７、ガス冷却器３０、３１、気水分離器３３、デミスタ３５が順次配置されている。ガス精製装置１９に供給された改質ガスは、水素を多く含んだ精製ガスと、精製ガスから分離された不純物を多く含む残余ガスとに分離され、精製ガスはガス流路３４を介して、圧縮機３７の吸引側に導かれるようになっている。圧縮機３７の吐出側は、高圧の水素ガスを貯留する蓄圧ユニット３９に接続され、蓄圧ユニット３９はディスペンサ２１に接続されている。ディスペンサ２１は、水素燃料車２４に連結して水素を充填可能に形成されている。なお、圧縮機３７は、図２で示す発電機６６から供給される電力で駆動する構造である。
【００１８】
また、ガス冷却器３０は、ガス流路２０を通流する改質ガスと冷媒とを熱交換させるように形成され、冷媒は循環流路３２を介してガス冷却器３０と熱交換器１１との間を循環するようになっている。ガス冷却器３１は、ガス流路２０を通流する改質ガスとエアブロア４５により供給される外気とを熱交換させるように形成されている。また、エアブロア４５の吐出側は空気流路４６を介して改質器１７の燃焼器１２に連結されている。デミスタ３５は、改質ガスをフロン等の冷媒との熱交換により強制的に冷却して含有水分を例えば０．２％以下に除去する機能を有している。なお、ガス精製装置１９で精製ガスから分離された不純物を多く含む残余ガスの吐出側は、ガス流路３６を介して改質器１７の燃焼器１２に連結されている。
【００１９】
また、ガス流路１６は、図１では図示していない減圧装置５５が設けられている。減圧装置５５は、図４に示すように、ガス流路１６内の圧力を検出して出力する圧力センサ５６と、ガス流路１６に配置された弁５７と、圧力センサ５６が検出した圧力に応じて弁５７の開度を調整する制御装置５８とで構成されている。この制御装置５８は、ガス流路１６内の圧力が、例えば０．９〜０．９９ＭＰａになるように弁５７を制御するようになっている。これにより、燃料タンク７（ボンベ元圧２０ＭＰａ）から供給される圧縮天然ガスの圧力を減圧することができ、エンジン５と改質器１７とで燃料を共有することができる。
【００２０】
次に、本発明の特徴部である改質器１７の構成について説明する。改質器１７は、図３に示すように、大筒２３と、大筒２３の内径より小さい外径を有し大筒２３に同軸に挿入されて配置された中筒２４と、中筒２４の内径より小さい外径を有し中筒２４に同軸に挿入されて配置された小筒２５とを備えて形成されている。大筒２３の一端は閉塞され、閉塞された一端側には燃焼器１２が形成されている。大筒２３の他端からは中筒２４の一端が突出し、大筒２３の他端と中筒２４の外周とは閉塞され、大筒２３と中筒２４とに挟まれた部分は、燃焼ガスまたはエンジン５の排ガスと反応部５１とを熱交換させるガス流路５０が形成されている。また、大筒２３の他端側には外気と大筒２３内を連通する排ガス流路２８が接続されている。
【００２１】
大筒２３内に位置する中筒２４の一端は閉塞され、大筒２３から突出する中筒２４の他端からは小筒２５が突出し、かつ、他端と小筒２５の外周とは閉塞されている。中筒２４内に位置する小筒２５の一端は開口した状態とし、小筒２５の他端は、ガス流路２０に接続されている。また、中筒２４と小筒２５とに挟まれた部分には、炭化水素系燃料と水蒸気との反応を促進させる改質触媒２６が配置され、反応部５１を形成している。
【００２２】
改質器１７の中筒２４の大筒２３から突出した部分は原料の入口であり、ガス流路１６が接続されている。また、燃焼器１２は、ガス流路１８を介して燃料タンク７に、排気流路８を介してエンジン５の排気口に、空気流路４６を介してエアブロア４５に、ガス流路３６を介してガス精製装置１９にそれぞれ連結されている。
【００２３】
このような構成の水素ステーションの動作について説明する。まず、水素製造時の動作について説明する。通常の水素製造時、燃料タンク７内の原料の圧縮天然ガス（ボンベ元圧２０ＭＰａ）は、減圧装置５５によって、例えば０．９ＭＰａまで減圧された後、脱硫器４３に流入し、脱硫器４３において付臭剤として添加したイオウ化合物が吸着除去される。一方、ボイラ１５は、燃料タンク７から供給された圧縮天然ガスを燃焼して、給水タンクから供給された水を加熱する。この加熱によりボイラ１５で発生した水蒸気は、脱硫器４３を通過した圧縮天然ガスと混合した後、改質器１７の反応部５１に流入する。
【００２４】
反応部５１に流入した圧縮天然ガスと水蒸気の混合気は、反応部５１に充填された改質触媒２６の作用で水素リッチの改質ガスに改質される。反応部５１で発生した改質ガスはガス流路２０を通流し、ＣＯ転化器２７において、改質ガス内の残存ＣＯと残存水蒸気を反応させてさらに水素濃度が増加する。ＣＯ転化器２７から流出した改質ガスは、ガス冷却器３０、３１で温度を下げられ、気水分離器３３及びデミスタ３５で凝縮水を除去し、ガス精製装置１９に入る。
【００２５】
ガス精製装置１９で精製された水素濃度が高い精製ガスは、圧縮機３７で、例えば４０ＭＰａ以上に加圧され、一旦、蓄圧器３９に蓄えられ、ディスペンサ２１を介して水素燃料車２４に供給される。ガス精製装置１９から排出される水素を含んだ残余ガスは、燃焼器１２に供給され、エアブロワ４５から供給される空気と共に燃焼され、反応部５１内で進行する改質反応の熱源となる。
【００２６】
次に、水素ステーションの移動時における動作について説明する。移動時、エンジン５の運転が開始されトラック１が走行する。このとき、エンジン５から排出された燃焼ガス、つまり排ガスは、排気流路８を介して改質器１７の燃焼器１２へ流入する。燃焼器１２へ流入した排ガスは、改質器１７のガス流路５０内を通流してガス流路２８から外気へ放出される。このように排ガスがガス流路５０を通流することで、改質器１７の反応部５１及び改質触媒２６が予熱される。この結果、水素ステーション到着から水素供給までにかかる時間を短縮することができる。この立ち上がり時間の違いを図５を参照して説明する。図５は、横軸に時間、縦軸に改質器１７の温度を表し、従来の立ち上がり時間を点線で、本実施形態の立ち上がり時間を実線で示したグラフである。このグラフから分かるように、本実施形態の構成とすることで、出発から目的地到着までの間に改質器１７を予熱することができ、水素製造装置３を起動してから水素供給開始までにかかる時間を大幅に短縮することができる。
【００２７】
また、本実施の形態では、改質器１７の燃焼器１２は、排気流路８を介してエンジン５の排気口に接続された構成としたが、これに代えて、排気流路８の排ガス燃焼器１３と燃焼器１２との間から分岐する排気流路６０を設け、排ガスを排気流路６０から消音器６１を介して外部に導くように形成することができる。この場合において、排気流路６０が分岐する部分と燃焼器１２との間の排気流路８に弁６３を、排気流路６０に弁６４を設ける構成とすることができる。このような構成とすることで、エンジン５の排ガスを任意に改質器１７の燃焼器１２に導くことができるので好ましい。また、本実施の形態では、エンジン５を天然ガスを燃料とするものとしたが、本発明はエンジン５の排熱を利用して改質器を過熱することができればよく、従来の燃料である例えばガソリンなどを燃料としたものでもよい。
【００２８】
また、圧縮機３７の動力として、図２に示すように発電機６６を搭載した構成としたが、これに代えて、図７に示すように、エンジン５の動力を伝達するクラッチ６７とシャフト６８を設け、水素製造時にクラッチ６７を切り替えてエンジン５の動力を圧縮機３７に伝達する構成とすることができる。これにより、発電機６６及び発電機６６を搭載するスペースを節約することができる。
【００２９】
以上のように、本実施の形態によれば、エンジン５の排ガスを改質器１７の燃焼器１２へ導くことができるので、目的地へ移動する最中に改質器を予め昇温することができ、目的地に到着してから改質器を設定温度まで昇温させる時間を短縮することができる。また、エンジン５の燃料を、改質器１７で改質される炭化水素系燃料と同種の圧縮天然ガスＣＮＧとすることで、エンジン５の燃料タンクと改質器１７の燃料タンクを共有することができ、タンク設備やタンク設備をためのスペースを縮小することができる。
【００３０】
また、水素燃料車２４に水素を供給するディスペンサ２１を備えた構成とすることで、定置式の水素ステーションが建設されていない、例えば、高速道路上やインフラが整備されていない地方都市などにおいても水素燃料車２４に燃料を補給することができる。この場合において、ディスペンサ２１は、燃料タンクに高圧の水素を充填する高圧ガス貯蔵タイプと、燃料タンク内の水素吸蔵合金に水素を吸蔵させるメタルハイドライドタイプに対応するものとする。また、圧縮機３７を搭載することで、高圧ガス貯蔵タイプに燃料を充填することを可能にする。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、立ち上がり時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用してなる水素ステーションの一実施形態の概略構成を示した図である。
【図２】本実施形態を適用してなる水素ステーションの概略構成を示した斜視図である。
【図３】本発明を適用してなる水素ステーションに搭載される改質器の概略構成について示した図である。
【図４】圧縮天然ガスの減圧機構の概略構成を示した図である。
【図５】横軸に時間、縦軸に改質器の温度を表し、従来の立ち上がり時間を点線で、本実施形態の立ち上がり時間を実線で示したグラフである。
【図６】排ガス流路の変形例を示した図である。
【図７】本発明を適用してなる水素ステーションの変形例を示した図である。
【符号の説明】
１　トラック
５　エンジン
８　排気流路
１２　燃焼器
１７　改質器
２６　改質触媒
５０　ガス流路
５１　反応部

Claims

炭化水素系燃料と水蒸気との反応により水素ガスを発生させる改質器を車両に搭載してなり、該改質器を前記車両の動力装置の排熱により予熱する予熱手段を備えた水素ステーション。
炭化水素系燃料と水蒸気とを反応させる改質触媒層が配置された反応部と、燃焼により発生させた燃焼ガスで前記反応部を加熱する燃焼器とを備えてなる改質器を車両に搭載してなり、該燃焼器に前記車両の動力装置の排ガスを導く予熱手段を備えた水素ステーション。
前記改質器は、前記燃焼ガスが通流し、前記燃焼ガスと前記反応部とを熱交換させるガス流路を備え、前記予熱手段は、前記動力装置の排ガスを前記ガス流路に導くことを特徴とする請求項２に記載の水素ステーション。
前記動力装置の燃料は、前記炭化水素系燃料と同種の燃料であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の水素ステーション。
外部の燃料タンクに前記水素ガスを供給する供給装置を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の水素ステーション。
前記水素ガスを圧縮する圧縮機と、前記動力装置の動力を該圧縮機に伝える動力伝達部材とを備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の水素ステーション。
炭化水素系燃料と水蒸気とを反応させる改質触媒層が配置された反応部と、燃焼により燃焼ガスを発生させる燃焼器と、前記燃焼ガスが通流し前記燃焼ガスと前記反応部とを熱交換させるガス流路とを備え、該ガス流路は前記車両の動力装置の排気流路に連結される改質器。