JP2005239500A

JP2005239500A - 燃料ガス充填方法

Info

Publication number: JP2005239500A
Application number: JP2004053752A
Authority: JP
Inventors: Hikari Okada; 光岡田; Akifumi Otaka; 彰文大高; Kazuto Matsuda; 和人松田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】燃料ガスの貯蔵量を適正に調整することができ、システム効率の向上を図るとともに、経済的な燃料ガス製造作業を良好に行うことを可能にする。
【解決手段】発電用タンク７２の残圧ｂが検出され、この残圧ｂを含む燃料ガスの使用履歴データに基づいて、前記発電用タンク７２の目標貯蔵量、すなわち、目標圧Ｃが算出される。そして、残圧ｂが目標圧Ｃよりも小さいと判断されると、発電用タンク７２への燃料ガスの充填が開始され、この燃料ガスの充填は、残圧ｂが目標圧Ｃに至るまで遂行される。
【選択図】図２

Description

本発明は、含水素燃料を改質して改質ガスを得た後、前記改質ガスから不要物を除去して水素リッチな燃料ガスを精製するとともに、前記燃料ガスを貯蔵部に貯蔵する燃料ガス製造装置において、前記貯蔵部に前記燃料ガスを充填するための燃料ガス充填方法に関する。

例えば、天然ガス等の炭化水素燃料やメタノール等のアルコールを含む含水素燃料を改質して水素含有ガス（改質ガス）を得た後、この水素含有ガスを精製した水素ガス（燃料ガス）を製造する水素製造装置が採用されている。

この種の水素製造装置では、ＬＰＧ（液化石油ガス）や都市ガス等の炭化水素燃料を水蒸気改質して高濃度な水素リッチガスである水素含有ガスを製造するとともに、例えば、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）装置や水素分離膜装置等を介して前記水素含有ガスから高純度水素を分離精製している。

例えば、特許文献１には、水素製造装置を供給場所に設置するオンサイト型水素製造設備が開示されている。この水素製造設備は、図５に示すように、炭化水素である改質原料中の硫黄分を脱硫処理する脱硫装置１を備えており、この脱硫装置１により脱硫された改質原料は、水蒸気改質装置２に送られて水蒸気改質により水素含有ガスが製造される。

水蒸気改質装置２で製造された水素含有ガスは、シフト反応装置３に送られて、前記水素含有ガス中の一酸化炭素が二酸化炭素に転換されて除去される。さらに、一酸化炭素が除去された水素含有ガスは、水素ＰＳＡ装置４に送られて、水素以外の不純物が吸着剤により吸着されて除去され、高純度の水素が水素供給設備５に供給される。一方、前記水素の一部は、発電用の燃料ガスとして固体高分子型燃料電池６に供給される。この固体高分子型燃料電池６は、水素製造装置の稼働用電力を発生させる。水素供給設備５に供給された水素は、水素利用自動車や家庭用燃料電池等に分配供給される。

特開２００３−９５６１２号公報（図１）

ところで、予め改質原料を用いて水素を精製するとともに、この水素を水素供給設備５に貯蔵しておき、前記水素供給設備５から水素利用自動車や家庭用発電装置（家庭用燃料電池）等に燃料ガスとして前記水素を分配供給する場合がある。

その際、上記の特許文献１では、水素が水素供給設備５に比較的高圧な状態で貯蔵されるため、水素の高圧貯蔵動力が必要となる。従って、動力の消費が増大し、システム効率が低下してしまうという問題がある。

特に、家庭用発電装置では、必要発電量が曜日や季節等によって変動しており、水素供給設備５に、常時、水素を高圧貯蔵することによって、使用しない過剰な水素が貯蔵されることになる。これにより、システム効率が低下して、ランニングコストが高騰するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料ガスの貯蔵量を適正に調整することができ、システム効率の向上を図るとともに、経済的な燃料ガス製造作業を良好に行うことが可能な燃料ガス充填方法を提供することを目的とする。

本発明は、含水素燃料を改質して改質ガスを得た後、前記改質ガスから不要物を除去して水素リッチな燃料ガスを精製するとともに、前記燃料ガスを貯蔵部に貯蔵する燃料ガス製造装置において、前記貯蔵部に前記燃料ガスを充填するための燃料ガス充填方法である。この場合、含水素燃料とは、例えば、炭化水素又はアルコール等のように水素を含む燃料をいう。

そこで、先ず、燃料ガスの使用履歴データに基づいて、貯蔵部の目標貯蔵量が算出された後、含水素燃料ガスから前記燃料ガスが精製されるとともに、該燃料ガスが前記目標貯蔵量まで前記貯蔵部に充填される。

また、目標貯蔵量は、燃料ガスの推定使用量を算出し、該推定使用量に余剰充填量を加算して算出されることが好ましい。

さらに、燃料ガスの使用履歴データは、過去数日以上前の一定期間での使用量データを含むことが好ましい。

本発明では、過去の燃料ガスの使用状況に基づいて、貯蔵部の目標貯蔵量が推定されるため、前記貯蔵部には、次回の発電に必要な最低量の燃料ガスを貯蔵することができる。従って、貯蔵部には、過剰な燃料ガスを高圧充填しておく必要がなく、前記燃料ガスの高圧貯蔵動力を最小限に設定すること可能になる。これにより、システム効率の向上を図るとともに、経済的な燃料ガス製造作業を良好に行うことができる。

図１は、本発明の実施形態に燃料ガス充填方法を実施するための家庭用燃料ガス製造システム（燃料ガス製造装置）１０の概略構成図である。

家庭用燃料ガス製造システム１０は、含水素燃料、例えば、メタンやプロパン等の炭化水素燃料（以下、改質用燃料という）の改質反応により水素リッチガス（以下、改質ガスという）を得る改質部１２と、前記水素リッチガスから高純度の水素ガス（以下、燃料ガスという）を精製する精製部１４と、前記燃料ガスを貯蔵する貯蔵部１６とを備える。

改質部１２は、燃焼触媒を有して改質用燃料を蒸発させる蒸発器１８を備える。蒸発器１８には、バーナ等の燃焼器（加熱部）２０が付設されるとともに、前記蒸発器１８の下流には、改質用燃料を改質して改質ガスを得る反応器（改質器）２２が配設される。反応器２２の下流には、改質ガスを冷却する冷却器２４が配設されるとともに、この冷却器２４の下流には、冷却された前記改質ガスをガス成分と水分とに分離する気液分離器２６が配設される。

改質部１２には、空気供給機構２８が設けられる。空気供給機構２８は、空気コンプレッサ３０を備えるとともに、この空気コンプレッサ３０には、改質用空気供給路３２及びオフガス排出用空気供給路３６が接続される。改質用空気供給路３２は、蒸発器１８に接続され、オフガス排出用空気供給路３６は、後述するＰＳＡ機構４８を経由して前記燃焼器２０に接続される。

改質用空気供給路３２及びオフガス排出用空気供給路３６は、流量制御用の弁３８ａ及び３８ｂを介して空気コンプレッサ３０に接続可能である。改質用空気供給路３２には、弁３８ａと蒸発器１８との間に位置して改質用燃料エゼクタ４０が配設される。

改質用燃料エゼクタ４０には、含水素燃料供給機構４１が接続される。含水素燃料供給機構４１は、大気圧調整バルブ４２を介して燃料エゼクタ４０の吸引側に接続される含水素燃料供給路４３を設ける。

気液分離器２６の下流には、改質ガス供給路４６を介して精製部１４を構成する、例えば、ＰＳＡ機構４８が接続され、前記ＰＳＡ機構４８には、水分が分離された改質ガスが供給される。改質ガス供給路４６には、ＰＳＡ機構４８に改質ガスを圧送するためのコンプレッサ５０が接続される。なお、ＰＳＡ機構４８に代替して、例えば、水素分離膜装置（図示せず）等を使用してもよい。

ＰＳＡ機構４８は、水素以外の成分を高圧下で選択的に吸着し、減圧下で脱着する吸着剤を充填した複数塔、例えば、３塔の吸着塔（図示せず）を備えている。各吸着塔に、吸着、減圧、均圧、ブローダウン及びパージ工程からなるサイクリック運転を行わせることにより、高純度水素を取り出す一方、他の成分（不要物）をオフガスとしてオフガス排出路５２に放出するように構成している。

オフガス排出路５２は、オフガスエゼクタ５４に接続される。オフガスエゼクタ５４の一端には、オフガス排出用空気供給路３６が接続されるとともに、このオフガスエゼクタ５４の他端には、オフガス流路５６が接続される。オフガスエゼクタ５４は、空気コンプレッサ３０によりオフガス排出用空気供給路３６からオフガス流路５６に流れるオフガス排出用空気（圧縮空気）を介してＰＳＡ機構４８からオフガスを吸引する機能を有する。

ＰＳＡ機構４８には、各吸着塔から高純度水素を排出するための燃料ガス経路５８が連通するとともに、燃料ガス経路５８にコンプレッサ６０が接続される。燃料ガス経路５８の端部は、弁６４を介して貯蔵部１６を構成する充填タンク６６に接続される。燃料ガス経路５８の途上には、分岐燃料ガス経路８６が設けられ、この分岐燃料ガス経路８６には、弁７０を介して発電用タンク７２が接続される。

充填タンク６６は、燃料電池車両（図示せず）に燃料ガスを供給する一方、発電用タンク７２は、家庭内で定置型燃料電池（ＦＣ）７６を発電させるために、該定置型燃料電池７６に燃料ガスを供給する。

家庭用燃料ガス製造システム１０は、各補機類と通信及び制御を行うための制御部として、例えば、制御ＥＣＵ（Electronic Control Unit）７８を備える。

このように構成される家庭用燃料ガス製造システム１０の動作について、以下に説明する。

家庭用燃料ガス製造システム１０では、制御ＥＣＵ７８を介して空気コンプレッサ３０が運転されており、改質用空気、燃焼用空気及びオフガス排出用空気が、それぞれ改質用空気供給路３２及びオフガス排出用空気供給路３６に送られる。

改質用空気供給路３２に供給される改質用空気は、蒸発器１８に供給されるとともに、この蒸発器１８には、例えば、天然ガスや都市ガス等の改質用燃料と水とが供給される。一方、燃焼器２０では、燃焼用空気、オフガス及び必要に応じて水素等が供給されて燃焼が行われ、蒸発器１８では、改質用燃料及び水が蒸発する。

蒸発した改質用燃料は、反応器２２に送られる。この反応器２２では、改質用燃料中の、例えば、メタン、空気中の酸素及び水蒸気によって、酸化反応であるＣＨ₄＋２Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ（発熱反応）と、燃料改質反応であるＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ₂（吸熱反応）とが同時に行われる（オートサーマル方式）。

上記のように、反応器２２により改質された改質ガスは、冷却器２４によって冷却された後、気液分離器２６に供給される。この気液分離器２６で水分が分離された改質ガスは、改質ガス供給路４６に送られ、コンプレッサ５０で圧縮されてＰＳＡ機構４８に供給される。

ＰＳＡ機構４８では、各吸着塔内で水素以外の成分が吸着されて高濃度の水素（水素リッチ）を含む燃料ガスが精製され、この燃料ガスが燃料ガス経路５８に供給される。燃料ガスは、コンプレッサ６０の作用下に充填タンク６６と発電用タンク７２とに選択的に貯蔵される。

一方、ＰＳＡ機構４８では、各吸着塔からのオフガス（残留ガス）がオフガス排出路５２に放出される。オフガス排出路５２は、オフガスエゼクタ５４を介してオフガス流路５６に接続されている。このため、オフガス排出路５２に放出されたオフガスは、オフガスエゼクタ５４に供給されるオフガス排出用空気（圧縮空気）を介して燃焼器２０に送られる。このオフガスは、燃焼器２０の燃焼用燃料として使用される。

上記のように、家庭用燃料ガス製造システム１０の運転作用下に、燃料ガスが精製されるとともに、前記燃料ガスが充填タンク６６と発電用タンク７２とに貯蔵される。そして、例えば、翌日には、充填タンク６６に貯蔵されている燃料ガスは、燃料電池車両（図示せず）に供給される一方、発電用タンク７２に貯蔵されている燃料ガスは、定置型燃料電池７６に供給されて家庭内における発電が行われる。

従って、例えば、１日の使用により充填タンク６６及び発電用タンク７２の燃料ガス貯蔵量が減少するため、次回の使用に備えて、本発明に係る燃料ガス充填方法により燃料ガスを貯蔵部１６に貯蔵する作業が行われる。この作業は、図２に示すフローチャートに沿って遂行される。

先ず、起動スイッチ（図示せず）がオンされる（図２中、ステップＳ１）。この起動スイッチは、ユーザーが手動操作する場合、充填タンク６６の残圧がＰ０１ｋＰａ以下の場合、又は発電用タンク７２の残圧がＰ０２ｋＰａ以下の場合にオンされる。

次いで、充填タンク６６の残圧ｚが検出される（ステップＳ２）一方、発電用タンク７２の残圧ｂが検出される（ステップＳ３）。制御ＥＣＵ７８では、前記発電用タンク７２の残圧ｂを含む燃料ガスの使用履歴データに基づいて、前記発電用タンク７２の目標圧（目標貯蔵量）Ｃが算出される（ステップＳ４）。

燃料ガスの使用履歴データは、過去数日以上前、例えば、過去７日以上前の一定期間での使用量データを含む。具体的には、図３に示すように、家庭内での必要発電量は、曜日毎に異なっており、各曜日の電力使用量から算出された理想圧力線Ｌ１が得られる。この理想圧力線Ｌ１は、発電用タンク７２内の燃料ガスの推定使用量に相当しており、該推定使用量に余剰充填量を加算することによって、前記発電用タンク７２の目標圧力線Ｌ２が算出される。この目標圧力線Ｌ２は、各曜日毎の目標圧Ｃに対応している。

また、家庭内での消費電力パターンは、季節によっても異なり、図４に示すように、夏季の必要発電量（電力）は、冬季の必要発電量（電力）よりも多くなっている。従って、目標圧力線Ｌ２は、次回に発電用タンク７２内の燃料ガスを使用する曜日及び季節を勘案して設定される。

さらに、ステップＳ５に進んで、充填タンク６６の残圧ｚが燃料電池車両の充填必要圧力Ａよりも低いか否かが判断される。この残圧ｚが充填必要圧力Ａよりも低いと判断されると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進んで、発電用タンク７２の残圧ｂが目標圧Ｃよりも低いか否かが判断される。

この残圧ｂが目標圧Ｃよりも低いと判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進んで、家庭用燃料ガス製造システム１０の運転が開始される。この家庭用燃料ガス製造システム１０では、上記のように、改質用燃料から水素リッチな燃料ガスが精製されるとともに、先ず、弁６４が開放されてコンプレッサ６０の作用下に前記燃料ガスが充填タンク６６に対する充填を開始する（ステップＳ８）。そして、充填タンク６６の残圧ｚが充填必要圧力Ａに至るまで、該充填タンク６６への燃料ガスの充填が行われる（ステップＳ９）。

充填タンク６６への燃料ガスの充填が完了すると（ステップＳ９中、ＹＥＳ）、弁６４が閉塞される一方、弁７０が開放され、コンプレッサ６０の作用下に発電用タンク７２への燃料ガスの充填が開始される（ステップＳ１０）。発電用タンク７２では、残圧ｂが目標圧Ｃに至るまで、燃料ガスの充填が行われる（ステップＳ１１）。発電用タンク７２に対する燃料ガスの充填が完了することにより（ステップＳ１１中、ＹＥＳ）、燃料ガス充填処理が終了する。

一方、ステップＳ５において、充填タンク６６の残圧ｚが充填必要圧力Ａよりも高いと判断されると（ステップＳ５中、ＮＯ）、ステップＳ１２に進んで、発電用タンク７２の残圧ｂが目標圧Ｃよりも高いか否かが判断される。この残圧ｂが目標圧Ｃよりも高いと判断されると（ステップＳ１２中、ＹＥＳ）、家庭用燃料ガス製造システム１０の運転が行われない。充填タンク６６の残圧ｚ及び発電用タンク７２の残圧ｂは、それぞれ充填必要圧力Ａ及び目標圧Ｃよりも高圧なっているからである。

また、ステップＳ１２において、発電用タンク７２の残圧ｂが目標圧Ｃよりも低いと判断されると（ステップＳ１２中、ＮＯ）、ステップＳ１３に進んで、家庭用燃料ガス製造システム１０の運転が開始される。その際、充填タンク６６の残圧ｚが充填必要圧力Ａに至っており、ステップＳ１４及びステップＳ１５に示すように、発電用タンク７２への燃料ガスの充填処理のみが行われる。

さらにまた、ステップＳ６において、発電用タンク７２の残圧ｂが目標圧Ｃよりも高いと判断されると（ステップＳ６中、ＮＯ）、ステップＳ１６に進んで、家庭用燃料ガス製造システム１０の運転が開始される。その際、発電用タンク７２には、必要量の燃料ガスが充填されており、ステップＳ１７及びステップＳ１８に示すように、充填タンク６６への燃料ガスの充填処理のみが行われる。

このように、本実施形態では、発電用タンク７２における過去の燃料ガスの使用状況に基づいて、前記発電用タンク７２の目標圧Ｃ、すなわち、目標貯蔵量が推定されている。このため、発電用タンク７２には、次回の発電に必要な最低量の燃料ガスを貯蔵することができる。

従って、図３に示すように、過去の使用状況に係わりなく一定のタンク圧に設定される従来圧力線Ｌ３に比べて低圧な目標圧力線Ｌ２が得られ、発電用タンク７２には、過剰な燃料ガスを高圧充填しておく必要がない。このため、従来に比べてシステム効率が向上し、燃料ガスの高圧貯蔵動力を最小限に設定することが可能になる。これにより、家庭用燃料ガス製造システム１０のランニングコストが有効に低減されるという効果が得られる。

しかも、燃料ガスの使用履歴データは、例えば、過去７日以上前の一定期間での使用量データを含んでいる。従って、実際の家庭内での必要発電量を季節毎及び曜日毎に正確に設定することができ、システム効率が有効に向上するという利点がある。

その際、目標圧Ｃは、燃料ガスの推定使用量に対応する理想圧力線Ｌ１に余剰充填量を加算した目標圧力線Ｌ２に基づいて算出されている。このため、燃料電池７６に送られる燃料ガスの不足が惹起されることがなく、家庭内での発電がより確実に遂行可能になる。

さらにまた、前回の使用量は、目標圧Ｃを算出する前に残圧ｂとして検出されており、この前日の使用量である残圧ｂが更新されて目標圧Ｃが算出される。これにより、目標貯蔵量をより正確に更新することができる。

なお、本実施形態では、発電用タンク７２の残圧ｂを検出して目標圧Ｃを算出しているが、これに限定されるものではない。例えば、発電用タンク７２の使用量を積算流量計から求め、この使用量に基づいて目標貯蔵量を算出することも可能である。

また、ユーザーは、図示しない外部操作パネルにより発電量（圧力）を任意に設定することができる。さらに、推定使用量に対して消費が大幅に増加した際には、充填タンク６６からも発電用水素として燃料ガスを供給することが可能である。

本発明の実施形態に係る燃料ガス充填方法を実施するための家庭用燃料ガス製造システムの概略構成図である。前記燃料ガス充填方法を説明するフローチャートである。１週間の電力使用量と必要タンク圧との関係説明図である。夏期と冬季との消費電力パターンの説明図である。特許文献１の概略構成説明図である。

符号の説明

１０…家庭用燃料ガス製造システム
１２…改質部１４…精製部
１６…貯蔵部１８…蒸発器
２０…燃焼器２２…反応器
２４…冷却器２６…気液分離器
３０…空気コンプレッサ３６…オフガス排出用空気供給路
４０…改質用燃料エゼクタ４２…大気圧調整バルブ
４６…改質ガス供給路４８…ＰＳＡ機構
５２…オフガス排出路５４…オフガスエゼクタ
５６…オフガス流路５８…燃料ガス経路
６６…充填タンク７２…発電用タンク
７８…制御ＥＣＵ

Claims

含水素燃料を改質して改質ガスを得た後、前記改質ガスから不要物を除去して水素リッチな燃料ガスを精製するとともに、前記燃料ガスを貯蔵部に貯蔵する燃料ガス製造装置において、前記貯蔵部に前記燃料ガスを充填するための燃料ガス充填方法であって、
前記燃料ガスの使用履歴データに基づいて、前記貯蔵部の目標貯蔵量を算出する工程と、
前記含水素燃料ガスから前記燃料ガスを精製するとともに、該燃料ガスを前記目標貯蔵量まで前記貯蔵部に充填する工程と、
を有することを特徴とする燃料ガス充填方法。
請求項１記載の燃料ガス充填方法において、前記目標貯蔵量は、前記燃料ガスの推定使用量を算出し、該推定使用量に余剰充填量を加算して算出されることを特徴とする燃料ガス充填方法。
請求項１又は２記載の燃料ガス充填方法において、前記燃料ガスの使用履歴データは、過去数日以上前の一定期間での使用量データを含むことを特徴とする燃料ガス充填方法。