JP2005293949A

JP2005293949A - 燃料ガス製造システム及びその運転方法

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Publication number: JP2005293949A
Application number: JP2004105155A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Sumi; 英明隅; Mitsuru Ikeo; 充池尾; Hiroshi Machida; 博町田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP4612322B2

Abstract

【課題】オフガスタンクを不要にするとともに、簡単な構成で、燃焼装置に供給されるオフガス量の変動に良好に対応することを可能にする。
【解決手段】家庭用燃料ガス製造システム１０は、燃焼触媒１４を有して改質用燃料を蒸発させる蒸発装置１６、改質装置１８、空気供給装置５０及び制御ＥＣＵ７４を備える。空気供給装置５０は、空気コンプレッサ５２と供給圧制御レギュレータ５９とを備える。制御ＥＣＵ７４は、空気コンプレッサ５２を駆動して必要空気量以上の空気を供給するとともに、圧力調整弁５７、５８及び供給圧制御レギュレータ５９を制御して、改質装置１８に供給される改質用空気の供給圧を一定に維持しつつ、ＰＳＡ装置２６からのオフガス放出量の変動に同期して、燃焼用空気量を変動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、含水素燃料を改質することにより、水素リッチな燃料ガスを生成する燃料ガス製造システム及びその運転方法に関する。

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、この水素含有ガスを燃料ガスとして燃料電池等に供給する水素製造装置（燃料ガス製造システム）が採用されている。

この種の水素製造装置では、天然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、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）装置を介して前記水素含有ガスから高純度水素を圧力吸着により分離している。

具体的には、水蒸気改質された水素含有ガスには、主成分である水素ガスの他、ＣＯ、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ、ＣＨ₄等の不要物が含まれている。そこで、ＰＳＡ装置は、例えば、３塔の吸着塔を備えており、各吸着塔に、吸着、減圧、均圧、ブローク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、他の成分をオフガス（排ガス）として放出するように構成している。

ＰＳＡ装置から放出されるオフガスは、通常、オフガスタンクに一時的に貯蔵され、水素製造用改質器のバーナ（燃焼装置）に燃焼用燃料として供給されている。その際、オフガスタンクには、各吸着塔からオフガスが断続的に供給されるため、前記オフガスタンクに圧力変動が惹起する。しかしながら、オフガスタンクの圧力変動は、改質器やＰＳＡ装置等の運転に影響を及ぼすとともに、バーナの燃焼状態を変動させてしまうため、前記圧力変動を抑える必要がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されているオフガス圧力の制御方法が知られている。この制御方法では、図６に示すように、ＰＳＡ装置から改質器燃焼部に連通するオフガス流路１の途上に、オフガスタンク２が配置されている。オフガスタンク２の出口側導管には、圧力計３が配置されるとともに、この圧力計３の下流には、該圧力計３で計測される実圧力によって開度が変更可能なオフガス流量調整バルブ４が設けられている。このオフガス流量調整バルブ４の下流には、流量計５が配置されている。

そこで、オフガスタンク２の最小圧力を基準とし、前記オフガスタンク２の出口側導管に配置されたオフガス流量調整バルブ４の開度を、その全開に対して所定の微小刻みで増減させている。これにより、オフガスタンク２からのオフガスの圧力変動を抑え、該オフガスを改質器燃焼部のバーナへ安定して供給することができる、としている。

特開２００１−１０８０６号公報（図２）

しかしながら、オフガスタンク２は、その機能を有効に発揮させるために、ＰＳＡ装置の数倍の大きさが必要になり、水素製造装置全体が相当に大型化する。特に、家庭用水素製造装置では、設置スペースが狭小であり、上記大型のオフガスタンク２を備えた水素製造装置の採用が困難であ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、オフガスタンクを不要にするとともに、簡単な構成で、燃焼装置に供給されるオフガス量の変動に良好に対応することが可能な燃料ガス製造システム及びその運転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る改質装置と、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ＰＳＡ装置と、前記ＰＳＡ装置からの排ガスを燃焼させる燃焼装置と、少なくとも前記燃焼装置に空気を供給する圧縮機を有するとともに、前記圧縮機の下流に空気量調整機構を設ける空気供給装置と、少なくとも前記燃焼装置に必要な空気量以上の空気を供給するよう前記圧縮機を制御し、且つ前記ＰＳＡ装置からの排ガス量の変動に同期して、前記燃焼装置に供給される空気量が変動するよう前記空気量調整機構を制御する制御装置とを備えている。

また、空気供給装置は、燃焼装置に燃焼用空気を供給する燃焼用空気流路と、改質装置に改質用空気を供給する改質用空気流路とを備え、制御装置は、前記燃焼装置及び前記改質装置に必要な空気量以上の空気を供給するよう前記圧縮機を制御し、且つ前記改質装置に供給される改質用空気の流量又は供給圧を一定に維持しつつ、前記ＰＳＡ装置からの排ガス量の変動に同期して、前記燃焼装置に供給される燃焼用空気量が変動するよう前記空気量調整機構を制御することが好ましい。

さらに、本発明は、含水素燃料を改質して改質ガスを得る改質装置と、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ＰＳＡ装置と、前記ＰＳＡ装置からの排ガスを燃焼させる燃焼装置と、少なくとも前記燃焼装置に空気を供給する圧縮機を有するとともに、前記圧縮機の下流に空気量調整機構を設ける空気供給装置とを備える燃料ガス製造システムの運転方法である。

そこで、圧縮機が制御されることにより、少なくとも燃焼装置に必要な空気量以上の空気が供給されるとともに、空気量調整機構が制御されることにより、ＰＳＡ装置からの排ガス量の変動に同期して、前記燃焼装置に供給される空気量が変動される。

さらにまた、圧縮機の作用下に、燃焼装置及び改質装置に必要な空気量以上の空気を供給する一方、空気量調整機構の作用下に、前記改質装置に供給される改質用空気の供給圧を一定に維持しつつ、ＰＳＡ装置からの排ガス量の変動に同期して、前記燃焼装置に供給される燃焼用空気量を変動させることが好ましい。

本発明では、ＰＳＡ装置からの排ガス量の変動に同期して、燃焼装置に供給される空気量が変動されるため、前記ＰＳＡ装置の脈動によって排ガスの供給量が減少した場合に、空気の供給量も減少する。このため、排ガスの供給量に対して燃焼用空気の供給量が相対的に増加することによる燃焼装置の温度低下を阻止することができ、この燃焼装置で未燃焼成分が発生することを良好に回避することが可能になる。これにより、外部に未燃焼成分が直接排出されることがなく、清浄な排ガスを確実に得ることができる。

さらに、排ガス量の変動に対応して圧縮機の出力を変動させないことも可能である。これによれば、圧縮機、例えば、コンプレッサの耐久負荷が高くなることがなく、しかも出力上昇時に過剰な電力を消費することを阻止することが可能になり、経済的である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る運転方法を実施するための家庭用燃料ガス製造システム（燃料ガス製造システム）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、燃焼触媒（燃焼装置）１４を有して改質用燃料を蒸発させる蒸発装置１６を備える。蒸発装置１６の下流には、改質用燃料を改質して改質ガスを得る改質装置１８が配設されるとともに、前記蒸発装置１６と前記改質装置１８との間には、前記蒸発した改質用燃料を前記改質ガスと熱交換して加熱する熱交換装置２０が介装される。熱交換装置２０の下流には、熱交換された改質ガスを冷却する冷却装置２２が配設されるとともに、この冷却装置２２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装置２４が配設される。

気液分離装置２４の下流には、水分が分離された改質ガスを圧縮してＰＳＡ装置２６に供給するＰＳＡコンプレッサ２８が配設される。図２に示すように、ＰＳＡ装置２６は、ＰＳＡコンプレッサ２８にそれぞれ接続可能な、例えば、３塔式圧力スイング吸着装置を構成しており、吸着塔３０、３２及び３４を備える。各吸着塔３０〜３４の出入口の一端には、弁３６ａ〜３６ｃが設けられるとともに、前記弁３６ａ〜３６ｃを介して前記吸着塔３０〜３４がオフガス流路３８に接続される。オフガス流路３８は、燃焼触媒１４に接続されるとともに、このオフガス流路３８の途上には、弁４０が配設される。

各吸着塔３０〜３４の出入口の他端には、弁４２ａ〜４２ｃが設けられるとともに、前記吸着塔３０〜３４は、弁４４を介してタンク４６に連通可能である。図１に示すように、タンク４６は、管路４８を介してオフガス流路３８に連通する一方、前記オフガス流路３８には、空気供給装置５０が接続される。

空気供給装置５０は、燃焼用空気供給機構と改質用空気供給機構とを兼用する圧縮機、例えば、空気コンプレッサ５２を備える。この空気コンプレッサ５２には、燃焼用空気流路５４と、改質用空気流路５６とが接続される。燃焼用空気流路５４は、オフガス流路３８の途上に連通して燃焼触媒１４に燃焼用空気を供給するとともに、前記燃焼用空気流路５４には、圧力調整弁（空気量調整機構）５７が配設される。改質用空気流路５６には、圧力調整弁（空気量調整機構）５８及びインジェクタ６０が配設されており、蒸発装置１６に改質用燃料及び水と共に改質用空気を供給する。

空気供給装置５０は、空気コンプレッサ５２の下流に配置された供給圧制御レギュレータ（空気量調整機構）５９を備えるとともに、前記供給圧制御レギュレータ５９に近接して圧力検出センサ６１が配設される。

タンク４６は、流量調整又は圧力調整を行う弁６２を介して固体高分子型燃料電池スタック（ＰＥＦＣ）６４内の燃料ガス流路（図示ぜず）に連通可能であるとともに、流量制御弁６６及び高圧コンプレッサ６８を介して高圧タンク７０に連通可能である。この高圧タンク７０は、水素ディスペンサ７２に水素を供給することにより、前記水素ディスペンサ７２を介して図示しない燃料電池自動車（ＦＣ自動車）に水素を供給することができる。燃料電池スタック６４は、定置型であり、水素（燃料）循環システムを備えている。

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とともに、特に第１の実施形態では、燃焼触媒１４及び改質装置１８（少なくとも燃焼触媒１４）に必要な空気量以上の空気を供給するよう空気コンプレッサ５２を制御し、且つ前記改質装置１８に供給される改質用空気の供給圧を一定に維持しつつ、ＰＳＡ装置２６からの排ガス量の変動に同期して、前記燃焼触媒１４に供給される燃焼用空気量が変動するよう圧力調整弁５７、５８を制御する制御部として、例えば、制御ＥＣＵ（Electronic Control Unit）７４を備える。なお、供給圧制御レギュレータ５９に代えて圧力調整弁（図示せず）を使用する際には、制御ＥＣＵ７４がこの圧力調整弁を制御する。

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、燃料ガス発生方法との関連で以下に説明する。

家庭用燃料ガス製造システム１０では、制御ＥＣＵ７４の起動信号がオンされて、空気コンプレッサ５２が所定の回転数で運転を開始される。このため、燃焼用空気及び改質用空気は、それぞれ燃焼用空気流路５４及び改質用空気流路５６を介して燃焼触媒１４及び蒸発装置１６に供給される。

改質用空気流路５６において、空気コンプレッサ５２から送られる改質用空気は、圧力調整弁５８により圧力差が低減（振幅が縮小）され、さらにインジェクタ６０を介して略一定の圧力に調整された後、蒸発装置１６に送られる。

蒸発装置１６には、上記の改質用空気の他に改質用燃料及び水が供給される一方、燃焼触媒１４では、燃焼用空気及び必要に応じてタンク４６から水素が供給されて燃焼が行われ、前記改質用燃料が蒸発する。蒸発した改質用燃料は、熱交換装置２０を通って改質装置１８に供給されるとともに、この改質装置１８から排出される改質ガスとの間で熱交換を行って昇温される。

改質装置１８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）。

改質装置１８から熱交換装置２０に供給された改質ガスは、改質用燃料との間で熱交換を行った後、冷却装置２２により冷却されて、気液分離装置２４に供給される。この気液分離装置２４で水分が分離された改質ガスは、ＰＳＡコンプレッサ２８で圧縮されてＰＳＡ装置２６に供給される。

ＰＳＡ装置２６では、図２に示すように、改質ガスが吸着塔３０、３２及び３４に選択的に供給される。その際、ＰＳＡ装置２６では、例えば、吸着塔３０で吸着工程、吸着塔３２で減圧工程、及び吸着塔３４でパージ工程が行われる。このため、吸着塔３０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）を含む燃料ガスがタンク４６に供給される。

さらに、吸着塔３０で吸着工程、吸着塔３２で均圧工程、及び吸着塔３４で均圧工程を経た後、前記吸着塔３０で吸着工程、前記吸着塔３２でブローダウン工程、及び吸着塔３４で昇圧工程が実施される。従って、吸着塔３０でのブローダウン工程によるオフガスは、弁３６ａの開放作用下にオフガス流路３８に供給され、弁４０を通って燃焼触媒１４に供給される。

上記のように、吸着塔３０、３２及び３４では、吸着工程、減圧工程、パージ工程、均圧工程及びブローダウン工程が選択的に行われることにより、水素リッチな燃料ガスがタンク４６に供給される。一方、排ガスであるオフガスが、弁３６ａ〜３６ｃの開閉作用下に、オフガス流路３８を介して燃焼触媒１４に連続的に供給される。

この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、改質装置１８に必要な改質用空気の流量は、略一定しているのに対して、燃焼触媒１４に供給される燃焼用空気の流量は、ＰＳＡ装置２６の圧力脈動によって増減するオフガス放出量に対応して変動している（必要流量８０参照）。

そこで、制御ＥＣＵ７４は、空気供給装置５０を構成する空気コンプレッサ５２を制御し、改質用空気及び燃焼用空気の必要流量８０以上の空気を、出力変動（又は、出力一定）制御によって供給する（空気コンプレッサ吐出流量８２参照）。

さらに、制御ＥＣＵ７４は、圧力調整弁５８を一定の開度に維持して蒸発装置１６から改質装置１８に供給される改質用空気の供給圧を一定に維持しつつ、ＰＳＡ装置２６からのオフガス放出量の変動に同期して、圧力調整弁５７を調整する。その際、燃焼用空気の供給圧の変動に伴って余剰圧力が発生すると、供給圧制御レギュレータ５９により、余剰圧力分の空気が外部に放出される。なお、供給圧制御レギュレータ５９から放出される余分な空気は、大気に放出され、あるいはシステム内で有効に使用される。

このように、第１の実施形態では、ＰＳＡ装置２６の圧力脈動により増減するオフガスの放出量に同期して圧力調整弁５７を制御し、燃焼用空気の供給量を増減している。従って、燃焼触媒１４に供給されるオフガス量が減少する際に、燃焼用空気の供給量が減少し、前記燃焼触媒１４の温度が低下することを阻止することができる。

これにより、燃焼触媒１４において、オフガスの未燃焼成分が発生することを有効に阻止し、この未燃焼部分が直接外部に配設されることがなく、清浄な排ガスを確実に得ることが可能になる。

さらに、第１の実施形態では、空気コンプレッサ５２は、常に、必要空気流量以上の出力で運転されており、ＰＳＡ装置２６からのオフガス放出量の増減に正確に対応して、出力変動させないことも可能である。この場合、空気コンプレッサ５２の耐久負荷が高くなることがなく、しかも出力上昇時に過剰な電力を消費することを阻止することができ、経済的であるという効果が得られる。

さらにまた、ＰＳＡ装置２６からのオフガス放出量の変動に対応して、圧力調整弁５７を制御して燃焼用空気の供給量を増減する際には、供給圧制御レギュレータ５９により余分な空気が外部に放出されて、改質用空気流路５６に導入されることがない。

これにより、圧力検出センサ６１により検出される改質用空気の供給圧は、常に一定圧力に維持されており、改質装置１８に供給される改質用空気の流量が変動することはない。すなわち、図４に示すように、改質用空気の供給圧は、略一定圧力に維持され、改質装置１８の触媒温度が変動することがなく、安定した改質ガスを確実に得ることができるという利点がある。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る運転方法を実施するための家庭用燃料ガス製造システム（燃料ガス製造システム）９０の概略構成図である。なお、第１の実施形態に係る家庭用燃料ガス製造システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

家庭用燃料ガス製造システム９０は、空気供給装置９２を備えており、この空気供給装置９２を構成する燃焼用空気流路５４には、三方向制御バルブ９４が配設される。この空気供給装置９２では、第１の実施形態の空気供給装置５０を構成する供給圧制御レギュレータ５９を用いていない。

このように構成される第２の実施形態では、三方向制御バルブ９４を制御することにより、燃焼触媒１４に供給される燃焼用空気の流量を、ＰＳＡ装置２６から排出されるオフガス放出量の増減に対応して増減させるとともに、余剰の酸素を外部に放出することができる。

このため、燃焼触媒１４に供給されるオフガス量が減少する際に、燃焼用空気の供給量を減少させることが可能になり、しかも改質装置１８に供給される改質用空気の供給量を一定に維持することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第２の実施形態では、燃焼用空気流路５４に三方向制御バルブ９４を配設しているが、改質用空気流路５６に圧力調整弁５８に代替して前記三方向制御バルブ９４を配設してもよい。

また、第１及び第２の実施形態では、燃焼装置として燃焼触媒１４を用いて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、バーナ等の種々の加熱手段を用いてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る運転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。前記家庭用燃料ガス製造システムを構成するＰＳＡ装置の概略構成説明図である。改質用空気及び燃焼用空気の必要流量と空気コンプレッサの吐出流量との説明図である。改質用空気の供給圧力、改質装置の触媒温度、改質装置の供給ガス温度及び改質装置内圧力の関係図である。本発明の第２の実施形態に係る運転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。特許文献１のオフガス圧力の制御方法の説明図である。

符号の説明

１０、９０…家庭用燃料ガス製造システム１４…燃焼触媒
１６…蒸発装置１８…改質装置
２０…熱交換装置２２…冷却装置
２４…気液分離装置２６…ＰＳＡ装置
２８…ＰＳＡコンプレッサ３０、３２、３４…吸着塔
３６ａ〜３６ｃ、４２ａ〜４２ｃ、４４、６２…弁
３８…オフガス流路４０、５７、５８…圧力調整弁
４６…タンク５０、９２…空気供給装置
５２…空気コンプレッサ５４…燃焼用空気流路
５６…改質用空気流路５９…供給圧制御レギュレータ
６０…インジェクタ６１…圧力検出センサ
６４…燃料電池スタック７０…高圧タンク
７４…制御ＥＣＵ９４…三方向制御バルブ

Claims

含水素燃料を改質して改質ガスを得る改質装置と、
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ＰＳＡ装置と、
前記ＰＳＡ装置からの排ガスを燃焼させる燃焼装置と、
少なくとも前記燃焼装置に空気を供給する圧縮機を有するとともに、前記圧縮機の下流に空気量調整機構を設ける空気供給装置と、
少なくとも前記燃焼装置に必要な空気量以上の空気を供給するよう前記圧縮機を制御し、且つ前記ＰＳＡ装置からの排ガス量の変動に同期して、前記燃焼装置に供給される空気量が変動するよう前記空気量調整機構を制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする燃料ガス製造システム。
請求項１記載の燃料ガス製造システムにおいて、前記空気供給装置は、前記燃焼装置に燃焼用空気を供給する燃焼用空気流路と、
前記改質装置に改質用空気を供給する改質用空気流路と、
を備え、
前記制御装置は、前記燃焼装置及び前記改質装置に必要な空気量以上の空気を供給するよう前記圧縮機を制御し、且つ前記改質装置に供給される改質用空気の流量又は供給圧を一定に維持しつつ、前記ＰＳＡ装置からの排ガス量の変動に同期して、前記燃焼装置に供給される燃焼用空気量が変動するよう前記空気量調整機構を制御することを特徴とする燃料ガス製造システム。
含水素燃料を改質して改質ガスを得る改質装置と、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ＰＳＡ装置と、前記ＰＳＡ装置からの排ガスを燃焼させる燃焼装置と、少なくとも前記燃焼装置に空気を供給する圧縮機を有するとともに、前記圧縮機の下流に空気量調整機構を設ける空気供給装置とを備える燃料ガス製造システムの運転方法であって、
前記圧縮機を制御することにより、少なくとも前記燃焼装置に必要な空気量以上の空気を供給する工程と、
前記空気量調整機構を制御することにより、前記ＰＳＡ装置からの排ガス量の変動に同期して、前記燃焼装置に供給される空気量を変動させる工程と、
を有することを特徴とする燃料ガス製造システムの運転方法。
請求項３記載の運転方法において、前記圧縮機の作用下に、前記燃焼装置及び前記改質装置に必要な空気量以上の空気を供給する一方、前記空気量調整機構の作用下に、前記改質装置に供給される改質用空気の流量又は供給圧を一定に維持しつつ、前記ＰＳＡ装置からの排ガス量の変動に同期して、前記燃焼装置に供給される燃焼用空気量を変動させることを特徴とする燃料ガス製造システムの運転方法。