JP2005293959A

JP2005293959A - 水素ガス製造発電システム及びその運転方法

Info

Publication number: JP2005293959A
Application number: JP2004105589A
Authority: JP
Inventors: Kazuto Matsuda; 和人松田; Toshiharu Ushiro; 敏治卯城; Akifumi Otaka; 彰文大高; Hikari Okada; 光岡田
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: JP4523313B2

Abstract

【課題】定置型燃料電池及び燃料電池車両に水素ガスを良好且つ効率的に供給するとともに、前記水素ガスを経済的に使用することを可能にする。
【解決手段】家庭用水素ガス製造発電システム１０は、改質装置１６と、水素精製装置２０と、定置型燃料電池３６に水素ガスを供給するための発電用タンク３２と、燃料電池車両に前記水素ガスを供給するための充填タンク３４ａ、３４ｂと、前記水素ガスの供給先を前記発電用タンク３２と前記充填タンク３４ａ、３４ｂとに切り替え制御する制御ＥＣＵ４４とを備える。
【選択図】図１

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水素ガスを精製するとともに、前記水素ガスを定置型燃料電池及び燃料電池車両に供給する水素ガス製造発電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）を得た後、この水素含有ガスを精製し高純度の水素ガスとして燃料電池（発電部）等に供給するために水素製造装置が採用されている。

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、例えば、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）装置や水素分離膜等を介して前記水素含有ガスから高純度水素を分離している。

この種の水素製造装置として、例えば、特許文献１に開示されている技術が採用されている。この特許文献１では、図５に示すように、燃料であるメタノールは、水と混合されて気化器１により気化された後、改質器２に導入されて水素、一酸化炭素及び二酸化炭素等からなる改質ガスが生成される。得られた改質ガスは、水素分離装置３によって水素ガスのみが他のガスから分離され、この水素ガスは、減圧装置４及び昇圧装置５を介してバッファ装置６に貯蔵される。

バッファ装置６に貯蔵されている水素は、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）８の燃料として減圧弁等の水素供給装置７を介して前記燃料電池８に供給される。この燃料電池８には、燃料としての水素の他に空気が供給される。また、バッファ装置６から燃料電池８の途上には、ライン９を介して適当量の水素がバイパスされ、この水素に空気が添加されて気化器１、改質器２又は水素分離装置３における必要熱量を補っている。

特開平７−３２０７６３号公報（図１）

最近、家庭用発電源として定置型燃料電池を用い、都市ガスやＬＰＧ、灯油等の燃料を改質し精製した水素ガスを前記定置型燃料電池に供給するとともに、前記水素ガスを燃料電池自動車の高圧タンクに充填する水素ガス製造発電システムが開発されている。

そこで、特許文献１の発電装置を上記の水素ガス製造発電システムに採用しようとすると、バッファ装置６に貯蔵されている水素ガスを、定置型燃料電池である燃料電池８と、燃料電池自動車の高圧タンクとに選択的に供給する必要がある。

しかしながら、燃料電池自動車では、所望の走行距離を確保するために水素ガスを相当に高圧で充填する高圧タンクが設けられており、この高圧タンクに前記水素ガスを充填するためには、バッファ装置６内に充填されている水素ガスを相当に高圧に維持しなければならない。一方、燃料電池８に供給される水素ガスは、低圧に設定されており、バッファ装置６に貯蔵されている水素ガスは、例えば、内圧が略０に至るまで前記燃料電池８に供給することができる。

従って、バッファ装置６は、燃料電池自動車の高圧タンクに水素ガスを充填し得るように、常時、高圧に維持する必要があり、燃料電池８に水素ガスを供給する際には、水素供給装置７によって相当に減圧しなければならず、経済的ではないという問題がある。

さらに、例えば、改質器２の始動直後や、水素分離装置３を長期間放置した場合等では、生成される水素ガスの純度が低下するおそれがある。この低純度な水素ガスを燃料電池自動車の高圧タンクに供給すると、前記燃料電池自動車の発電システムに支障を来すという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、定置型燃料電池及び燃料電池車両に水素ガスを良好且つ効率的に供給するとともに、前記水素ガスを経済的に使用することが可能な水素ガス製造発電システムを提供することを目的とする。

また、本発明は、簡単な制御で、燃料電池車両に高濃度（高純度）な水素ガスを確実に供給することが可能な水素ガス製造発電システム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高純度な水素ガスを精製する水素精製装置と、前記水素ガスを貯蔵するとともに、定置型燃料電池に前記水素ガスを供給するための第１水素貯蔵装置と、前記水素ガスを貯蔵するとともに、燃料電池車両に前記水素ガスを供給するための第２水素貯蔵装置と、前記水素ガスの供給先を前記第１水素貯蔵部と前記第２水素貯蔵部とに切り替え制御する制御装置とを備えている。

また、水素精製装置で精製された水素ガスの濃度を検出する水素濃度検出装置を備え、制御装置は、前記水素濃度検出装置により検出される水素濃度が所定値未満である際に、第１水素貯蔵装置に前記水素ガスを供給する一方、前記水素濃度が所定値以上である際に、第２水素貯蔵装置に前記水素ガスを供給するよう制御することが好ましい。これにより、第２水素貯蔵装置には、高濃度な水素ガスを確実に貯蔵することができる。

さらに、水素濃度検出装置は、運転パラメータに基づいて水素濃度を推定することが好ましい。運転パラメータは、例えば、運転開始からの時間、システム内の温度、システム内の圧力又は水素精製装置の運転停止時間等を含む。

また、第１水素貯蔵装置と第２水素貯蔵装置とを接続し、前記第２水素貯蔵装置から定置型燃料電池に水素ガスを供給可能にする流路切り替え装置を備えることが好ましい。

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高純度な水素ガスを精製する水素精製装置と、前記水素ガスを貯蔵するとともに、定置型燃料電池に前記水素ガスを供給するための第１水素貯蔵装置と、前記水素ガスを貯蔵するとともに、燃料電池車両に前記水素ガスを供給するための第２水素貯蔵装置とを備える水素ガス製造発電システムの運転方法である。

そこで、先ず、水素精製装置で精製される水素ガスの濃度が検出され、前記検出された水素濃度が所定値未満である際に、第１水素貯蔵装置に前記水素ガスが供給される。一方、検出された水素濃度が所定値以上である際に、第２水素貯蔵装置に水素ガスが供給される。

さらにまた、システム起動時には、水素精製装置で精製される水素ガスを第１水素貯蔵装置に供給する一方、システム通常運転時には、前記水素精製装置で精製される前記水素ガスを第２水素貯蔵装置に供給することが好ましい。システム起動時は、精製される水素ガスの濃度が安定しないからである。

また、システム定常時には、第１水素貯蔵装置から定置型燃料電池に水素ガスを供給する一方、第１水素貯蔵装置の水素ガスが不足する場合には、第２水素貯蔵装置から前記定置型燃料電池に前記水素ガスを供給することが好ましい。第１水素貯蔵装置の水素ガスが不足する場合とは、例えば、停電時をいう。

本発明では、定置型燃料電池に水素ガスを供給するための第１水素貯蔵装置と、燃料電池車両に前記水素ガスを供給するための第２水素貯蔵装置とが、個別に設けられるため、前記第１水素貯蔵装置に貯蔵されている前記水素ガスを、内圧が略０に至るまで前記定置型燃料電池に供給することができる。従って、定置型燃料電池に対して水素ガスを効率的に供給することが可能になり、前記水素ガスを経済的に使用することができる。

また、本発明では、高濃度の水素ガスを第２水素貯蔵装置に確実に供給することが可能になり、燃料電池車両の発電システムに支障を来すような水素供給を排除するとともに、低濃度の水素ガスを廃棄することがなく、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水素ガス製造発電システム１０の概略構成図である。

家庭用水素ガス製造発電システム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、改質用燃料ともいう）を供給し改質用燃料の改質反応により水素リッチガス（以下、改質ガスともいう）を得る改質装置１６を備える。

改質装置１６の下流には、ＰＳＡ機構又は水素分離膜等を備える水素精製装置２０が接続される。ＰＳＡ機構は、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、脱着及び洗浄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）をオフガスとして放出する。このオフガスは、改質装置１６の熱源等に有効に利用される。

水素精製装置２０には、各吸着塔から高純度水素（水素ガス）を排出するための水素ガス経路２４が連通するとともに、水素ガス経路２４には、水素ガスの水素濃度を検出する水素濃度検出装置２６として、例えば、水素純度計が配設される。水素ガス経路２４には、水素供給装置を構成する水素圧縮装置２８が設けられ、この水素圧縮装置２８には、弁３０ａを介して発電用タンク（第１水素貯蔵装置）３２が接続され、さらに弁３０ｂ、３０ｃを介して充填タンク（第２水素貯蔵装置）３４ａ、３４ｂが接続される。弁３０ａ〜３０ｃは、流路切り替え装置３５を構成する。なお、発電用タンク３２に代替して、水素吸蔵合金を使用してもよい。

発電用タンク３２は、家庭用電源を供給するための定置型燃料電池３６に水素ガス供給路３８を介して接続される。この定置型燃料電池３６には、酸化剤ガスとして、例えば、空気を供給するためのコンプレッサ（又はブロアー）４０が接続される。充填タンク３４ａ、３４ｂは、水素ディスペンサ４２に接続されており、図示しない燃料電池車両の高圧タンクに水素ガスを供給する。

家庭用水素ガス製造発電システム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、水素ガスの供給先を発電用タンク３２と充填タンク３４ａ、３４ｂとに切り替え制御する制御装置として、例えば、制御ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４４を備える。

このように構成される家庭用水素ガス製造発電システム１０の動作について、第１の実施形態に係る運転方法との関連で、図２に示すフローチャートに沿って以下に説明する。

家庭用水素ガス製造発電システム１０では、制御ＥＣＵ４４を介して運転が開始されており、例えば、都市ガスやプロパン等の改質用燃料は、改質装置１６に送られる。この改質装置１６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）。また、改質装置１６には、燃料改質反応であるＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ₂（吸熱反応）に熱を供給する水蒸気改質を採用してもよい。

上記のように、改質装置１６により改質された改質ガスは、水素精製装置２０に供給される。この水素精製装置２０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）を含む水素ガスが精製され、この水素ガスが水素ガス経路２４に供給される。

水素ガス経路２４には、水素濃度検出装置２６が配設されており、水素精製装置２０から送られる水素ガスの水素純度が検出される（図２中、ステップＳ１）。水素濃度検出装置２６で検出された水素純度が所定値未満であると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進んで、弁３０ａが開放されて発電用タンク３２に前記水素ガスが充填される。

一方、水素純度が所定値以上であると判断されると（ステップＳ２中、ＮＯ）、ステップＳ４に進んで、弁３０ａが閉塞される一方、弁３０ｂ、３０ｃが選択的に開放され、充填タンク３４ａ、３４ｂに水素ガスが選択的に充填される。そして、上記の発電用タンク３２及び／又は充填タンク３４ａ、３４ｂへの水素ガスの供給作業は、水素製造作業が停止されるまで継続される（ステップＳ５）。

次いで、発電用タンク３２に貯蔵されている水素ガスは、水素ガス供給路３８から定置型燃料電池３６のアノード側電極（図示せず）に供給される。一方、コンプレッサ４０が駆動されて、定置型燃料電池３６の図示しないカソード側電極に酸化剤ガスとして空気が供給される。このため、定置型燃料電池３６で発電が行われて電力が発生し、この電力は、家庭用電源として使用されるとともに、コンプレッサ４０を含むシステム補器電源として利用される。

また、充填タンク３４ａ、３４ｂに貯蔵されている水素ガスは、水素ディスペンサ４２を介して図示しない燃料電池車両の高圧タンクに充填される。

水素精製装置２０では、各吸着塔からのオフガスが放出される。このオフガスは、燃焼器１４に接続されており、このオフガスは、改質装置１６の熱源等に有効に利用される。

この場合、第１の実施形態では、定置型燃料電池３６に水素ガスを供給するための発電用タンク３２と、燃料電池車両に前記燃料電池を供給するための充填タンク３４ａ、３４ｂとが個別に設けられている。その際、充填タンク３４ａ、３４ｂは、燃料電池車両の高圧タンクに対してさらに高い圧力で水素ガスを充填する必要があり、前記充填タンク３４ａ、３４ｂの内圧が相当に高圧に維持される必要がある。一方、発電用タンク３２では、定置型燃料電池３６に水素ガスを供給するのに必要な圧力に維持されていればよい。

従って、高圧な充填タンク３４ａ、３４ｂとは別体の発電用タンク３２を設けることにより、この発電用タンク３２の内圧が略０に至るまで、該発電用タンクに貯蔵されている水素ガスを定置型燃料電池３６に供給することが可能になる。これにより、水素ガスを経済的に使用することができるという効果が得られる。

さらに、第１の実施形態では、水素濃度検出装置２６を介して水素精製装置２０から送られる水素ガスの水素純度が検出されている。そして、検出された水素純度に基づいて、流路切り替え装置３５の作用下に、水素ガスを発電用タンク３２と充填タンク３４ａ、３４ｂとに切り替え供給している。ここで、高純度な水素ガスは、充填タンク３４ａ、３４ｂに貯蔵される一方、低純度な水素ガスは、発電用タンク３２に貯蔵されている。

このため、燃料電池車両に充填される水素ガスは、常時、高純度（高濃度）に確実に維持されており、前記燃料電池車両に低純度の水素ガスが供給されて発電システムに支障を来すことがなく、また低濃度の水素ガスを排気する必要もなく、経済的であるという利点がある。

家庭用水素ガス製造発電システム１０では、システム定常時には、発電用タンク３２から定置型燃料電池３６に水素ガスを供給している。そして、停電時等の発電用タンク３２の水素ガスが不足する時には、流路切り替え装置３５が制御されて、充填タンク３４ａ又は３４ｂから定置型燃料電池３６に水素ガスが供給されることにより、該定置型燃料電池３６による発電を継続することが可能である。

図３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水素ガス製造発電システム６０の概略構成図である。なお、第１の実施形態に係る家庭用水素ガス製造発電システム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。

第２の実施形態では、水素濃度検出装置２６を用いずに、運転パラメータから水素濃度を推定して水素ガスの供給先を発電用タンク３２と充填タンク３４ａ、３４ｂとに切り替え制御する制御装置として、制御ＥＣＵ６２を備えている。制御ＥＣＵ６２は、水素濃度検出装置としての機能を有している。

ここで、運転パラメータは、精製される水素ガスの濃度に影響を及ぼし得る種々の運転状況に関するパラメータであり、例えば、運転開始からの時間、システム内の温度、システム内の圧力又は水素精製装置２０の運転停止時間等である。例えば、システム起動直後や長時間の運転停止後に運転が行われる場合等では、精製される水素ガスの純度が安定しない場合が多いからである。

このように構成される第２の実施形態では、制御ＥＣＵ６２を介して家庭用水素ガス製造発電システム６０の運手状況に関する運転パラメータが検出される（図４中、ステップＳ１１）。そして、制御ＥＣＵ６２では、検出された運転パラメータが設定外か否かを判断し（ステップＳ１２）、設定外であると判断されると（ステップＳ１２中、ＹＥＳ）、ステップＳ１３に進んで、発電用タンク３２に水素ガスの充填を行う。この水素ガスは、所定値未満の水素濃度であると推定されている。

一方、運転パラメータが設定範囲内であると判断されると（ステップＳ１２中、ＮＯ）、水素ガスの純度が所定値以上であると推定され、ステップＳ１４に進んで、充填タンク３４ａ、３４ｂに水素ガスが充填される。これにより、充填タンク３４ａ、３４ｂには、高純度な水素ガスが確実に充填され、第２の実施形態では、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

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水素ガス製造発電システムの概略構成図である。前記運転方法を説明するフローチャートである。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水素ガス製造発電システムの概略構成図である。前記運転方法を説明するフローチャートである。特許文献１の概略説明図である。

符号の説明

１０、６０…家庭用水素ガス製造発電システム
１６…改質装置２０…水素精製装置
２４…水素ガス経路２６…水素濃度検出装置
２８…水素圧縮装置３０ａ〜３０ｃ…弁
３２…発電用タンク３４ａ、３４ｂ…充填タンク
３６…定置型燃料電池４０…コンプレッサ
４４、６２…制御ＥＣＵ

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高純度の水素ガスを精製する水素精製装置と、
前記水素ガスを貯蔵するとともに、定置型燃料電池に前記水素ガスを供給するための第１水素貯蔵装置と、
前記水素ガスを貯蔵するとともに、燃料電池車両に前記水素ガスを供給するための第２水素貯蔵装置と、
前記水素ガスの供給先を前記第１水素貯蔵部と前記第２水素貯蔵部とに切り替え制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする水素ガス製造発電システム。
請求項１記載の水素ガス製造発電システムにおいて、前記水素精製装置で精製された前記水素ガスの濃度を検出する水素濃度検出装置を備え、
前記制御装置は、前記水素濃度検出装置により検出される水素濃度が所定値未満である際に、前記第１水素貯蔵装置に前記水素ガスを供給する一方、前記水素濃度が所定値以上である際に、前記第２水素貯蔵装置に前記水素ガスを供給するよう制御することを特徴とする水素ガス製造発電システム。
請求項２記載の水素ガス製造発電システムにおいて、前記水素濃度検出装置は、運転パラメータに基づいて水素濃度を推定することを特徴とする水素ガス製造発電システム。
請求項１又は２記載の水素ガス製造発電システムにおいて、前記第１水素貯蔵装置と前記第２水素貯蔵装置とを接続し、前記第２水素貯蔵装置から前記定置型燃料電池に前記水素ガスを供給可能にする流路切り替え装置を備えることを特徴とする水素ガス製造発電システム。
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高純度の水素ガスを精製する水素精製装置と、前記水素ガスを貯蔵するとともに、定置型燃料電池に前記水素ガスを供給するための第１水素貯蔵装置と、前記水素ガスを貯蔵するとともに、燃料電池車両に前記水素ガスを供給するための第２水素貯蔵装置とを備える水素ガス製造発電システムの運転方法であって、
前記水素精製装置で精製される前記水素ガスの濃度を検出する工程と、
前記検出された水素濃度が所定値未満である際に、前記第１水素貯蔵装置に前記水素ガスを供給する工程と、
前記検出された水素濃度が所定値以上である際に、前記第２水素貯蔵装置に前記水素ガスを供給する工程と、
を有することを特徴とする水素ガス製造発電システムの運転方法。
請求項５記載の運転方法において、システム起動時には、前記水素精製装置で精製される前記水素ガスを前記第１水素貯蔵装置に供給する一方、
システム通常運転時には、前記水素精製装置で精製される前記水素ガスを前記第２水素貯蔵装置に供給する工程を有することを特徴とする水素ガス製造発電システムの運転方法。
請求項５又は６記載の運転方法において、システム定常時には、前記第１水素貯蔵装置から前記定置型燃料電池に前記水素ガスを供給する一方、
前記第１水素貯蔵装置の前記水素ガスが不足する場合には、前記第２水素貯蔵装置から前記定置型燃料電池に前記水素ガスを供給することを特徴とする水素ガス製造発電システムの運転方法。