JP4041085B2

JP4041085B2 - 燃料ガス製造システム及びその停止方法

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Publication number: JP4041085B2
Application number: JP2004105638A
Authority: JP
Inventors: 英明隅; 博町田; 暢之川崎
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP2005289704A

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停止方法に関する。

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）を生成し、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。

例えば、特許文献１に開示されている水素製造装置は、図８に示すように、都市ガス等の燃料が圧縮機１から供給される水添脱硫部２、脱硫後の燃料を水蒸気改質して高濃度な水素含有ガス（水素リッチガス）を製造する水蒸気改質部３、前記水蒸気改質部３の周囲に外装され、水素と空気中の酸素とを触媒燃焼させる触媒燃焼部４、前記水素含有ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素及び水素に転換させるガス変成部５、及びガス変成後の水素含有ガスから高純度水素を圧力吸着により分離するＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）部６を備えている。

ＰＳＡ部６には、高純度水素を固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）７に供給する前に一時的に貯蔵する水素貯蔵タンク８と、このＰＳＡ部６で吸着除去されたオフガス（排ガス）を一時的に貯蔵するオフガスホルダ９とが接続されている。オフガスホルダ９は、水蒸気改質部３を加熱するための燃料として、オフガスを触媒燃焼部４に供給している。

この場合、ＰＳＡ部６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の吸着塔を設けている。そして、各吸着塔に、それぞれ吸着−脱着−置換−昇圧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として排出するように構成されている。

特開２００２−２０１０２号公報（図１）

上記の水素製造装置では、オフガスホルダ９は、その機能を有効に発揮させるために、ＰＳＡ部６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、オフガスホルダ９を備えた水素製造装置の採用が困難であるため、前記オフガスホルダ９等の大型タンクを用いない水素製造装置が望まれている。

ところで、ＰＳＡ部６では、各塔の停止状態が不明であり、例えば、前記ＰＳＡ部６の停止後にオフガスが放出されるおそれがある一方、水蒸気改質部３内や前記水蒸気改質部３からＰＳＡ部６の経路内には、水素リッチガスが残留している。通常、水素製造装置の停止時には、経路内の残留可燃ガス、例えば、上記の水素リッチガスをパージにより触媒燃焼部４に供給して燃焼させている。

しかしながら、特に大型タンクを用いない構成では、ＰＳＡ部６の停止時に、経路内のパージと前記ＰＳＡ部６からのオフガスの放出とが同時に行われてしまい、前記触媒燃焼部４には、パージガス（水素リッチガス）とオフガスとを含む燃焼用ガスが過剰に投入されるおそれがある。このため、触媒燃焼部４の容量に対してカロリー過多となり易く、前記触媒燃焼部４が破損し易いという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、オフガスタンクを用いることがなく、簡単な構成及び制御で、燃焼装置の過剰な温度上昇を確実に阻止することが可能な燃料ガス製造システム及びその停止方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料ガス製造システムは、含水素燃料を改質して改質ガスを得るとともに、燃焼器を設ける改質装置と、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装置の排ガス出口と前記燃焼器とを連結するオフガス流路と、前記改質装置から前記ＰＳＡ装置の改質ガス入口とに連なる改質ガス供給路と前記燃焼器とを連結するパージガス流路と、前記ＰＳＡ装置の停止時に、該ＰＳＡ装置から前記燃焼器に排ガスが放出されるタイミングと、前記ＰＳＡ装置の上流側に残存するガスが前記燃焼器にパージされるタイミングとをずらす制御を行う制御装置とを備えている。

また、改質装置で得られた改質ガスをＰＳＡ装置に圧送する改質ガス圧送装置を備え、パージガス流路は、一端が前記改質装置と前記改質ガス圧送装置との間に連結され且つ他端がオフガス流路に連結される第１分岐流路と、一端が前記改質ガス圧送装置と前記ＰＳＡ装置との間に連結され且つ他端が前記オフガス流路に連結される第２分岐流路とを備えるとともに、前記第１及び第２分岐流路には、それぞれ開閉自在な第１及び第２弁が配設されることが好ましい。

さらに、本発明は、含水素燃料を改質して改質ガスを得るとともに、燃焼器を設ける改質装置と、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装置の排ガス出口と前記燃焼器とを連結するオフガス流路と、前記改質装置から前記ＰＳＡ装置の改質ガス入口とに連なる改質ガス供給路と前記燃焼器とを連結するパージガス流路とを備える燃料ガス製造システムの停止方法である。

そこで、先ず、ＰＳＡ装置の運転停止に伴って、該ＰＳＡ装置からオフガス流路を介して燃焼器に排ガスが放出される。次いで、排ガスの放出処理が所定の条件を満たした後、ＰＳＡ装置の上流側に残存するガスがパージガス流路を介して燃焼器にパージされる。

本発明では、ＰＳＡ装置の停止後に放出される排ガスとパージガスとを含む燃焼用ガスは、燃焼器に対して一時に且つ多量に投入されることがない。このため、燃焼器は、カロリー過多となることがなく、前記燃焼器の温度は、通常運転温度の上限を超えることがない。これにより、オフガスタンクを不要にするとともに、簡単な構成及び制御で、燃焼器の破損等を有効に阻止することが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る停止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、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（改質装置）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、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、燃焼器（燃焼触媒）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装置４２を経由して燃焼器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、弁３８ａ、３８ｂを介して空気コンプレッサ３０に接続可能である。

気液分離器２６の下流には、改質ガス供給路４０を介して改質ガス圧送装置４１が配設され、前記改質ガス圧送装置４１は、精製部１４を構成するＰＳＡ装置４２の改質ガス入口に接続されて前記ＰＳＡ装置４２に水分が分離された改質ガスを供給する。改質ガス供給路４０には、三方弁（第１弁）４４を介してオフガス排出用空気供給路３６の途上に接続可能なパージガス流路である第１分岐流路４６ａが接続されるとともに、前記三方弁４４の下流には、コンプレッサ４８が設けられる。

改質ガス供給路４０には、弁（第２弁）５４を介してオフガス排出用空気供給路３６の途上に接続可能なパージガス流路である第２分岐流路４６ｂが連結される。

ＰＳＡ装置４２は、改質ガス圧送装置４１を構成するコンプレッサ４８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であり、図２に示すように、吸着塔６０ａ、６０ｂ及び６０ｃを備える。各吸着塔６０ａ〜６０ｃには、塔内の圧力を検出するための圧力計６２ａ〜６２ｃが設けられる。各吸着塔６０ａ〜６０ｃの出入口の一端には、弁６６ａ〜６６ｃが配設されるとともに、前記弁６６ａ〜６６ｃを介して前記吸着塔６０ａ〜６０ｃの排ガス出口がオフガス流路６８に接続される。オフガス流路６８は、オフガス排出用空気供給路３６の途上に接続されるとともに、このオフガス流路６８には、弁７０が配設される。

各吸着塔６０ａ〜６０ｃの出入口の他端には、弁７２ａ〜７２ｃが設けられるとともに、前記吸着塔６０ａ〜６０ｃは、弁７４を介して燃料ガス経路７６に連通可能である。燃料ガス経路７６には、コンプレッサ７８が配設されるとともに、前記燃料ガス経路７６は、弁８０を介して貯蔵部１６を構成する充填タンク８２に接続される。燃料ガス経路７６の途上には、分岐燃料ガス経路８４が設けられ、この分岐燃料ガス経路８４には、弁８６を介して発電用タンク８８が接続される。

充填タンク８２は、図示しない燃料電池車両に燃料ガスを供給する一方、発電用タンク８８は、家庭内で定置型燃料電池（図示せず）を発電させるために、該定置型燃料電池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とともに、特に本実施形態では、ＰＳＡ装置４２の停止時に、該ＰＳＡ装置４２から燃焼器２０にオフガス（排ガス）が放出されるタイミングと、前記ＰＳＡ装置４２の上流側に残存する残留ガス（パージガス）が前記燃焼器２０にパージされるタイミングとをずらす制御を行う制御装置として、例えば、制御ＥＣＵ（Electronic Control Unit）９０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ＥＣＵ９０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＋２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ（発熱反応）と、燃料改質反応であるＣＨ₄＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４Ｈ_２（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、コンプレッサ４８で圧縮されてＰＳＡ装置４２を構成する吸着塔６０ａ〜６０ｃに選択的に供給される（図２参照）。

その際、図３に示すように、ＰＳＡ装置４２では、例えば、吸着塔６０ａで吸着工程、吸着塔６０ｂでパージ工程及び吸着塔６０ｃで減圧（洗浄）工程が同時に行われる。このため、吸着塔６０ａ内では、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７６に供給される。燃料ガスは、図１に示すように、充填タンク８２と発電用タンク８８とに選択的に貯蔵される。

さらに、図３に示すように、吸着塔６０ａで吸着工程、吸着塔６０ｂで均圧工程及び吸着塔６０ｃで均圧工程を経た後、前記吸着塔６０ａで吸着工程、前記吸着塔６０ｂで昇圧工程及び吸着塔６０ｃで脱着工程が実施される。従って、吸着塔６０ｃでの脱着工程によるオフガスは、弁６６ｃの開放作用下にオフガス流路６８に排出される（パージ工程）。

オフガス流路６８は、図１に示すように、オフガス排出用空気供給路３６に接続されており、このオフガス排出用空気供給路３６に沿って流動するオフガス排出用空気を介し、該オフガス流路６８に排出されたオフガスが燃焼器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、吸着塔６０ａ〜６０ｃでは、吸着工程、減圧工程、均圧工程、脱着工程及びパージ工程が、順次、行われることにより、ＰＳＡ装置４２で燃料ガスが連続的に精製される。この燃料ガスは、燃料ガス経路７６から貯蔵部１６に供給され、充填タンク８２及び発電用タンク８８に選択的に充填される。

次いで、家庭用燃料ガス製造システム１０を停止する方法について、以下に説明する。

ＰＳＡ装置４２において、各吸着塔６０ａ〜６０ｃが、例えば、図４に示す状態で停止した場合、前記吸着塔６０ｂは、脱着工程の途上にあってオフガスの放出が継続して行われている。このため、ＰＳＡ装置４２の停止と同時に、改質ガス供給路４０に残存する残留ガス（改質ガス）を燃焼器２０にパージすると、この残留ガスと前記ＰＳＡ装置４２から放出されるオフガスとは、前記燃焼器２０に一時に導入される。従って、燃焼器２０の温度は、定常運転時の最高温度をはるかに超えた異常高温となり、該燃焼器２０の熱負荷が相当に高くなってしまう（図４中、異常高温参照）。

そこで、本実施形態では、ＰＳＡ装置４２の停止時に、図５に示すように、三方弁４４を前記ＰＳＡ装置４２側に操作し、弁５４を閉塞する一方、弁７０を開放することにより、先ず、前記ＰＳＡ装置４２からのオフガスのみを燃焼器２０に放出させる。次に、オフガスの放出処理が所定の条件を満たした後、ＰＳＡ装置４２の上流側、すなわち、改質ガス供給路４０に残存する残留ガスを燃焼器２０にパージさせる。

ここで、所定の条件とは、ＰＳＡ装置４２が停止した後に、数秒間〜数十分間が経過したという計時条件や、燃焼器２０に導入されるオフガス流量が所定の流量に至ったという流量条件、前記燃焼器２０がオフガスの燃焼によって所定の温度に至ったという温度条件、あるいはオフガス排出用空気供給路３６の下流側を流れるオフガスの可燃物濃度が所定の濃度に至ったという濃度条件をいう。

そして、上記所定の条件が満たされた後、三方弁４４を切り換えて改質ガス供給路４０を第１分岐流路４６ａに連通させる。このため、改質用空気供給路３２から改質ガス供給路４０及び第１分岐流路４６ａを含む供給経路内に残存する残留ガスは、弁３８ａの開放作用下に、前記改質用空気供給路３２、前記改質ガス供給路４０及び前記第１分岐流路４６ａを通って燃焼器２０にパージされる（図６参照）。

さらに、三方弁４４の切換作用下に、改質ガス供給路４０と第２分岐流路４６ｂとを連通させるとともに、弁５４を開放する。従って、改質ガス供給路４０から第２分岐流路４６ｂに残存する残留ガスは、弁３８ａの開放作用下に、改質用空気供給路３２、前記改質ガス供給路４０及び前記第２分岐流路４６ｂを通って燃焼器２０に送られ、該残留ガスが燃焼する（図６参照）。

このように、本実施形態では、ＰＳＡ装置４２の停止後に、このＰＳＡ装置４２から放出されるオフガス（排ガス）の少なくとも一部が燃焼器２０に供給されて燃焼された後、改質ガス供給路４０に残存する残留ガス（改質ガス）が前記燃焼器２０にパージされて燃焼されている。

このため、ＰＳＡ装置４２からのオフガスと改質ガス供給路４０からのパージガスとは、一時に燃焼器２０に投入されることがなく、この燃焼器２０がカロリー過多となることを阻止することができる。これにより、図７に示すように、燃焼器２０の温度は、通常運転温度の上限を超えることがなく、前記燃焼器２０の破損等を有効に阻止することが可能になるという効果が得られる。

なお、本実施形態では、改質ガス供給路４０に残存する残存ガスのパージを行う際に、先ず、三方弁４４を操作して第１分岐流路４６ａからのパージを行った後、弁５４を開放して第２分岐流路４６ｂからのパージを行っているが、これに限定されるものではない。例えば、先ず、第２分岐流路４６ｂから残留ガスのパージを行った後、三方弁４４の切換作用下に第１分岐流路４６ａからパージを行ってもよく、あるいは、三方弁４４をＰＳＡ装置４２側に接続し、弁５４を開放して改質ガス供給路４０内の残留ガスを一気にパージしてもよい。

本発明の実施形態に係る停止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装置の要部説明図である。前記ＰＳＡ装置の動作を説明するタイムチャートである。前記ＰＳＡ装置の停止状態と燃焼器温度との説明図である。前記ＰＳＡ装置からオフガスを放出する際の説明図である。改質ガス供給路から残留ガスをパージする際の説明図である。前記停止方法を実施した際の前記ＰＳＡ装置の停止状態と前記燃焼器温度との説明図である。特許文献１の概略系統図である。

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２８…空気供給機構
３０…空気コンプレッサ３６…オフガス排出用空気供給路
３８ａ、３８ｂ、５２、５４、６６ａ〜６６ｃ、７０、７２ａ〜７２ｃ、７４、８０、８６…弁
４０…改質ガス供給路４１…改質ガス圧送装置
４２…ＰＳＡ装置４４…三方弁
４６ａ、４６ｂ…分岐流路５０…改質ガス分岐経路
６０ａ〜６０ｃ…吸着塔６２ａ〜６２ｃ…圧力計
６８…オフガス流路７６…燃料ガス経路
８２…充填タンク８８…発電用タンク
９０…制御ＥＣＵ

Claims

含水素燃料を改質して改質ガスを得るとともに、燃焼器を設ける改質装置と、
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装置の排ガス出口と前記燃焼器とを連結するオフガス流路と、
前記改質装置から前記ＰＳＡ装置の改質ガス入口に連なる改質ガス供給路と前記燃焼器とを連結するパージガス流路と、
前記ＰＳＡ装置の停止時に、該ＰＳＡ装置から前記燃焼器に排ガスが放出されるタイミングと、前記ＰＳＡ装置の上流側に残存するガスが前記燃焼器にパージされるタイミングとをずらす制御を行う制御装置と、
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、前記改質装置で得られた前記改質ガスを前記ＰＳＡ装置に圧送する改質ガス圧送装置を備え、
前記パージガス流路は、一端が前記改質装置と前記改質ガス圧送装置との間に連結され且つ他端が前記オフガス流路に連結される第１分岐流路と、
一端が前記改質ガス圧送装置と前記ＰＳＡ装置との間に連結され且つ他端が前記オフガス流路に連結される第２分岐流路と、
を備えるとともに、
前記第１及び第２分岐流路には、それぞれ開閉自在な第１及び第２弁が配設され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とともに、燃焼器を設ける改質装置と、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装置の排ガス出口と前記燃焼器とを連結するオフガス流路と、前記改質装置から前記ＰＳＡ装置の改質ガス入口に連なる改質ガス供給路と前記燃焼器とを連結するパージガス流路とを備える燃料ガス製造システムの停止方法であって、
前記ＰＳＡ装置の運転停止に伴って、該ＰＳＡ装置から前記オフガス流路を介して前記燃焼器に排ガスを放出する工程と、
前記排ガスの放出処理が所定の条件を満たした後、前記ＰＳＡ装置の上流側に残存するガスを前記パージガス流路を介して前記燃焼器にパージする工程と、
を有することを特徴とする燃料ガス製造システムの停止方法。