JP4139338B2 - 燃料ガス製造装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、炭化水素又はアルコール等を含む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装置に関する。
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（燃料ガス製造装置）が採用されている。
この種の水素製造装置では、基本的に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、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）をオフガスとして放出するように構成している。
例えば、特許文献１に開示されている水素製造装置は、図７に示すように、基本的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（不要物）を一時的に貯蔵するオフガスホルダ（オフガスタンク）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）
しかしながら、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、ＰＳＡ機構を有効に小型化し、装置全体のコンパクト化を図ることが可能な燃料ガス製造装置を提供することを目的とする。
本発明は、含水素燃料、空気中の酸素及び水蒸気によって酸化反応と改質反応とが同時に行われるオートサーマル方式により改質ガスを生成する改質部と、ＰＳＡ機構により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精製部と、前記ＰＳＡ機構の各塔内の残留ガスを加熱部に供給する残留ガス供給部と、圧縮空気供給源と前記改質部とを接続する改質用空気流路とを備える燃料ガス製造装置である。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。
残留ガス供給部は、圧縮空気供給源と加熱部とに接続される残留ガス流路と、前記残留ガス流路に配設されて前記圧縮空気供給源に接続され、前記圧縮空気供給源の作用下に該残留ガス流路を流れる圧縮空気を介して、ＰＳＡ機構の各塔内から残留ガスを吸引するための残留ガスエゼクタとを備えている。
また、圧縮空気供給源は圧縮機を備え、前記圧縮機は、改質部に連通する改質用空気供給路と残留ガス流路とに接続されるとともに、前記改質用空気供給路には、前記圧縮機の作用下に該改質用空気供給路を流れる改質用空気を介して、含水素燃料を吸引するための含水素燃料エゼクタが配設されることが好ましい。
さらに、含水素燃料エゼクタと含水素燃料供給源との間には、大気圧調整バルブが配設されることが好ましい。
本発明では、ＰＳＡ機構から残留ガスが放出される際には、この残留ガスは加熱部に供給されて燃焼用燃料として使用される一方、前記ＰＳＡ機構の残留ガス供給圧が０となる際には、残留ガスエゼクタの吸引作用下に、該ＰＳＡ機構から前記残留ガスが強制的に放出される。
従って、残留ガスエゼクタの吸引作用下に、ＰＳＡ機構内が負圧になるため、前記ＰＳＡ機構を構成する各塔内の吸着剤に対する負圧再生処理が確実に遂行される。これにより、ＰＳＡ機構の精製能力が良好に向上し、該ＰＳＡ機構自体の小型化が容易に遂行される。従って、燃料ガス製造装置全体のコンパクト化が有効に図られ、特に家庭用水素製造装置として良好に採用される。
図１は、本発明の実施形態に家庭用燃料ガス精製システム（燃料ガス製造装置）１０の概略構成図である。
家庭用燃料ガス精製システム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）を生成する改質部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精製する反応器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（圧縮空気供給源）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、燃焼用空気供給路３４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、燃焼用空気供給路３４は、燃焼器２０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、燃焼用空気供給路３４及びオフガス排出用空気供給路３６は、弁３８ａ、３８ｂ及び３８ｃ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。この改質用燃料エゼクタ４０には、オリフィス４１を介して大気圧調整バルブ４２が接続され、この大気圧調整バルブ４２が改質用燃料供給源（図示せず）に接続される。反応器２２には、触媒温度を検知するための温度センサ４４が接続される。
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。
図２に示すように、ＰＳＡ機構４８は、コンプレッサ５０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（下端）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がオフガス排出路６８に接続される。
オフガス排出路６８には、弁７０が配設されるとともに、このオフガス排出路６８は、オフガス（残留ガス）供給部７２を構成するオフガス（残留ガス）エゼクタ７４に接続される。オフガスエゼクタ７４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７４の他端には、オフガス流路７６が接続される。オフガスエゼクタ７４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７６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。
各吸着塔６０ａ〜６０ｃの出入口の他端（上端）には、均圧用弁７８ａ〜７８ｃと、燃料ガス排出用弁８０ａ〜８０ｃとが設けられるとともに、前記吸着塔６０ａ〜６０ｃは、前記弁８０ａ〜８０ｃを介して燃料ガス経路８２に連通可能である。図１に示すように、燃料ガス経路８２の端部は、弁８４及びコンプレッサ８５を介して貯蔵部１６を構成する充填タンク８６に接続されるとともに、前記燃料ガス経路８２の途上に、分岐燃料ガス経路８８が設けられ、この分岐燃料ガス経路８８には、弁９０を介してバッファタンク９２が接続される。
充填タンク８６は、図示しない燃料電池車両に燃料ガスを供給する一方、バッファタンク９２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。
家庭用燃料ガス精製システム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）９４を備える。
このように構成される家庭用燃料ガス精製システム１０の動作について、以下に説明する。
家庭用燃料ガス精製システム１０では、制御ＥＣＵ９４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、燃焼用空気供給路３４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機構４８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、この燃料ガスが弁８０ａの開放作用下に燃料ガス経路８２に供給される（図２参照）。燃料ガスは、図１に示すように、充填タンク８６とバッファタンク９２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でブローダウン工程が実施される。従って、吸着塔６０ｃでのブローダウン工程によるオフガス（残留ガス）は、弁６６ｃの開放作用下にオフガス排出路６８に放出される（図２参照）。
オフガス排出路６８は、図１に示すように、オフガスエゼクタ７４を介してオフガス流路７６に接続されている。このため、オフガス排出路６８に放出されたオフガスは、オフガスエゼクタ７４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、吸着塔６０ａ〜６０ｃでは、吸着工程、減圧工程、均圧工程、脱着工程であるブローダウン工程及びパージ工程が、順次、行われることにより、ＰＳＡ機構４８で燃料ガスが連続的に精製される。この燃料ガスは、弁８０ａ〜８０ｃを選択的に開閉操作することによって、燃料ガス経路８２から貯蔵部１６に供給される。
ところで、ＰＳＡ機構４８では、オフガスエゼクタ７４が使用されない場合、例えば、吸着塔６０ａ内の圧力は、図４に示すように変動する。その際、オフガスの脱着工程であるブローダウン工程では、吸着塔６０ａからオフガスが放出されており、このオフガスの放出後のパージ工程では、前記吸着塔６０ａからのオフガス供給圧力が０ＫＰａとなっているため、該吸着塔６０ａ内の圧力が最小圧力Ｐｍｉｎとなる。
そこで、ＰＳＡ機構４８による水素リッチガスの吸着性能を向上させるためには、最大圧力Ｐｍａｘを上げて水素リッチガスの吸着量を増加させる方式と、最小圧力Ｐｍｉｎを負圧にして吸着剤の再生を図る方式とがある。
本実施形態では、オフガスの吸着を解除した後、すなわち、パージ工程で吸着塔６０ａ内を負圧にすることによって、吸着剤の再生を図る方式が採用されている。具体的には、図１及び図２に示すように、オフガス排出用空気供給路３６とオフガス流路７６とにオフガスエゼクタ７４が接続されるとともに、このオフガスエゼクタ７４には、ＰＳＡ機構４８のオフガス排出路６８が接続されている。
このため、空気コンプレッサ３０の作用下に、オフガス排出用空気供給路３６に供給される圧縮空気であるオフガス排出用空気が、オフガスエゼクタ７４を通ってオフガス流路７６に流動する際、オフガス排出路６８が吸引される。
ここで、図２に示すように、弁７８ａ〜７８ｃ及び弁８０ａ〜８０ｃが閉塞される一方、弁７０が開放されている。従って、例えば、ブローダウン工程によって吸着塔６０ａから放出されるオフガスは、オフガスエゼクタ７４の吸引作用下に、オフガス排出路６８からオフガス流路７６に放出されて燃焼器２０に供給される。
次いで、吸着塔６０ａ内のオフガス量が減少すると、この吸着塔６０ａ内の圧力が負圧になる（図５参照）。これにより、吸着塔６０ａ内では、オフガスがほとんど残留することがなく、パージ工程で負圧領域Ａが得られ（図３参照）、吸着剤に対する負圧再生処理が遂行される。そして、オフガス量が０になるまで吸引することにより、吸着塔６０ａ内の負圧再生処理が確実に遂行される。
なお、吸着塔６０ｂ、６０ｃにおいても同様に、パージ工程で負圧領域Ａが得られ（図３参照）、吸着剤の負圧再生処理が行われる。このため、ＰＳＡ機構４８の精製能力が良好に向上し、同一量の燃料ガス精製機能を有する従来のＰＳＡ機構に対して、該ＰＳＡ機構４８自体の小型化が容易に遂行される。しかも、オフガス排出路６８にオフガスエゼクタ７４を接続するだけでよく、例えば、負圧ポンプを用いる場合に比べて、構造が一挙に簡素化する。従って、家庭用燃料ガス精製システム１０全体のコンパクト化が有効に図られるという効果がある。
さらに、ＰＳＡ機構４８の残留ガス供給圧力が０ＫＰａとなる際に、オフガスエゼクタ７４の吸引作用下に、前記ＰＳＡ機構４８に残存するオフガスが強制的に放出される。
一方、本実施形態では、図１に示すように、空気コンプレッサ３０には、オフガスエゼクタ７４と共に改質用燃料エゼクタ４０が接続されている。この改質用燃料エゼクタ４０には、大気圧調整バルブ４２を介して図示しない改質用燃料供給源が接続されており、改質用燃料の供給圧は、０ＫＰａに調圧されている。
空気コンプレッサ３０を介して改質用燃料エゼクタ４０に改質用空気（圧縮空気）が供給される際、この改質用空気流量と前記改質用燃料エゼクタ４０により吸引される改質用燃料の流量とは、図６に示す特性を有している。
なお、改質用燃料の供給圧力は、０ＫＰａであるため、改質用燃料流量は、改質用燃料エゼクタ４０の吸引量と等しい。また、本実施形態の燃料改質反応は、オートサーマル方式であり、改質触媒温度を一定に保つ必要がある。このため、温度センサ４４により触媒温度を検知し、弁３８ａを制御することによって改質用燃料エゼクタ４０の上流圧を調整し、改質用空気流量を制御している。
従って、図６に示すように、上流圧の変化に伴って改質用空気流量が増減するものの、改質用燃料の流量は、前記上流圧の所定圧力範囲内で変動がほとんどない。このため、一定量の改質用燃料を安定して供給することができ、例えば、昇圧ポンプが不要になって構成の簡素化且つ小型化が図られるとともに、弁３８ａを制御するだけで、触媒温度を制御することができるという利点がある。
しかも、１台の空気コンプレッサ３０に改質用燃料エゼクタ４０とオフガスエゼクタ７４とが接続されている。これにより、家庭用燃料ガス精製システム１０全体の構成が一層簡素化されるという効果が得られる。
本発明の実施形態に係る家庭用燃料ガス精製システムの概略構成図である。 前記家庭用燃料ガス精製システムを構成するＰＳＡ機構の要部構成説明図である。 前記ＰＳＡ機構の動作を説明するタイムチャートである。 前記ＰＳＡ機構を構成する１つの吸着塔の動作を説明するタイムチャートである。 オフガスエゼクタの吸引特性の説明図である。 改質用燃料エゼクタの特性説明図である。 特許文献１の概略系統図である。
符号の説明
１０…家庭用燃料ガス精製システム 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
４０…改質用燃料エゼクタ ４２…大気圧調整バルブ
４４…温度センサ ４６…改質ガス供給路
４８…ＰＳＡ機構 ６０ａ〜６０ｃ…吸着塔
６２ａ〜６２ｃ…圧力計
６６ａ〜６６ｃ、７０、７８ａ〜７８ｃ、８０ａ〜８０ｃ…弁
６８…オフガス排出路 ７２…オフガス供給部
７４…オフガスエゼクタ ７６…オフガス流路
８２…燃料ガス経路 ８６…充填タンク
９２…バッファタンク ９４…制御ＥＣＵ

Claims (3)

  1. 含水素燃料、空気中の酸素及び水蒸気によって酸化反応と改質反応とが同時に行われるオートサーマル方式により改質ガスを生成する改質部と、ＰＳＡ機構により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精製部と、前記ＰＳＡ機構の各塔内の残留ガスを加熱部に供給する残留ガス供給部と、圧縮空気供給源と前記改質部とを接続する改質用空気流路とを備える燃料ガス製造装置であって、
    前記残留ガス供給部は、前記圧縮空気供給源と前記加熱部とに接続される残留ガス流路と、
    前記残留ガス流路に配設されて前記圧縮空気供給源に接続され、前記圧縮空気供給源の作用下に該残留ガス流路を流れる圧縮空気を介して、前記ＰＳＡ機構の各塔内から前記残留ガスを吸引するための残留ガスエゼクタと、
    を備えることを特徴とする燃料ガス製造装置。
  2. 請求項１記載の燃料ガス製造装置において、前記圧縮空気供給源は圧縮機を備え、
    前記圧縮機は、前記改質部に連通する改質用空気供給路と前記残留ガス流路とに接続されるとともに、
    前記改質用空気供給路には、前記圧縮機の作用下に該改質用空気供給路を流れる改質用空気を介して、前記含水素燃料を吸引するための含水素燃料エゼクタが配設されることを特徴とする燃料ガス製造装置。
  3. 請求項２記載の燃料ガス製造装置において、前記含水素燃料エゼクタと含水素燃料供給源との間には、大気圧調整バルブが配設されることを特徴とする燃料ガス製造装置。
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