JP4180534B2 - 燃料ガス製造装置及びその運転方法 - 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（不要物）をオフ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（加熱部）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７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。
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、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、加熱部に供給されるオフガス量を良好に制御することが可能な燃料ガス製造装置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、前記燃料ガスを貯蔵する貯蔵部と、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手段とを備える燃料ガス製造装置及びその運転方法である。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。
残留ガス供給手段は、ＰＳＡ機構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両端が連結されて該残留ガス流路から分岐する分岐流路とを備えている。残留ガス流路には、分岐流路の両端連結部間に位置して開度調整バルブのみが配設されるとともに、前記分岐流路には、逆止弁、前記残留ガスを収容するチャンバ及び開閉バルブが残留ガス流れ方向に沿って配設される。
そこで、ＰＳＡ機構から残留ガスが放出される際、すなわち、洗浄工程あるいは脱着工程の開始時には、開閉バルブを閉塞することによって、前記残留ガスの一部がチャンバにより捕捉されるため、加熱部に投入されるオフガスカロリーが必要以上に高くなることがない。一方、ＰＳＡ機構から残留ガスが放出されない際には、開閉バルブを開放することによって、チャンバから加熱部に残留ガスが供給される。このため、加熱部のオフガスカロリーの低下を阻止し、前記加熱部の温度低下を回避することができる。
また、少なくとも残留ガス供給手段を制御する制御手段を備え、前記制御手段は、開閉バルブを２回以上開閉させることにより、チャンバの残留ガスを段階的に放出させることが好ましい。
本発明では、ＰＳＡ機構から放出される残留ガスの一部がチャンバ内に収容されるとともに、前記ＰＳＡ機構から前記残留ガスが放出されない際には、前記チャンバ内の残留ガスを前記加熱部に供給することにより、前記加熱部は、常時、所定の熱量を確保することができる。従って、簡単な構成で、オフガスタンクを不要にして燃料ガス製造装置全体の小型化が容易に図られるとともに、加熱部における温度負担を軽減することが可能になる。
図１は、本発明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、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生成する反応器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４２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、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。
気液分離器２６の下流には、改質ガス供給路４０を介して精製部１４を構成するＰＳＡ機構４２が接続され、前記ＰＳＡ機構４２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４０には、ＰＳＡ機構４２に改質ガスを供給するコンプレッサ４８が接続される。
図２に示すように、ＰＳＡ機構４２は、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、このオフガス排出路６８には、弁７０が配設される。
各吸着塔６０ａ〜６０ｃの出入口の他端（上端）には、均圧用弁７２ａ〜７２ｃと、燃料ガス排出用弁７４ａ〜７４ｃとが設けられるとともに、前記吸着塔６０ａ〜６０ｃは、前記弁７４ａ〜７４ｃを介して燃料ガス経路７６に連通可能である。図１に示すように、燃料ガス経路７６の端部は、弁８０を介して貯蔵部１６を構成する充填タンク８２に接続されるとともに、前記燃料ガス経路７６の途上に、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を介してバッファタンク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、バッファタンク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。
ＰＳＡ機構４２と燃焼器２０との間には、前記ＰＳＡ機構４２の各吸着塔６０ａ〜６０ｃ内のオフガス（残留ガス）を前記燃焼器２０に供給する残留ガス供給手段９０が設けられる。残留ガス供給手段９０は、ＰＳＡ機構４２と燃焼器２０とに接続される残留ガス流路９２（オフガス排出用空気供給路３６の一部）と、前記残留ガス流路９２に両端が連結されて該残留ガス流路９２から分岐する分岐流路９４とを備える。
残留ガス流路９２には、分岐流路９４の両端連結部間に位置して開度が整可能な開度調整バルブ（第１バルブ）９６が配設される。分岐流路９４には、逆止弁９８、オフガスを収容するチャンバ１００及び開閉バルブ（第２バルブ）１０２が残留ガス流れ方向に沿って配設される。
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、少なくとも残留ガス供給手段９０を制御する制御手段として、例えば、制御ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１０４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ＥＣＵ１０４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、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）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＋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４０に送られ、コンプレッサ４８で圧縮されてＰＳＡ機構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機構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７４ａの開放作用下に燃料ガス経路７６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８２とバッファタンク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。
オフガス排出路６８は、図１に示すように、オフガス排出用空気供給路３６の一部、すなわち、残留ガス流路９２に接続されており、該オフガス排出路６８に放出されたオフガスは、この残留ガス流路９２に沿って流動するオフガス排出用空気を介して、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、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４２で燃料ガスが連続的に精製される。この燃料ガスは、弁７４ａ〜７４ｃを選択的に開閉操作することによって、燃料ガス経路７６から貯蔵部１６に供給される。
ところで、ＰＳＡ機構４２では、図３に示すように、各吸着塔６０ａ〜６０ｃがそれぞれ所定の工程を、順次、行う際、洗浄工程Ａと脱着工程Ｂとでそれぞれ時間差をもってオフガスの放出が行われている。洗浄工程Ａは、実質的に減圧工程である一方、脱着工程Ｂは、実質的にブローダウン工程である。
その際、洗浄工程Ａ及び脱着工程Ｂでは、いずれもオフガスの放出によって塔内圧力が低下するため、放出初期におけるオフガス流量が最大となり、徐々に該オフガス流量が減少する。従って、減圧工程及びブローダウン工程の最後では、オフガスの放出がほとんど行われず、均圧工程では、該オフガスの放出は全く行われない。
そこで、図１に示すチャンバ１００を用いずに、開度調整バルブ９６のみを制御して各吸着塔６０ａ〜６０ｃ内の圧力を調整すると、各吸着塔６０ａ〜６０ｃの圧力及び燃焼器２０の温度は、図４に示すように変化した。具体的には、吸着塔６０ｃの脱着（ブローダウン）開始ポイントＴ１において、開度調整バルブ９６の開度を低く、例えば、１５％に設定し、この開度調整バルブ９６の開度を少しずつ大きくしていく。そして、燃焼器２０の燃焼温度がピークを過ぎたポイントＴ２において、開度調整バルブ９６の開度増加速度を大きくし、最大開度（１００％）に維持している。
しかしながら、開度調整バルブ９６の開度調整のみでは、燃焼器２０の最高温度が異常温度Ｓ℃を超えてしまう。しかも、脱着開始ポイントＴ１では、開度調整バルブ９６の開度を低く設定しても、燃焼器２０に投入されるオフガスカロリーが低減されず、この燃焼器２０への熱負荷が増加している。
この場合、本実施形態では、残留ガス流路９２から分岐して分岐流路９４を設けるとともに、この分岐流路９４には、チャンバ１００及び開閉バルブ１０２が配設されている。そして、本実施形態では、図５に示すように、開度調整バルブ９６と開閉バルブ１０２との制御が行われる。
具体的には、吸着塔６０ｃの脱着開始ポイントＴ１では、開度調整バルブ９６の開度を低く設定するとともに、開閉バルブ１０２が閉塞される。このため、吸着塔６０ｃから放出されるオフガスは、部分的に分岐流路９４からチャンバ１００に導入されるため、燃焼器２０に投入される最大カロリーが低減される。従って、燃焼器２０への熱負荷が有効に軽減される。
次いで、開度調整バルブ９６の開度を徐々に大きくし、燃焼器２０の燃焼温度がピークを過ぎたポイントＴ２において、前記開度調整バルブ９６の開度増加速度を大きくする。さらに、燃焼器２０の燃焼温度がピークを過ぎたポイントＴ３において、開閉バルブ１０２を開放することにより、脱着開始ポイントＴ１においてチャンバ１００に収容していた脱着初期のオフガスが、前記燃焼器２０に投入される。
これにより、ＰＳＡ機構４２からのオフガスの放出が停止される期間に、チャンバ１００に収容されているオフガスが燃焼器２０に供給され、前記燃焼器２０の温度低下を有効に阻止することが可能になる。なお、開閉バルブ１０２を閉塞するタイミングは、チャンバ１００の体積が最も有効に使える時点、例えば、吸着塔６０ｃ内の圧力が最も下がったポイントＴ４がよい。
このため、本実施形態では、ＰＳＡ機構４２からオフガスが放出される際、すなわち、洗浄工程あるいは脱着工程の開始時には、開閉バルブ１０２を閉塞してチャンバ１００に前記オフガスの一部を収容することができる。従って、燃焼器２０に投入されるオフガスカロリーが必要以上に高くなることはない。
一方、ＰＳＡ機構４２からオフガスが放出されない際、すなわち、各吸着塔６０ａ〜６０ｃの均圧工程では、開閉バルブ１０２が開放されて、チャンバ１００に収容されていたオフガスが燃焼器２０に供給される。これにより、燃焼器２０に投入されるオフガスカロリーの低下を阻止し、前記燃焼器２０が必要以上に低温になることを防止することが可能になる。
従って、本実施形態では、従来のように大容量のオフガスタンクを設置する必要がなく、簡単な構成で、家庭用燃料ガス製造システム１０全体の小型化が容易に図られる。しかも、燃焼器２０の最高温度の低減と、大きな温度変化による加熱、冷却の繰り返しの軽減とを図ることができ、改質部１２への安定した熱供給が可能になる。
なお、図５に示す制御では、チャンバ１００に収容されているオフガスの放出が、開閉バルブ１０２の１回の開閉操作により行われているが、これに限定されるものではない。例えば、図６に示すように、開閉バルブ１０２を複数回、例えば、２回開閉させることによって、前記チャンバ１００のオフガスを２段階に放出することができる。
この場合、開閉バルブ１０２は、ポイントＴ３において第１回目のオフガス放出を行った後、燃焼器２０の燃焼温度が下がるポイントＴ４において２回目のオフガスの放出を行うことにより、このポイントＴ４における燃焼温度の降下を抑えることができる。
さらに、チャンバ１００からの１回目と２回目のオフガスの放出量比率を調整することが可能になる。このため、例えば、脱着後と洗浄後の燃焼器２０の最低温度を等しくしたり、前記燃焼器２０の最高温度を低く設定したりすることができる。
従って、ＰＳＡ機構４２の性能を損なうことなく、改質部１２に安定した熱供給を行い、且つ、運転中の燃焼器２０の温度の増減幅を小さくすることで該燃焼器２０の熱負荷を低減し得る等の効果が得られる。
なお、本実施形態では、ＰＳＡ機構４２が吸着塔６０ａ〜６０ｃを備える３塔式装置を構成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、４塔式等の種々の装置にも適用することが可能である。
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、６６ａ〜６６ｃ、７０、７２ａ〜７２ｃ、７４ａ〜７４ｃ、８０、８６…弁
４０…改質ガス供給路 ４２…ＰＳＡ機構
６０ａ〜６０ｃ…吸着塔 ６２ａ〜６２ｃ…圧力計
６８…オフガス排出路 ７６…燃料ガス経路
８２…充填タンク ８８…バッファタンク
９０…残留ガス供給手段 ９２…残留ガス流路
９４…分岐流路 ９６…開度調整バルブ
９８…逆止弁 １００…チャンバ
１０２…開閉バルブ １０４…制御ＥＣＵ
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、６６ａ〜６６ｃ、７０、７２ａ〜７２ｃ、７４ａ〜７４ｃ、８０、８６…弁
４０…改質ガス供給路 ４２…ＰＳＡ機構
６０ａ〜６０ｃ…吸着塔 ６２ａ〜６２ｃ…圧力計
６８…オフガス排出路 ７６…燃料ガス経路
８２…充填タンク ８８…バッファタンク
９０…残留ガス供給手段 ９２…残留ガス流路
９４…分岐流路 ９６…開度調整バルブ
９８…逆止弁 １００…チャンバ
１０２…開閉バルブ １０４…制御ＥＣＵ
Claims (4)
- 含水素燃料を改質して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、前記燃料ガスを貯蔵する貯蔵部と、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手段とを備える燃料ガス製造装置であって、
前記残留ガス供給手段は、前記ＰＳＡ機構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両端が連結されて該残留ガス流路から分岐する分岐流路と、
を備え、
前記残留ガス流路には、前記分岐流路の両端連結部間に位置して開度調整バルブのみが配設されるとともに、
前記分岐流路には、逆止弁、前記残留ガスを収容するチャンバ及び開閉バルブが残留ガス流れ方向に沿って配設されることを特徴とする燃料ガス製造装置。 - 請求項１記載の燃料ガス製造装置において、少なくとも前記残留ガス供給手段を制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記開閉バルブを２回以上開閉させることにより、前記チャンバの前記残留ガスを段階的に放出させることを特徴とする燃料ガス製造装置。 - 含水素燃料を改質して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、前記燃料ガスを貯蔵する貯蔵部と、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手段とを備え、前記残留ガス供給手段は、前記ＰＳＡ機構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両端が連結されて該残留ガス流路から分岐する分岐流路とを備え、前記残留ガス流路には、前記分岐流路の両端連結部間に位置して開度調整バルブのみが配設されるとともに、前記分岐流路には、逆止弁、前記残留ガスを収容するチャンバ及び開閉バルブが残留ガス流れ方向に沿って配設される燃料ガス製造装置の運転方法であって、
前記ＰＳＡ機構から残留ガスが放出される際、前記開閉バルブを閉塞して前記残留ガスの一部分を前記チャンバに収容する一方、前記開度調整バルブを開放して該残留ガスの残余の部分を前記加熱部に供給する工程と、
前記ＰＳＡ機構から前記残留ガスが放出されない際、前記開閉バルブを開放して前記チャンバに収容されている前記残留ガスを前記加熱部に供給する工程と、
を有することを特徴とする燃料ガス製造装置の運転方法。 - 請求項３記載の運転方法において、前記開閉バルブを２回以上開閉させることにより、前記チャンバの前記残留ガスを段階的に放出させることを特徴とする燃料ガス製造装置の運転方法。
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