JP4357979B2 - 燃料ガス製造装置の始動方法 - Google Patents

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精製する燃料ガス製造装置の始動方法に関する。

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）を精製し、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。

例えば、特許文献１に開示されている水素製造装置は、図１１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、運転中に何らかの原因により異常停止した場合、ＰＳＡ部６では、各塔の停止状態が不明であり、例えば、塔内に異常な残圧が存在するおそれがある一方、オフガス経路内にも、異常圧のオフガスが残留し易い。さらに、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。

このため、異常停止後に通常始動を開始すると、塔内から最初に排出されるオフガス及びオフガス経路内のオフガスが、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が破損するという問題がある。さらに、純度の低い水素ガスが、水素貯蔵タンク８に貯蔵されるおそれがある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、運転中に異常停止が行われても、オフガスによる影響を可及的に阻止して良好な始動が確実に遂行されるとともに、水素リッチな燃料ガスを効率的に精製することが可能な燃料ガス製造装置の始動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精製した後、前記改質ガスをＰＳＡ機構に供給することにより、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燃料ガス製造装置の始動方法である。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。

先ず、燃料ガス製造装置の始動前に、ＰＳＡ機構の各塔内の圧力を検出し、検出された圧力が規定圧よりも高い塔があるか否かが判断される。そして、規定圧よりも高い塔があると判断された際、該規定圧よりも高い塔内の過剰圧分の残留ガスが加熱部に供給されて燃焼する。さらに、この過剰圧分の残留ガスが排出された後、燃料ガス製造装置の始動が開始される。

また、燃料ガス製造装置の始動を開始する前に、改質ガスをＰＳＡ機構に供給する供給経路内の残留ガスが、加熱部に供給されて燃焼し、供給経路外に排出されることが好ましい。

本発明では、燃料ガス製造装置の始動前に、ＰＳＡ機構の停止状態によって内部圧力が規定圧よりも高い塔（異常な塔）がある場合に、該異常な塔内の過剰圧分の残留ガスが燃焼されるため、前記ＰＳＡ機構の各塔内は、良好な状態、すなわち、正常な始動開始状態となる。

これにより、燃料ガス製造装置の運転が異常停止された後にも、前記燃料ガス製造装置は、簡単な工程で、正常な始動を確実且つ迅速に開始することができるとともに、加熱部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始動方法を実施するための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）を精製する改質部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、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。

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、三方弁４４を介して分岐経路４６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を備える改質ガス分岐経路５０が設けられる。改質ガス供給路４０には、弁５２が配設される一方、改質ガス分岐経路５０は、弁５４を介してオフガス排出用空気供給路３６の途上に接続可能である。

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。図１に示すように、燃料ガス経路７６の一端は、弁７８を介して燃焼用空気供給路３４に接続される。燃料ガス経路７６の他端は、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。

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とともに、特に本実施形態では、ＰＳＡ機構４２を構成する各吸着塔６０ａ〜６０ｃの圧力が圧力計６２ａ〜６２ｃを介して検出される際、検出圧力が規定圧よりも高いか否かを判断し、弁６６ａ〜６６ｃの開閉制御を行う制御部として、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精製システム１０の動作について、本発明の始動方法との関連で、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、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、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を介してＰＳＡ機構４２に送られ、コンプレッサ４８で圧縮されて前記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（不要物）は、弁６６ｃの開放作用下にオフガス排出路６８に排出される（パージ工程）。

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、該オフガス排出路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、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、燃料ガス経路７６から貯蔵部１６に供給される。

この場合、ＰＳＡ機構４２では、正常始動位置が設定されており、例えば、図３に示すように、位置Ｔ１〜Ｔ６で吸着塔６０ａ〜６０ｃを停止させることが必要である。

ところが、家庭用燃料ガス精製システム１０では、家庭内における需要に応じて運転を行うため、起動及び停止が繰り返し行われるとともに、運転時間及び停止時間が一定とはならない。さらに、家庭用燃料ガス精製システム１０において、運転中に何らかの原因により異常停止が起こることがある。その際、吸着塔６０ａ〜６０ｃの停止位置は、位置Ｔ１〜Ｔ６のいずれにも該当しない場合がある。例えば、図４に示すように、異常停止位置Ｔ０で緊急停止されると、吸着塔６０ｂ内がブローダウン工程の途上にあって、パージ工程（大気圧）との間にΔＰの過剰圧が残存している。

従って、この異常停止位置Ｔ０から始動を開始すると、図５に示すように、吸着塔６０ｂ内の過剰圧ΔＰにより、この吸着塔６０ｂ内のオフガスが燃焼器２０に過剰に供給され、前記燃焼器２０の温度が異常温度Ｓ℃を超えてしまう。

ここで、本実施形態では、家庭用燃料ガス精製システム１０の始動前に、以下に示す工程が行われる。

先ず、家庭用燃料ガス精製システム１０では、図６に示すように、弁７８、８０を開放して充填タンク８２に貯蔵されている水素ガスを燃焼器２０に送る。このため、燃焼器２０で燃焼が開始され、この燃焼器２０が規定温度に温められる。

次いで、図７に示すように、三方弁４４を切り換えて改質ガス供給路４０と分岐経路４６とを連通させる。そして、空気コンプレッサ３０の運転作用下に、改質用空気供給路３２、改質ガス供給路４０及び分岐経路４６を含む供給経路内の残留ガスを燃焼器２０に供給し、この残留ガスを燃焼させる。上記の残留ガスの燃焼の後に、あるいは該燃焼に先立って、三方弁４４の切り換え作用下に改質ガス供給路４０と改質ガス分岐経路５０とを連通するとともに、弁５４を開放する。従って、改質ガス分岐経路５０に残存する残留ガスは、オフガス排出用空気供給路３６の途上から燃焼器２０に送られ、該残留ガスが燃焼する。

一方、ＰＳＡ機構４２を構成する各吸着塔６０ａ〜６０ｃに設けられている圧力計６２ａ〜６２ｃを介して、前記吸着塔６０ａ〜６０ｃ内の圧力が検出される。

制御ＥＣＵ９０では、吸着塔６０ａ〜６０ｃの正常始動位置、例えば、図３中、位置Ｔ１〜Ｔ６におけるそれぞれの規定圧が予め記憶されており、検出された前記吸着塔６０ａ〜６０ｃの各圧力が前記規定圧よりも高いか否かが判断される。例えば、吸着塔６０ｂ内の圧力が規定圧よりも高いと判断されると、前記吸着塔６０ｂ内の過剰圧力分のオフガス（残留ガス）が燃焼器２０に供給される（図８参照）。燃焼器２０に送られたオフガスは、この燃焼器２０で燃焼されることにより排出される。

上記のように吸着塔６０ｂ内の過剰圧力分のオフガスが、燃焼器２０に送られて燃焼された後、家庭用燃料ガス精製システム１０の始動が開始される。その際、図９に示すように、吸着塔６０ｂ内の圧力が規定圧ＰＥに減圧されており、ＰＳＡ機構４２による改質ガスの精製工程時に排出されるオフガスによって、燃焼器２０が異常温度Ｓ℃まで高騰することはない（図１０参照）。

これにより、本実施形態では、家庭用燃料ガス精製システム１０の運転が異常停止された後にも、前記家庭用燃料ガス精製システム１０は、簡単な工程で、正常に始動を確実且つ迅速に開始することができるとともに、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。

しかも、家庭用燃料ガス精製システム１０の始動に先立って、供給経路内の残留ガスが燃焼器２０に送られて燃焼されている。このため、始動開始後に、ＰＳＡ機構４２には、所定量の改質ガスが確実に供給され、精製される水素ガス純度の低下等を有効に阻止することができる。

なお、本実施形態では、図７に示す残留ガスの燃焼工程の後に、図８に示すオフガスの燃焼工程を行っているが、図８の燃焼工程の次に、図７の燃焼工程を行ってもよい。

本発明の実施形態に係る始動方法を実施するための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機構が異常停止した際の説明図である。 前記異常停止後に始動を開始した状態の説明図である。 始動前に、燃焼器に水素ガスを供給する際の説明図である。 前記始動前に、供給経路内の残留ガスを燃焼器に排出する際の説明図である。 前記ＰＳＡ機構の過剰圧分のオフガスを前記燃焼器に排出する際の説明図である。 異常停止後に、前記過剰圧分を放出した際の圧力状態説明図である。 本発明の始動方法による始動状態の説明図である。 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
３８ａ〜３８ｃ、６６ａ〜６６ｃ、７０、７２ａ〜７２ｃ、７４、７８、８０、８６…弁
４０…改質ガス供給路 ４２…ＰＳＡ機構
４４…三方弁 ４６…分岐経路
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…制御ＥＣＵ

Claims (2)

1. 含水素燃料を改質して改質ガスを精製した後、前記改質ガスをＰＳＡ機構に供給することにより、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燃料ガス製造装置の始動方法であって、
   前記燃料ガス製造装置の始動前に、前記ＰＳＡ機構の各塔内の圧力を検出し、検出された圧力が規定圧よりも高い塔があるか否かを判断する工程と、
   前記規定圧よりも高い塔があると判断された際、該規定圧よりも高い塔内の過剰圧分の残留ガスを加熱部に供給して燃焼させる工程と、
   前記過剰圧分の残留ガスを排出した後、前記燃料ガス製造装置の始動を開始する工程と、
   を有することを特徴とする燃料ガス製造装置の始動方法。
2. 請求項１記載の始動方法において、前記燃料ガス製造装置の始動を開始する前に、前記改質ガスを前記ＰＳＡ機構に供給する供給経路内の残留ガスを前記加熱部に供給して燃焼させることを特徴とする燃料ガス製造装置の始動方法。
   
   

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