JP4399307B2 - 燃料ガス製造システム - Google Patents

Description

本発明は、含水素燃料を改質して改質ガスを得る燃料ガス製造システムに関する。

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燃料ガスとして燃料電池等に供給する水素製造システム（燃料ガス製造システム）が採用されている。

この種の水素製造システムでは、天然ガスや都市ガス等の炭化水素燃料を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。

炭化水素燃料を改質する改質装置では、前記炭化水素燃料の一部を改質反応部で燃焼させて改質時に必要な熱量を供給しており、改質温度の制御が重要となっている。この改質温度は、炭化水素燃料と空気の供給量比で決定されるため、該供給量比を精度よく制御する必要がある。

例えば、特許文献１には、水素製造システムとは技術分野が異なるものの、オゾン水製造用装置に関し、水とオゾンとを混合してオゾン濃度を安定化させる技術が開示されている。

具体的には、図５に示すように、送水器１から送出された水が流れる流路として、互いに平行な第１流路２ａと第２流路２ｂとが設けられており、前記第１流路２ａには、オゾン発生器３に接続された混合器４が設けられている。第２流路２ｂには、流量制御弁５が設けられており、この流量制御弁５によって、第１流路２ａには、混合器４に予め設定された最適水量が流れるように制御されている。そして、最適水量を超える分の水は第２流路２ｂを流れるとともに、第１及び第２流路２ａ、２ｂは、下流側で合流している。

これにより、送水器１から送出される水の量が変動しても、第１流路２ａには、常に一定流量の水が流れるとともに、オゾン発生器３から発生したオゾンガスは、常に一定量で混合器４に注入されて混合されている。このため、混合器４を通過して製造されたオゾン水中のオゾン濃度が変化することはない、としている。

特開平８−２８１２８１号公報（図１）

しかしながら、上記の特許文献１の技術を水素製造システムに使用する際、空気供給源（送水器１に相当する）から供給される空気に、炭化水素燃料供給部（オゾン発生器１に相当する）から供給される炭化水素燃料を、一定流量だけ混合させることができるものの、改質装置で多量の炭化水素燃料が要求される際には、容易に対応することができな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、コンパクトな構成で、含水素燃料及び改質用空気の供給量制御を簡素化且つ良好に行うことが可能な燃料ガス製造システム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、前記含水素燃料を供給する含水素燃料供給装置と、改質用空気を供給する改質用空気供給装置と、前記改質用空気供給装置から送られる前記改質用空気に、前記含水素燃料供給装置から送られる前記含水素燃料を混合して前記改質装置に供給するエゼクタと、前記エゼクタの上流に配置される圧力制御装置と、前記エゼクタに並列される流量制御装置とを備えている。

また、エゼクタは、改質用空気供給装置と改質装置とを連結する空気流路に配設され、圧力制御装置は、前記空気流路に配置されて前記改質装置に供給される含水素燃料の供給量を調整するとともに、流量制御装置は、前記空気流路に両端が連結されるバイパス流路に設けられて改質用空気の供給量を調整することが好ましい。

さらに、改質装置は、温度検出センサを備え、前記温度検出センサにより検出された温度に基づいて流量制御装置を制御することにより、前記改質装置の温度制御を行うことが好ましい。

本発明では、含水素燃料と改質用空気とが、エゼクタにより混合されて改質装置に供給されるため、例えば、前記改質用空気の供給圧を利用して前記含水素燃料を吸引することができる。これにより、含水素燃料供給装置には、専用ポンプが不要になり、燃料ガス製造システムの小型化が容易に図られるとともに、該燃料ガス製造システムを経済的に得ることが可能になる。

しかも、圧力制御装置を介して、例えば、含水素燃料の供給量制御が行われる一方、流量制御装置を介して、例えば、改質用空気の供給量制御が行われる。このため、含水素燃料と改質用空気の制御が独立して容易且つ確実に遂行され、制御の簡素化が図られる。

図１は、本発明の実施形態に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、改質用燃料ともいう）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、燃料ガスともいう）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（改質装置）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、空気供給装置（改質用空気供給装置）２８が設けられる。空気供給装置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、弁３５を介して空気コンプレッサ３０に接続されるとともに、後述するＰＳＡ機構４８を経由して燃焼器２０に接続される。

改質用空気供給路３２は、圧力制御装置として、例えば、圧力センサ３７を付設した圧力調整弁３８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、圧力調整弁３８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は、改質用燃料の吸引量を確保するために、例えば、超音速ノズルを使用する。

改質用燃料エゼクタ４０には、含水素燃料供給装置４１が接続される。含水素燃料供給装置４１は、大気圧調整バルブ４２を介して改質用燃料エゼクタ４０の吸引側に接続される。改質用燃料エゼクタ４０は、改質用空気をノズルから噴射させる主流路４０ａと、前記改質用空気の噴射により改質用燃料を吸引する副流路４０ｂとを備える。

改質用空気供給路３２には、改質用燃料エゼクタ４０に並列してバイパス流路３２ａの両端が連結されるとともに、このバイパス流路３２ａには、流量制御装置として、例えば、インジェクタ４３が設けられる。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、この温度センサ４４による検出温度に基づいてインジェクタ４３がフィードバック制御される。反応器２２の下流には、改質用燃料の吸引量を安定させるために圧力制御装置として、例えば、背圧弁４５が配設される。

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。

ＰＳＡ機構４８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、吸着工程、減圧工程、均圧工程、脱着工程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）をオフガスとしてオフガス排出路５２に放出するように構成している。

オフガス排出路５２は、オフガスエゼクタ５４に接続される。オフガスエゼクタ５４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５４の他端には、オフガス流路５６が接続される。オフガスエゼクタ５４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５６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。

ＰＳＡ機構４８には、各吸着塔から高純度水素を排出するための燃料ガス経路５８が連通するとともに、燃料ガス経路５８にコンプレッサ６０が接続される。燃料ガス経路５８の端部は、弁６４を介して貯蔵部１６を構成する充填タンク６６に接続される。燃料ガス経路５８の途上には、分岐燃料ガス経路６８が設けられ、この分岐燃料ガス経路６８には、弁７０を介して発電用タンク７２が接続される。

充填タンク６６は、図示しない燃料電池車両の高圧タンクに燃料ガスを供給する一方、発電用タンク７２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ための制御部として、例えば、制御ＥＣＵ（Electronic Control Unit）７４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ＥＣＵ７４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、燃焼用空気やオフガス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に供給される。

ＰＳＡ機構４８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）を含む燃料ガスが精製され、この燃料ガスが燃料ガス経路５８に供給される。燃料ガスは、コンプレッサ６０の作用下に充填タンク６６と発電用タンク７２とに選択的に貯蔵される。

一方、ＰＳＡ機構４８では、各吸着塔からのオフガス（残留ガス）がオフガス排出路５２に放出される。オフガス排出路５２は、オフガスエゼクタ５４を介してオフガス流路５６に接続されている。このため、オフガス排出路５２に放出されたオフガスは、オフガスエゼクタ５４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。

この場合、本実施形態では、改質用燃料エゼクタ４０の上流に圧力制御装置として圧力調整弁３８が配設されている。この圧力調整弁３８により改質用空気の供給圧を変更すると、図２に示すように、前記改質用空気の供給圧の上昇に伴って、改質用燃料エゼクタ４０により吸引される改質用燃料の吸引量が増加する。従って、制御ＥＣＵ７４は、要求負荷、すなわち、要求される改質用燃料供給量に対応して、改質用燃料エゼクタ４０の流量特性に基づいて、圧力調整弁３８を制御することにより、前記改質用燃料の吸引量を良好に調整することが可能になる。なお、圧力調整弁３８を用いずに、圧力センサ３７の検出信号に基づいて空気コンプレッサ３０をインバータ制御してもよい。

しかも、改質用燃料と改質用空気とは、改質用燃料エゼクタ４０により混合されて反応器２２に供給されるため、前記改質用空気の供給圧を利用して前記改質用燃料を吸引することができる。これにより、含水素燃料供給装置４１には、専用ポンプが不要になり、システム全体の小型化が容易に図られる。

さらに、本実施形態では、改質用空気供給路３２から分岐されるバイパス流路３２ａには、改質用燃料エゼクタ４０に並列して流量制御装置であるインジェクタ４３が設けられている。その際、反応器２２では、触媒劣化によって、この反応器２２の温度が上昇する場合がある。そこで、反応器２２の温度を温度センサ４４により検出し、この温度センサ４４による検出温度に基づいて、インジェクタ４３をフィードバック制御する。

このため、反応器２２の温度上昇時には、インジェクタ４３を介してこの反応器２２の改質温度を制御する空気流量を減少させることができ、前記反応器２２の温度を有効に低下させることが可能になる。特に、インジェクタ４３を使用することにより、最大流量と最小流量の比（ターンダウンレシオ）を大きくとることができ、空気流量を広いレンジで制御することが可能になる。

これにより、空気流量を制御しない場合（図３参照）に比べ、本実施形態では、改質温度が一定温度に維持され（図４参照）、反応器２２における改質処理が良好且つ確実に遂行されるという利点がある。しかも、圧力調整弁３８による改質用燃料の吸引量の制御と、インジェクタ４３による空気流量の制御とは、それぞれ独立して行われる。従って、改質用燃料の吸引量及び空気流量は、簡単な制御で確実に遂行されるという効果がある。

また、本実施形態では、改質用燃料エゼクタ４０として、超音速ノズルが使用されている。このため、通常のエゼクタを使用する場合に比べて、吸引される改質用燃料の供給量を増加させることができ、要求負荷に良好に対応することが可能になる。特に、改質用燃料として都市ガスが使用される際には、この改質用燃料が低圧で供給されるため、超音速ノズルを使用することによって、前記改質用燃料の供給不足を確実に回避することが可能になる。

本発明の実施形態に係る家庭用燃料ガス製造システムの概略構成図である。 改質用燃料エゼクタの特性説明図である。 空気流量を制御しない際の改質温度の説明図である。 空気流量を制御した際の改質温度の説明図である。 特許文献１の概略構成説明図である。

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…空気供給装置
３０…空気コンプレッサ ３２…改質用空気供給路
３７…圧力センサ ３８…圧力調整弁
４０…改質用燃料エゼクタ ４０ａ…主流路
４０ｂ…副流路 ４１…含水素燃料供給装置
４２…大気圧調整バルブ ４３…インジェクタ
４４…温度センサ ４５…背圧弁
４６…改質ガス供給路 ４８…ＰＳＡ機構
５２…オフガス排出路 ５４…オフガスエゼクタ
５６…オフガス流路 ５８…燃料ガス経路
７４…制御ＥＣＵ

Claims (3)

1. 含水素燃料を改質して改質ガスを得る改質装置と、
   前記含水素燃料を供給する含水素燃料供給装置と、
   空気流路に改質用空気を供給する改質用空気供給装置と、
   前記空気流路上に配置され、前記改質用空気供給装置から送られる前記改質用空気に、前記含水素燃料供給装置から送られる前記含水素燃料を混合して前記改質装置に供給するエゼクタと、
   前記エゼクタの上流に位置して前記空気流路上に配置される圧力制御装置と、
   前記エゼクタを設けた部分の前記空気流路に並列される流量制御装置と、
   を備えることを特徴とする燃料ガス製造システム。
2. 請求項１記載の燃料ガス製造システムにおいて、前記エゼクタは、前記改質用空気供給装置と前記改質装置とを連結する前記空気流路に配設され、
   前記圧力制御装置は、前記空気流路に配置されて前記改質装置に供給される前記含水素燃料の供給量を調整するとともに、
   前記流量制御装置は、前記空気流路に両端が連結されるバイパス流路に設けられて前記改質用空気の供給量を調整することを特徴とする燃料ガス製造システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料ガス製造システムにおいて、前記改質装置は、温度検出センサを備え、
   前記温度検出センサにより検出された温度に基づいて前記流量制御装置を制御することにより、前記改質装置の温度制御を行うことを特徴とする燃料ガス製造システム。

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