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JP4032031B2 - 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して改質ガスを得る改質部を備え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、例えば、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。
例えば、特許文献１には、脱硫された灯油を水蒸気と混合して前記灯油を気化、この気化した脱硫灯油と水蒸気との混合物を改質することにより、水素を製造する方法が開示されている。この特許文献１では、図８に示すように、灯油タンク１に灯油が貯蔵されており、灯油ポンプ２を介して前記灯油タンク１内の灯油が脱硫器３に送られる。この灯油は、脱硫された後に気化器としてのエゼクタ４に送られる。一方、水タンク５に蓄えられている水は、水ポンプ６を介して水蒸気発生器７に送られ、この水蒸気発生器７で水蒸気となってエゼクタ４に送られる。
このエゼクタ４では、脱硫灯油が水蒸気と混合されて気化され、混合物となって改質器８に送られる。改質器８では、改質によって水素が取り出され、この水素が、例えば、燃料電池用水素として、図示しない燃料電池システムに送られる。
特開２００２−２０１４７８号公報（図１）
しかしながら、上記の特許文献１では、灯油タンク１に専用の灯油ポンプ２が接続されるとともに、水タンク５に専用の水ポンプ６が接続されている。このため、装置全体が大型化するとともに、経済的ではないという問題が指摘されている。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、改質ガスを効率的に改質す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、含水素燃料を改質して改質ガスを得る改質部を備える燃料ガス製造装置である。改質部は、含水素燃料を供給する含水素燃料供給機構と、改質用空気を供給する改質用空気供給機構と、前記含水素燃料供給機構から送られる前記含水素燃料及び前記改質用空気供給機構から送られる前記改質用空気を混合して改質器に供給するエゼクタとを備え、前記含水素燃料供給機構は、前記エゼクタの上流に配置されるインジェクタを備えている。
また、エゼクタは、改質用空気をノズルから噴射させる主流路と、前記改質用空気の噴射により含水素燃料を吸引する副流路とを備えることが好ましい。
さらに、含水素燃料供給機構は、エゼクタの上流に配置されるオリフィスを備えることが好ましい。
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器に供給されるため、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、含水素燃料供給機構には、専用ポンプが不要になり、燃料ガス製造装置の小型化が容易に図られるとともに、該燃料ガス製造装置を経済的に得ることが可能になる。
図１は、本発明に関連する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得る反応器（改質器）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、流量制御用の弁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。
改質用燃料エゼクタ４０には、含水素燃料供給機構４１が接続される。含水素燃料供給機構４１は、大気圧調整バルブ４２を介して燃料エゼクタ４０の吸引側に接続される含水素燃料供給路４３を設ける。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。
反応器２２には、触媒温度を検知するための温度センサ４４が接続されるとともに、改質用空気供給路３２には、改質用燃料エゼクタ４０の上流に位置して圧力計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、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を介してバッファタンク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に燃料ガスを供給する一方、バッファタンク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）７４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、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とバッファタンク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、反応器２２に設けられている温度センサ４４を介して触媒温度が検知されており、この検出信号が制御ＥＣＵ７４に送られる。制御ＥＣＵ７４では、反応器２２の温度に基づいて改質用空気供給路３２に配設されている弁３８ａの開度を制御し、前記改質用空気供給路３２に供給される改質用空気の圧力Ｐ１が調整される。
このため、改質用燃料エゼクタ４０では、圧力が調整された改質用空気の噴射により含水素供給機構４１から改質用燃料が吸引され、前記改質用燃料の供給量が制御される。その際、図２に示すように、反応器２２の内圧Ｐ２が変動すると、吸引される改質用燃料の流量が変動するものの、主流路４０ａに導入される改質用空気の圧力を設定することによって、該改質用燃料を必要流量に確保することができる。
このように、改質用燃料エゼクタ４０を設け、この改質用燃料エゼクタ４０の主流路４０ａに改質用空気を噴射させることによって、所望量の改質用燃料を吸引することが可能になる。これにより、含水素燃料供給機構４１には、専用ポンプが不要になり、前記含水素燃料供給機構４１の小型化及び簡素化が容易に図られる。
特に、改質用燃料として都市ガスが使用される際に、昇圧用ポンプが不要になる。従って、改質部１２全体がコンパクトに構成されるとともに、該改質部１２を経済的に得られるという効果がある。
図３は、本発明の第１の実施形態に係る家庭用燃料ガス精製システム８０を構成する改質部８２の概略構成図である。なお、家庭用燃料ガス精製システム１０を構成する改質部１２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。また、以下に説明する実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
改質部８２は、含水素燃料供給機構８４を備え、この含水素燃料供給機構８４は、含水素燃料供給路４３にインジェクタ８６を配設している。制御ＥＣＵ７４は、圧力計４５による検出圧力に対応したマップ（図示せず）により演算を行い、インジェクタ８６のコイル通電時間を制御する。
このように構成される第１の実施形態では、改質用燃料エゼクタ４０の上流側の改質用空気の圧力は、圧力計４５により検出されて制御ＥＣＵ７４に送られる。この制御ＥＣＵ７４では、前記の検出圧力に基づいて、インジェクタ８６のコイル（図示せず）に通電する時間を制御する。
このため、インジェクタ８６は、含水素燃料供給路４３の可変抵抗として機能し、改質用燃料エゼクタ４０に吸引される改質用燃料の流量が調整される。これにより、図４に示すように、改質用燃料エゼクタ４０の下流側の圧力変動による改質用燃料の吸引流量のばらつきを抑えることができ、前記改質用燃料の必要量に対して、より高精度な調整を行うことが可能になるという効果が得られる。
図５は、本発明に関連する家庭用燃料ガス精製システム９０を構成する改質部９２の概略構成図である。
改質部９２は、含水素燃料供給機構９４を備えるとともに、前記含水素燃料供給機構９４は、含水素燃料供給路４３にオリフィス９６を配設している。従って、オリフィス９６が含水素燃料供給路４３の固定抵抗として機能し、改質用燃料エゼクタ４０による改質用燃料の吸引流量が調整される。このため、改質用燃料エゼクタ４０のみによる改質用燃料の吸引流量のばらつきを抑え、より高精度な調整を行うことが可能になるという効果が得られる。
図６は、本発明の第２の実施形態に係る家庭用燃料ガス精製システム１００を構成する改質部１０２の概略構成図である。
改質部１０２は、含水素燃料供給機構１０４を備え、この含水素燃料供給機構１０４は、含水素燃料供給路４３にインジェクタ８６とオリフィス９６とを並列に配設している。
このように構成される第２の実施形態では、オリフィス９６の作用下に改質用燃料エゼクタ４０による改質用燃料の吸引量を必要流量に近接する流量まで減少させる一方、インジェクタ８６のコイル通電時間を制御することによって、前記改質用燃料エゼクタ４０による前記改質用燃料の吸引流量のばらつきを抑えることができる（図７参照）。これにより、改質用燃料の流量を高精度に調整するとともに、安定した流量を確実に得ることができるという効果がある。
なお、上記のように、制御ＥＣＵ７４による制御に用いられるフィードバック信号を、改質用空気供給路３２に配設されている圧力計４５から供給しているが、これに代えて、例えば、含水素燃料供給路４３のインジェクタ８６及びオリフィス９６の下流に配置される図示しない圧力計から供給することもできる。
本発明に関連する家庭用燃料ガス精製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。 本発明の第１の実施形態に係る家庭用燃料ガス精製システムを構成する改質部の概略構成図である。 前記改質用燃料エゼクタとインジェクタとが併用される際の改質用燃料供給量の説明図である。 本発明に関連する家庭用燃料ガス精製システムを構成する改質部の概略構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る家庭用燃料ガス精製システムを構成する改質部の概略構成図である。 前記改質用燃料エゼクタにインジェクタ及びオリフィスが併用される際の改質用燃料供給量の説明図である。 特許文献１の概略構成説明図である。
符号の説明
１０、８０、９０、１００…家庭用燃料ガス精製システム
１２、８２、９２、１０２…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 ４０ａ…主流路
４０ｂ…副流路 ４１、８４、９４、１０４…含水素燃料供給機構
４２…大気圧調整バルブ ４３…含水素燃料供給路
４４…温度センサ ４５…圧力計
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
６６…充填タンク ７２…バッファタンク
７４…制御ＥＣＵ ８６…インジェクタ
９６…オリフィス

Claims (3)

  1. 含水素燃料を改質して改質ガスを得る改質部を備える燃料ガス製造装置であって、
    前記改質部は、前記含水素燃料を供給する含水素燃料供給機構と、
    改質用空気を供給する改質用空気供給機構と、
    前記含水素燃料供給機構から送られる前記含水素燃料及び前記改質用空気供給機構から送られる前記改質用空気を混合して改質器に供給するエゼクタと、
    を備え、
    前記含水素燃料供給機構は、前記エゼクタの上流に配置されるインジェクタ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、前記エゼクタは、前記改質用空気をノズルから噴射させる主流路と、
    前記改質用空気の噴射により前記含水素燃料を吸引する副流路と、
    を備えることを特徴とする燃料ガス製造装置。
  3. 請求項１又は２記載の燃料ガス製造装置において、前記含水素燃料供給機構は、前記エゼクタの上流に配置されるオリフィスを備えることを特徴とする燃料ガス製造装置。
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