(57)【要約】【課題】システム全体のコンパクト化及び簡素化を図るとともに、停電時にも発電を確実に継続することを可能にする。【解決手段】停電状態であることが検出された際に、補助電源部８２を接続して、この補助電源部８２からコンプレッサ８０を含む定置型燃料電池７４の始動用電力が供給され、前記定置型燃料電池７４の発電が開始される。次いで、補助電源部８２からの電力の供給が停止される一方、定置型燃料電池７４からの電力が家庭用電源として使用される。補助電源部８２は、定置型燃料電池７４の始動用電力のみを供給する容量に設置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
含水素燃料を改質して改質ガスを得る改質部と、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、前記燃料ガスが供給されて発電を行う発電部と、前記発電部に接続されて該発電部の始動用電力のみを供給する補助電源部とを備える燃料ガス製造発電システムにおける停電時の運転方法であって、
停電状態であるか否かを検出する工程と、
前記停電状態が検出された際に、前記補助電源部の電力を使用して前記発電部に前記貯蔵部から前記燃料ガスを供給するとともに、前記発電部に酸化剤ガスを供給する工程と、
前記発電部による発電が開始された後、前記補助電源部からの電力の供給を停止する一方、該発電部から電力の供給を行う工程と、
を有することを特徴とする燃料ガス製造発電システムにおける停電時の運転方法。
【請求項２】
請求項１記載の運転方法において、前記貯蔵部に残存する燃料ガス残量を検出する工程と、
前記燃料ガス残量が規定量以下に至った際、前記改質部及び前記精製部の運転を開始する工程と、
を有することを特徴とする燃料ガス製造発電システムにおける停電時の運転方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の運転方法において、前記含水素燃料の前記改質部への供給量が規定量以下に至った際、前記改質部及び前記精製部の運転を停止する一方、前記発電部による発電を継続する工程と、
前記貯蔵部に残存する燃料ガス残量が規定量以下に至った際、前記発電部による発電を停止する工程と、
を有することを特徴とする燃料ガス製造発電システムにおける停電時の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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と、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、前記燃料ガスが供給されて発電を行う発電部と、前記発電部に接続されて該発電部の始動用電力のみを供給する補助電源部とを備える燃料ガス製造発電システムにおける停電時の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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（発電部）等に供給する水素製造装置（燃料ガス製造発電システム）が採用されている。
【０００３】
この種の水素製造装置では、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。
【０００４】
この場合、設備全体の小型化を図るために、水素製造装置を供給場所に設置するオンサイト型水素製造設備が考えられている。例えば、特許文献１に開示されている水素製造設備は、図６に示すように、炭化水素である改質原料中の硫黄分を脱硫処理する脱硫装置１を備えており、この脱硫装置１により脱硫された改質原料は、水蒸気改質装置２に送られて水蒸気改質により水素含有ガスが製造される。
【０００５】
水蒸気改質装置２で製造された水素含有ガスは、シフト反応装置３に送られて、前記水素含有ガス中の一酸化炭素が二酸化炭素に転換されて除去される。さらに、一酸化炭素が除去された水素含有ガスは、水素ＰＳＡ装置４に送られて、水素以外の不純物が吸着剤により吸着されて除去され、高純度の水素が水素供給装置５に供給される。一方、前記水素の一部は、発電用の燃料ガスとして固体高分子型燃料電池６に供給される。
【０００６】
この固体高分子型燃料電池６は、水素製造装置の稼働用電力を発生させるとともに、前記固体高分子型燃料電池６と二次電池設備７とが電気的に接続されている。水素供給装置５に供給された水素は、水素利用自動車や家庭用燃料電池等に分配供給される。
【０００７】
水素製造装置では、通常、固体高分子型燃料電池６の電力と外部の電力とを併用して運転が行われているが、災害時等の停電によって外部からの電力が供給されなくなった際には、前記固体高分子型燃料電池６のみにより電力の供給が行われている。
【０００８】
さらに、水素の需要が少ないときには、固体高分子型燃料電池６での発電量を増加させて二次電池設備７で蓄電する一方、水素の需要が多いときには、前記固体高分子型燃料電池６での発電量を減少させて前記二次電池設備７から電気を供給することにより、水素の需要変動に対しても対応することができる、としている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−９５６１２号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記の二次電池設備７は、水素の需要が少ないときに蓄電する一方、水素の需要が多いときには電気を供給するように構成されており、前記二次電池設備７自体が相当に大型化するという問題が指摘されている。
【００１１】
しかも、比較的容量の大きな二次電池設備７に蓄電しなければならず、固体高分子型燃料電池６の電力を効率的に利用することができず、経済的ではないという問題がある。さらに、二次電池設備７から電気を供給することにより、この二次電池設備７の充電量が減少している際に、停電が発生すると、固体高分子型燃料電池６を運転させるための補器に対して電力を十分に供給することができず、停電時における前記固体高分子型燃料電池６の発電が確実に行われないという問題がある。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、システム全体のコンパクト化を図るとともに、停電時にも確実に発電を継続することが可能な燃料ガス製造発電システムにおける停電時の運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、含水素燃料を改質して改質ガスを得る改質部と、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、前記燃料ガスが供給されて発電を行う発電部と、前記発電部に接続されて該発電部の始動用電力のみを供給する補助電源部とを備える燃料ガス製造発電システムにおける停電時の運転方法である。
【００１４】
そこで、先ず、停電状態であることが検出された際に、補助電源部の電力を使用して発電部に貯蔵部から燃料ガスが供給されるとともに、前記発電部に酸化剤ガスが供給される。これにより、発電部による発電が開始され、次いで、補助電源部からの電力の供給が停止される一方、前記発電部から電力の供給が行われる。
【００１５】
また、貯蔵部に残存する燃料ガス残量が検出され、前記燃料ガス残量が規定量以下に至った際、改質部及び精製部の運転が開始されて燃料ガスの製造を行うことが好ましい。
【００１６】
さらに、含水素燃料の改質部への供給量が規定量以下に至った際には、前記改質部及び精製部の運転が停止される一方、発電部による発電が継続され、次に、貯蔵部に残存する燃料ガス残量が規定量以下に至った際には、前記発電部による発電が停止されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、発電部の立ち上げ専用の補助電源部が設けられるため、前記補助電源部自体が有効に小型化されるとともに、停電時に前記発電部による発電が確実に行われる。これにより、燃料ガス製造発電システム全体のコンパクト化が容易に図られ、しかも停電時に良好に対処することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係る停電時の運転方法を実施するための家庭用燃料ガス精製システム（燃料ガス製造発電システム）１０の概略構成図である。
【００１９】
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。
【００２０】
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、バーナー等の燃焼器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。
【００２１】
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４８を経由して前記燃焼器２０に接続される。
【００２２】
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、流量制御用の弁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。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を供給するための改質用燃料エゼクタ４０が配設される。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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、脱着及び洗浄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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、発電用タンク７２は、家庭用電源を供給するための定置型燃料電池（発電部）７４に燃料ガス供給路７６を介して接続されるとともに、前記燃料ガス供給路７６には、弁７８が配設される。この定置型燃料電池７４には、酸化剤ガスとして、例えば、空気を供給するためのコンプレッサ（又はスーパーチャージャ）８０が接続される。
【００２９】
定置型燃料電池７４には、該定置型燃料電池７４の始動用電力のみを供給する補助電源部８２が接続される。この補助電源部８２は、例えば、キャパシタを備えている。補助電源部８２は、電源ボックス８４に接続されており、この電源ボックス８４は、ＡＣ／ＤＣ変換器及び主電源切換器を内蔵する。電源ボックス８４は、コンプレッサ８０等を含むシステム補機電源を供給する一方、外部電源に接続されている。
【００３０】
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、停電状態であるか否かを検出するための制御部として、例えば、制御ＥＣＵ（Electronic Control Unit）８６を備える。この制御ＥＣＵ８６は、ＥＣＵ専用バッテリ、例えば、リチウムバッテリを内蔵しており、停電によって電源が遮断されても、駆動可能である。
【００３１】
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。
【００３２】
家庭用燃料ガス精製システム１０では、制御ＥＣＵ８６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。
【００３３】
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。
【００３４】
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）。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
発電用タンク７２に充填されている燃料ガスは、弁７８の開放作用下に、燃料ガス供給路７６から定置型燃料電池７４のアノード側電極（図示せず）に供給される。一方、コンプレッサ８０が駆動されて、定置型燃料電池７４の図示しないカソード側電極に酸化剤ガスとして空気が供給される。このため、定置型燃料電池７４で発電が行われて電力が発生し、この電力は、家庭用電源として使用されるとともに、コンプレッサ８０を含むシステム補器電源として利用される。
【００３８】
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。
【００３９】
次いで、家庭用燃料ガス精製システム１０における停電時の運転方法について、以下に説明する。本実施形態では、家庭用燃料ガス精製システム１０が停止中に停電した場合の運転方法と、前記家庭用燃料ガス精製システム１０が運転中に停電した場合の運転方法とに分けて説明する。
【００４０】
先ず、停止中の家庭用燃料ガス精製システム１０において、起動スイッチがオンされると（図２中、ステップＳ１）、ステップＳ２に進んで、外部電源が遮断されているか否か、すなわち、停電状態であるか否かが判断される。
【００４１】
外部電源が遮断されていないと判断されると（ステップＳ２中、ＮＯ）、ステップＳ３に進んで、家庭用燃料ガス精製システム１０は、上述したように通常の起動が開始される。
【００４２】
一方、外部電源が遮断されていると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、補助電源部８２が電源ボックス８４の作用下に接続される。この補助電源部８２は、コンプレッサ８０及び発電に必要最小限な電磁弁を数分間だけ駆動させる容量に設定されている。
【００４３】
そこで、補助電源部８２からの電力により、カソード用のコンプレッサ８０が駆動され、定置型燃料電池７４の図示しないカソード側電極に酸化剤ガスとして空気が供給される。定置型燃料電池７４では、空気の吐出圧が所定圧力Ｐ１ｋＰａに至るか否かが判断され（ステップＳ６）、所定時間Ｔ１が経過しても該所定圧力Ｐ１ｋＰａに至らなければ（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、故障警報がなされる。
【００４４】
空気吐出圧が、所定時間Ｔ１内に所定圧力Ｐ１ｋＰａに至ると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ８に進んで、弁７８がオン（開放）される。このため、発電用タンク７２に貯蔵されている燃料ガスは、燃料ガス供給路７６を介して定置型燃料電池７４の図示しないアノード側電極に供給される。
【００４５】
定置型燃料電池７４に供給される燃料ガスの突出圧（水素吐出圧）が、所定圧力Ｐ２ｋＰａに至るか否かが判断される（ステップＳ９）。そして、水素吐出圧が所定時間Ｔ２内に所定圧力Ｐ２ｋＰａに至らなければ（ステップＳ１０中、ＹＥＳ）、故障警報がなされる。一方、水素吐出圧が所定時間Ｔ２内に所定圧力Ｐ２ｋＰａに至ると（ステップＳ９中、ＹＥＳ）、ステップＳ１１に進んで、定置型燃料電池（ＦＣ）７４の発電が開始される。
【００４６】
次に、定置型燃料電池７４の発電が正常に行われているか否かが判断される（ステップＳ１２、ステップＳ１３）。所定時間Ｔ３が経過した後にも、正常発電が行われていなければ（ステップＳ１３中、ＹＥＳ）、故障警報がなされる一方、該所定時間Ｔ３以内に正常発電が開始されれば（ステップＳ１２中、ＹＥＳ）、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、補助電源部８２が遮断されて、この補助電源部８２からの電力の供給が停止される。
【００４７】
定置型燃料電池７４の発電が開始されると、発電用タンク７２のタンク圧の監視が開始される。このタンク圧が設定圧力Ｐ３ｋＰａ以下となると（ステップＳ１５中、ＹＥＳ）、ステップＳ１６に進んで、家庭用燃料ガス精製システム１０の運転が開始される。なお、定置型燃料電池７４の発電により発生する電力の一部は、補助電源部８２に送られて、この補助電源部８２に充電される。
【００４８】
次いで、改質用燃料の供給量が設定量ａ以下であるか否かが判断される（図３中、ステップＳ１７）。例えば、災害等によって停電状態に至ると、都市ガス等の改質用燃料の供給が停止されるため、この改質用燃料の供給量が設定量ａよりも低下する（ステップＳ１７中、ＹＥＳ）。
【００４９】
このため、ステップＳ１８に進んで、家庭用燃料ガス精製システム１０による燃料ガスの製造が停止される一方、定置型燃料電池７４による発電が継続される。定置型燃料電池７４で発生する電力は、家庭用電源として使用される。
【００５０】
そして、発電用タンク７２に貯蔵されている燃料ガスが減少して、この発電用タンク７２のタンク圧が設定圧力Ｐ３ｋＰａ以下となると（ステップＳ１９中、ＹＥＳ）、ステップＳ２０に進んで、定置型燃料電池７４による発電が停止される。なお、制御ＥＣＵ８６では、常に、外部電源の供給を監視しており、この外部電源の供給が再開した際には、定置型燃料電池７４から該外部電源に家庭用電源を切り換える。
【００５１】
次に、家庭用燃料ガス精製システム１０の運転中に停電が発生した場合について、図４及び図５のフローチャートに沿って説明する。
【００５２】
先ず、家庭用燃料ガス精製システム１０の運転中に、外部電源が遮断されたか否かが判断される（ステップＳ３１、ステップＳ３２）。そして、外部電源が遮断されていなければ、家庭用燃料ガス精製システム１０の運転が継続される一方（ステップＳ３３）、外部電源が遮断されたと判断されると（ステップＳ３２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３４に進んで、補助電源部８２が接続される。
【００５３】
さらに、家庭用燃料ガス精製システム１０による改質及び精製（改質システム）が停止され（ステップＳ３５）、補助電源部８２からコンプレッサ８０に電力が供給されて、このコンプレッサ８０の運転が開始される（ステップＳ３６）。
【００５４】
以下、ステップＳ３７〜ステップＳ４４は、上述したステップＳ６〜ステップＳ１３と同様に行われ、定置型燃料電池７４の発電が行われて電力の発生が開始されると、補助電源部８２が遮断される（ステップＳ４５）。そこで、発電用タンク７２のタンク圧が設定圧力Ｐ３ｋＰａ以下となる際に（ステップＳ４６中、ＹＥＳ）、家庭用燃料ガス精製システム１０の運転が開始される（ステップＳ４７）。
【００５５】
以下、ステップＳ４８〜ステップＳ５１は、上述したステップＳ１７〜ステップＳ２０と同様に行われる。
【００５６】
この場合、本実施形態では、停電によって定置型燃料電池７４の始動が行われない際に、この定置型燃料電池７４の立ち上げ専用の補助電源部８２から始動用電力が供給されている。この補助電源部８２は、コンプレッサ８０及び定置型燃料電池７４の始動に必要最低限の電磁弁を数分間だけ動かせる容量に設定された、例えば、キャパシタが使用されている。
【００５７】
このため、補助電源部８２自体が大幅に小型化且つ簡素化されるとともに、停電時に定置型燃料電池７４の立ち上げが確実に行われるという効果が得られる。これにより、家庭用燃料ガス精製システム１０全体のコンパクト化が容易に図られ、しかも、停電時に定置型燃料電池７４を良好且つ確実に発電させることが可能なる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施形態に係る停電時の運転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。
【図２】停止中の前記家庭用燃料ガス精製システムにおいて、停電時の運転方法を説明するフローチャートの前段部である。
【図３】前記フローチャートの後段部である。
【図４】運転中の前記家庭用燃料ガス精製システムにおいて、停電時の運転方法を説明するフローチャートの前段部である。
【図５】前記フローチャートの後段部である。
【図６】特許文献１の概略構成説明図である。
【符号の説明】
【００５９】
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                      ２２…反応器
３８ａ、３８ｂ、６４、７０、７８…弁
４８…ＰＳＡ機構                  ６０、８０…コンプレッサ
６６…充填タンク                  ７２…発電用タンク
７４…定置型燃料電池              ７６…燃料ガス供給路
８２…補助電源部                  ８４…電源ボックス
８６…制御ＥＣＵ
【図１】
2005251703.tif 000003
【図２】
2005251703.tif 000004
【図３】
2005251703.tif 000005
【図４】
2005251703.tif 000006
【図５】
2005251703.tif 000007
【図６】
2005251703.tif 000008