(57)【要約】【課題】発電装置から排出される含水素オフガス中の水素を有効に使用して、システム全体の効率の向上を図ることを可能にする。【解決手段】家庭用燃料ガス製造システム１０は、含水素燃料を改質して改質ガスを得る改質装置１６と、前記改質ガスから不要物を除去して燃料ガスを精製する水素精製装置２０と、精製された燃料ガスを使用して発電を行う定置型燃料電池４０とを備える。定置型燃料電池４０では、燃料ガス入口４６ａ及び燃料ガス出口４６ｂを連結して循環流路４８が設けられるとともに、この循環流路４８には、三方弁５２を介してパージ流路５４が接続される。パージ流路５４は、水素精製装置２０の上流側に接続されており、定置型燃料電池４０から放出される含水素オフガスをパージガスとして前記水素精製装置２０に供給し、このパージガス中の水素を再利用する。【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装置と、
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水素精製装置と、
精製された前記燃料ガスを使用して発電を行う発電装置と、
前記発電装置の燃料ガス出口から排出される水素を含む含水素オフガスを、前記水素精製装置の上流側に供給可能なパージ流路と、
を備えることを特徴とする燃料ガス製造発電システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料ガス製造発電システムにおいて、前記発電装置は、前記燃料ガス出口から燃料ガス入口に前記含水素オフガスを循環供給するための循環流路を備え、
前記循環流路と前記水素精製装置の上流側とに前記パージ流路が連結されることを特徴とする燃料ガス製造発電システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料ガス製造発電システムにおいて、前記パージ流路には、前記含水素オフガスを一旦貯蔵するパージガスタンクが配設されることを特徴とする燃料ガス製造発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、含水素燃料を改質して改質ガスを得た後、前記改質ガスを用いて発電を行う燃料ガス製造発電システムに関する。
【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精製した燃料ガスを燃料電池（発電部）等に供給して発電を行う燃料ガス製造発電システムが採用されている。
【０００３】
この種の燃料ガス製造発電システムでは、改質装置で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の水素精製装置を介して前記水素含有ガスから高純度水素（燃料ガス）を分離している。さらに、精製された燃料ガスは、燃料電池車両や定置型燃料電池等の発電装置に反応ガスとして供給されている。
【０００４】
この場合、固体高分子型燃料電池では、発電中にカソード側電極に生成する生成水が、イオン交換膜を透過してアノード側電極に滞留し易く、燃料ガス（アノードガス）流路の閉塞が惹起し易い。このため、発電性能が低下するおそれがあり、燃料ガス流路から生成水を定期的に掃気する、いわゆる、水素パージが行われている。その際、水素を含んだパージガスが大気中に放出されているが、水素濃度によっては着火現象等が惹起するおそれがある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されているように、燃料電池より排出された水素オフガスを、排出された酸素オフガスと混合した後、該混合されたガスを大気中に排出する水素オフガス排出方法が知られている。
【０００６】
また、特許文献２には、燃料電池からのオフガスを燃焼させた熱を用いて源燃料から改質燃料を生成するとともに、生成した改質燃料を前記燃料電池に供給する改質器と、前記燃料電池のオフガスを前記改質器に供給するオフガス回収装置と、前記燃料電池の反応熱を蓄える蓄熱装置と、加熱用燃料を燃焼させて前記蓄熱装置に蓄えられている熱を上昇させる加熱装置と、前記燃料電池から排出されるオフガス量が所定のガス量を超過したと判定した場合には、前記加熱用燃料として前記超過したガス量のオフガスを前記加熱装置に供給するオフガス量調整装置とを備えたコージェネレーションシステムが開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２８９２３７号公報（図１）
【特許文献２】特開２００２−４２８４０号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の特許文献１では、水素オフガスを酸素オフガスと混合して大気放出する一方、上記の特許文献２では、燃料電池からのオフガスを改質器で燃焼させるとともに、過剰なオフガスを加熱用燃料として加熱装置に供給している。従って、特許文献１及び特許文献２では、オフガス中に含まれる水素が、廃棄乃至燃焼用燃料として消費されており、効率的ではないという問題が指摘されている。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、発電装置から排出される含水素オフガス中の水素を有効に使用することができ、システム全体の効率の向上を図ることが可能な燃料ガス製造発電システム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】
【００１０】
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水素精製装置と、精製された前記燃料ガスを使用して発電を行う発電装置と、前記発電装置の燃料ガス出口から排出される水素を含む含水素オフガスを、前記水素精製装置の上流側に供給可能なパージ流路とを備えている。
【００１１】
また、発電装置は、燃料ガス出口から燃料ガス入口に含水素オフガスを循環供給するための循環流路を備え、前記循環流路と水素精製装置の上流側とにパージ流路が連結されることが好ましい。発電装置としては、例えば、燃料電池が使用され、好適には、固体高分子型燃料電池が用いられる。
【００１２】
さらに、パージ流路には、含水素オフガスを一旦貯蔵するパージガスタンクが配設されることが好ましい。水素精製装置の運転時期と発電装置の運転時期とが異なる際に、含水素オフガスをパージガスタンクに一旦貯蔵するとともに、前記水素精製装置に前記含水素オフガスが急激に供給されることを阻止することができるからである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、発電装置の燃料ガス出口から排出される含水素オフガスは、パージ流路を介して水素精製装置の上流側に供給されるため、前記含水素オフガス中の水素を有効に取り出すことができる。これにより、含水素オフガス中の水素を燃料ガスとして再利用することが可能になり、廃棄される水素を可及的に削減することができ、システム全体の効率化が容易に図られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明の実施形態に係る家庭用燃料ガス製造システム（燃料ガス製造発電システム）１０の概略構成図である。
【００１５】
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）、純水及び改質用空気が供給される蒸発器１２を備える。蒸発器１２には、燃焼器（燃焼触媒）１４が付設されるとともに、前記蒸発器１２の下流には、改質用燃料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）を得る改質装置１６が配設される。
【００１６】
改質装置１６の下流には、改質ガスを冷却する熱交換器１８が配設されるとともに、この熱交換器１８の下流には、水素精製装置２０が接続される。
【００１７】
水素精製装置２０は、コンプレッサ２２、熱交換器２４及びＰＳＡ機構（又は水素分離膜）等の水素精製器２６を備える。ＰＳＡ機構は、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。
【００１８】
水素精製器２６では、高純度水素以外の成分（不要物）をオフガスとしてオフガス排出路２８に放出する。このオフガス排出路２８は、燃焼器１４に接続されており、オフガスは、前記燃焼器１４に燃焼用燃料として供給される。
【００１９】
水素精製装置２０には、高純度水素（燃料ガス）を送出するための燃料ガス経路３０が連通するとともに、燃料ガス経路３０には、水素供給装置を構成する高圧コンプレッサ３２が設けられる。この高圧コンプレッサ３２には、弁３４ａを介して発電用タンク３６が接続される一方、弁３４ｂ、３４ｃを介して充填タンク３８ａ、３８ｂが接続される。
【００２０】
発電用タンク３６は、家庭用電源を供給するための定置型燃料電池（発電装置）４０に燃料ガス供給路４２を介して接続される。この燃料ガス供給路４２には、エゼクタ４４が配設されるとともに、定置型燃料電池４０の燃料ガス入口４６ａと燃料ガス出口４６ｂとを外部で連結する循環流路４８が設けられ、前記循環流路４８は、エゼクタ４４の吸引側に接続される。循環流路４８には、気液分離器５０が配設されて生成水を排水する一方、三方弁５２を介してパージ流路５４が接続される。
【００２１】
パージ流路５４は、水素精製装置２０の上流側に、具体的には、コンプレッサ２２と熱交換器１８との間に連結される。このパージ流路５４には、パージガスタンク５６と流量制御弁５８とが配設される。
【００２２】
定置型燃料電池４０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）６０が接続される。このコンプレッサ６０は、空気供給路６２を介して蒸発器１２と燃焼器１４とに接続され、前記蒸発器１２に改質用空気を供給するとともに、前記燃焼器１４に燃焼用空気を供給する。
【００２３】
充填タンク３８ａ、３８ｂは、水素ディスペンサ６４に接続されており、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。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制御装置として、例えば、制御ＥＣＵ（Electronic Control Unit）６６を備える。
【００２４】
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。
【００２５】
家庭用燃料ガス製造システム１０では、制御ＥＣＵ６６を介してコンプレッサ６０等の運転が開始されており、例えば、天然ガスや都市ガス等の改質用燃料、純水及び改質用空気とが蒸発器１２に供給される。一方、燃焼器１４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１２では、改質用燃料及び水が蒸発する。
【００２６】
蒸発した改質用燃料は、改質装置１６に送られる。この改質装置１６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）。
【００２７】
上記のように、改質装置１６により改質された改質ガスは、熱交換器１８によって冷却された後、水素精製装置２０に供給される。この水素精製装置２０では、改質ガスがコンプレッサ２２を介して圧縮されるとともに、熱交換器２４により冷却された状態で、水素精製器２６に供給される。水素精製器２６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３０に供給される。
【００２８】
燃料ガス経路３０には、高圧コンプレッサ３２に配設されており、燃料ガスは、この高圧コンプレッサ３２を介して発電用タンク３６又は充填タンク３８ａ、３８ｂに選択的に充填される。その際、弁３４ａ〜３４ｃは、選択的に開閉制御されている。
【００２９】
発電用タンク３６に貯蔵されている燃料ガスは、燃料ガス供給路４２から定置型燃料電池４０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６０の駆動作用下に、定置型燃料電池４０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４０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６０を含むシステム補器電源として利用される。
【００３０】
この場合、定置型燃料電池４０では、燃料ガス入口４６ａから図示しない燃料ガス流路に供給された燃料ガスは、反応により消費されて水素を含む含水素オフガスとして燃料ガス出口４６ｂから排出される。この含水素オフガスは、気液分離器５０で生成水が排出された後、循環流路４８を通って燃料ガス入口４６ａから定置型燃料電池４０内に循環供給される。
【００３１】
ところで、定置型燃料電池４０の運転時には、酸化剤ガス流路（図示せず）側には、反応生成水が滞留し易く、この生成水がイオン交換膜（図示せず）を透過して燃料ガス流路に滞留し易い。このため、三方弁５２が操作されて、燃料ガス出口４６ｂをパージ流路５４に連通させ、燃料ガス流路に滞留する生成水が、含水素オフガスと共にパージガスタンク５６に定期的にパージされる。
【００３２】
その際、水素精製装置２０における燃料ガスの精製作業が、定置型燃料電池４０の運転時期と異なる時期に行われている場合、前記定置型燃料電池４０から放出されるパージガス（含水素オフガス及び生成水）は、一旦、パージガスタンク５６に貯蔵されている。
【００３３】
次いで、水素精製装置２０の運転が開始されると、流量制御弁５８が操作されて、パージガスタンク５６内のパージガスは、前記水素精製装置２０の上流側に供給される。従って、パージガスは、熱交換器１８から送られる改質ガスに混在し、水素精製装置２０に供給されて燃料ガスが精製される。
【００３４】
このように、本実施形態では、定置型燃料電池４０から放出されるパージガスが水素精製装置２０に供給されることにより、このパージガス中に含まれる水素を有効に取り出すことができる。これにより、パージガスである含水素オフガス中の水素は、燃料ガスとして再利用することが可能になり、排気される水素を可及的に削減することができ、システム全体の効率化が容易に図られるという効果が得られる。
【００３５】
さらに、パージ流路５４には、パージガスタンク５６が配設されており、このパージガスタンク５６にパージガスを一旦貯蔵することができる。このため、水素精製装置２０の運転が停止される際には、パージガスを外部に放出することがなく、水素の廃棄が良好に阻止される。
【００３６】
しかも、パージガスタンク５６の下流に配置されている流量制御弁５８を操作することによって、水素精製装置２０への急激なパージガス流量の変動を避けることが可能になる。従って、水素精製装置２０による燃料ガスの精製作業が、円滑且つ確実に遂行されるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】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。
【図２】前記家庭用燃料ガス製造システムにおいて、含水素オフガスを水素精製装置の上流側に供給する際の動作説明図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０…家庭用燃料ガス製造システム    １２…蒸発器
１４…燃焼器                        １６…改質装置
１８、２４…熱交換器                ２０…水素精製装置
２２、６０…コンプレッサ            ２６…水素精製器
２８…オフガス排出路                ３０…燃料ガス経路
３２…高圧コンプレッサ              ３４ａ〜３４ｃ…弁
３６…発電用タンク                  ３８ａ、３８ｂ…充填タンク
４０…定置型燃料電池                ４４…エゼクタ
４６ａ…燃料ガス入口                ４６ｂ…燃料ガス出口
４８…循環流路                      ５２…三方弁
５４…パージ流路                    ５６…パージガスタンク
５８…流量制御弁                    ６６…制御ＥＣＵ
【図１】
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【図２】
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