(57)【要約】【課題】停止状態が種々異なっても、オフガスによる影響を可及的に阻止し、良好な始動を確実に遂行することを可能にする。【解決手段】家庭用燃料ガス精製システム１０の運転を停止する停止信号が入力された際、ＰＳＡ機構４２が予め設定された規定停止状態にあるか否かが判断される。そして、ＰＳＡ機構４２が規定停止状態にないと判断されると、該ＰＳＡ機構４２が該規定停止状態になるまで、家庭用燃料ガス精製システム１０の運転が継続された後、家庭用燃料ガス精製システム１０の運転が停止される。【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生成した後、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生成する燃料ガス製造装置の停止方法であって、
前記燃料ガス製造装置の運転を停止する停止信号が入力された際、前記ＰＳＡ機構が予め設定された規定停止状態にあるか否かを判断する工程と、
前記ＰＳＡ機構が前記規定停止状態にないと判断された際、該ＰＳＡ機構が該規定停止状態になるまで、前記燃料ガス製造装置の運転を継続する工程と、
前記ＰＳＡ機構が前記規定停止状態になった際、該燃料ガス製造装置の運転を停止する工程と、
を有することを特徴とする燃料ガス製造装置の停止方法。
【請求項２】
請求項１記載の停止方法において、前記停止信号が緊急停止を必要とする異常停止信号である否かを判断する工程と、
前記停止信号が緊急停止を必要としない際、前記ＰＳＡ機構が前記規定停止状態になるまで、前記燃料ガス製造装置の運転を継続する工程と、
前記停止信号が緊急停止を必要とする際、前記燃料ガス製造装置の運転を即座に停止する工程と、
を有することを特徴とする燃料ガス製造装置の停止方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の停止方法において、前記規定停止状態は、前記ＰＳＡ機構の各塔の中、いずれか１つの塔内圧力が略大気圧になる位置であることを特徴とする燃料ガス製造装置の停止方法。
【請求項４】
請求項１又は２記載の停止方法において、前記規定停止状態は、前記ＰＳＡ機構の各塔の中、いずれか１つの塔が脱着工程の直前の位置であることを特徴とする燃料ガス製造装置の停止方法。
【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停止方法に関する。
【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。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示されている水素製造装置は、図８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。
【０００４】
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（オフガスタンク）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。
【０００５】
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。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２０１０２号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の水素製造装置では、運転を停止するタイミングによっては、ＰＳＡ部６を構成する各塔の停止位置にばらつきが発生し易い。このため、各塔が正常な停止位置にないと、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する場合がある。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易い。
【０００８】
従って、水素製造装置が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。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、停止状態が種々異なっても、オフガスによる影響を可及的に阻止し、良好な始動を確実に遂行することが可能な燃料ガス製造装置の停止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】
【００１０】
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停止方法である。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。
【００１１】
先ず、燃料ガス製造装置の運転を停止する停止信号が入力された際、ＰＳＡ機構が予め設定された規定停止状態にあるか否かが判断される。ＰＳＡ機構が規定停止状態にないと判断されると、該ＰＳＡ機構が該規定停止状態になるまで、燃料ガス製造装置の運転が継続される。そして、ＰＳＡ機構が規定停止状態になった際、燃料ガス製造装置の運転が停止される。
【００１２】
また、停止信号が緊急停止を必要とする異常停止信号であるか否かが判断され、前記停止信号が緊急停止を必要としない際、ＰＳＡ機構が規定停止状態になるまで、燃料ガス製造装置の運転が継続される一方、前記停止信号が緊急停止を必要とする際、前記燃料ガス製造装置の運転が即座に停止されることが好ましい。
【００１３】
さらに、規定停止状態は、ＰＳＡ機構の各塔の中、いずれか１つの塔内圧力が略大気圧になる位置であることが好ましい。
【００１４】
さらにまた、規定停止状態は、ＰＳＡ機構の各塔の中、いずれか１つの塔が脱着工程の直前の位置であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、燃料ガス製造装置の運転を停止する停止信号が入力された際、ＰＳＡ機構が予め設定された規定停止状態にないと、該ＰＳＡ機構が該規定停止状態になるまで、燃料ガス製造装置の運転が継続されるため、前記ＰＳＡ機構は、常に前記規定停止状態に制御される。従って、燃料ガス製造装置は、良好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、加熱部の急激な温度上昇による破損等を有効に阻止することが可能になる。しかも、オフガスタンクを不要に、あるいは狭小にすることができ、燃料ガス製造装置全体の小型化が容易に図られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明の実施形態に係る停止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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、ＰＳＡ機構４２に改質ガスを供給するコンプレッサ４８が接続される。
【００２１】
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（下端）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。
【００２２】
各吸着塔６０ａ〜６０ｃの出入口の他端（上端）には、均圧用弁７２ａ〜７２ｃと、燃料ガス排出用弁７４ａ〜７４ｃとが設けられるとともに、前記吸着塔６０ａ〜６０ｃは、前記弁７４ａ〜７４ｃ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の端部は、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。
【００２３】
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。
【００２４】
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、運転を停止する停止信号が入力された際、ＰＳＡ機構４２が規定停止状態にあるか否かを判断するとともに、前記ＰＳＡ機構４２が前記規定停止状態になるまで運転を継続するための制御部として、例えば、制御ＥＣＵ（Electronic Control Unit）９０を備える。
【００２５】
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、本発明の停止方法との関連で、以下に説明する。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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）。
【００２９】
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に送られ、コンプレッサ４８で圧縮されて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）。
【００３０】
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、この燃料ガスが弁７４ａの開放作用下に燃料ガス経路７６に供給される（図２参照）。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。
【００３１】
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）。
【００３２】
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、該オフガス排出路６８に排出されたオフガスは、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。
【００３３】
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、脱着工程である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、弁７４ａ〜７４ｃを選択的に開閉操作することによって、燃料ガス経路７６から貯蔵部１６に供給される。
【００３４】
この場合、ＰＳＡ機構４２では、正常停止位置（規定停止状態）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。
【００３５】
位置Ｔ１は、吸着塔６０ｂ、６０ｃが均圧工程を終了した後の位置であるとともに、この吸着塔６０ｃは、脱着工程に入る直前の位置である。同様に、位置Ｔ３は、吸着塔６０ａ、６０ｃが均圧工程を終了した後の位置であるとともに、この吸着塔６０ａは、脱着工程に入る直前の位置である。さらに、位置Ｔ５は、吸着塔６０ａ、６０ｂが均圧工程を終了した後の位置であるとともに、前記吸着塔６０ｂは、脱着工程に入る直前の位置である。
【００３６】
一方、位置Ｔ２は、吸着塔６０ａ、６０ｂ及び６０ｃがそれぞれ吸着、昇圧及び脱着工程を行った最後の位置であり、前記吸着塔６０ｃは、略大気圧（パージ工程）となる位置である。同様に、位置Ｔ４は、吸着塔６０ａ、６０ｂ及び６０ｃがそれぞれ脱着、吸着及び昇圧工程を行った最後の位置であり、前記吸着塔６０ａは、略大気圧となる位置である。位置Ｔ６は、吸着塔６０ａ、６０ｂ及び６０ｃが昇圧、脱着及び吸着工程を行った最後の位置であり、前記吸着塔６０ｂは、略大気圧となる位置である。
【００３７】
ところで、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。
【００３８】
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。
【００３９】
ここで、本実施形態では、家庭用燃料ガス精製システム１０の運転停止前に、以下に示す工程が行われる。
【００４０】
先ず、図６に示すように、家庭用燃料ガス精製システム１０の運転中に、図示しない停止スイッチがオンされると（ステップＳ１）、ＰＳＡ機構４２が正常停止位置にあるか否か、すなわち、規定停止状態にあるか否かが判断される（ステップＳ２）。
【００４１】
制御ＥＣＵ９０では、ＰＳＡ機構４２を構成する各吸着塔６０ａ〜６０ｃの内部圧力が圧力計６２ａ〜６２ｃにより検出され、その検出結果に基づいて前記吸着塔６０ａ〜６０ｃの実際の停止位置が判断される。その際、ＰＳＡ機構４２が規定停止状態にないと判断されると（ステップＳ２中、ＮＯ）、前記ＰＳＡ機構４２が前記規定停止状態になるまで、家庭用燃料ガス精製システム１０の運転が継続される。
【００４２】
具体的には、図３に示すように、ＰＳＡ機構４２を構成する各吸着塔６０ａ〜６０ｃが位置Ｔ１〜Ｔ６のいずれかの位置に至るまで、家庭用燃料ガス精製システム１０の運転が継続される。そして、家庭用燃料ガス精製システム１０が、正常停止位置に至ったと判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進んで、該家庭用燃料ガス精製システム１０の運転が停止される。
【００４３】
この場合、本実施形態では、家庭用燃料ガス精製システム１０の運転を停止する停止信号が入力された際、前記家庭用燃料ガス精製システム１０の運転が即座に停止されることはなく、ＰＳＡ機構４２が予め設定された規定停止状態になるまで、該家庭用燃料ガス精製システム１０の運転が継続される。
【００４４】
このため、ＰＳＡ機構４２は、常に規定停止状態に制御されており、家庭用燃料ガス精製システム１０が再度始動される際に、良好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、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。
【００４５】
しかも、ＰＳＡ機構４２が規定停止状態にあるか否かの判断は、例えば、吸着塔６０ａ〜６０ｃのいずれか１つが略大気圧となった位置（位置Ｔ２、Ｔ４及びＴ６）にあるか否か、すなわち、パージ工程にあるか否かを判断するだけでよく、あるいは、いずれか１つが脱着過程に入る直前の位置（位置Ｔ１、Ｔ３及びＴ５）にあるか否かを判断するだけでよい。
【００４６】
これにより、極めて簡単な制御で、オフガスカロリーを正常範囲内に維持することができるという利点がある。さらに、オフガスタンクが不要に、あるいは、狭小に構成することが可能になり、家庭用燃料ガス精製システム１０全体の小型化が容易に図られる。
【００４７】
次いで、家庭用燃料ガス精製システム１０が異常停止された場合について、図７に示すフローチャートに沿って説明する。
【００４８】
先ず、家庭用燃料ガス精製システム１０の運転中に異常が検知されると（ステップＳ１１中、ＹＥＳ）、ステップＳ１２に進んで、この異常が前記家庭用燃料ガス精製システム１０を緊急に停止させる必要があるか否かが判断される。そして、緊急停止が必要でないと判断されると、ステップＳ１３に進んで、ＰＳＡ機構４２が正常停止位置にあるか否かが判断される。そこで、家庭用燃料ガス精製システム１０は、ＰＳＡ機構４２が正常停止位置に至るまで運転を継続し（ステップＳ１３中、ＹＥＳ）、前記ＰＳＡ機構４２が正常停止位置に至った後、停止される（ステップＳ１４）。
【００４９】
一方、ステップＳ１２において、家庭用燃料ガス精製システム１０の緊急停止が必要であると判断されると（ステップＳ１２中、ＹＥＳ）、前記家庭用燃料ガス精製システム１０の運転が即座に停止される。
【００５０】
このように、本実施形態では、運転中に異常が発生しても、家庭用燃料ガス精製システム１０の緊急停止が必要でない場合には、ＰＳＡ機構４２が正常停止位置に至るまで運転が継続される。これにより、家庭用燃料ガス精製システム１０の始動が良好且つ確実に開始されるという効果が得られる。
【００５１】
なお、本実施形態では、ＰＳＡ機構４２が吸着塔６０ａ〜６０ｃを備える３塔式装置を構成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、４塔式等の種々の装置にも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態に係る停止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】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。
【図３】前記ＰＳＡ機構の動作を説明するタイムチャートである。
【図４】前記ＰＳＡ機構が異常停止した際の説明図である。
【図５】前記異常停止後に始動を開始した状態の説明図である。
【図６】正常停止時の停止方法を説明するフローチャートである。
【図７】異常停止時の停止方法を説明するフローチャートである。
【図８】特許文献１の概略系統図である。
【符号の説明】
【００５３】
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
４０…改質ガス供給路                      ４２…ＰＳＡ機構
６０ａ〜６０ｃ…吸着塔                    ６２ａ〜６２ｃ…圧力計
６６ａ〜６６ｃ、７０、７２ａ〜７２ｃ、７４ａ〜７４ｃ、８０、８６…弁
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005220283.tif 000008
【図７】
2005220283.tif 000009
【図８】
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