JP2016184456A - ガス製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガス精製の工程への影響を抑制しつつオフガスタンクの小型化を可能とする。
【解決手段】供給されたガスから不純物を分離して精製し製品ガスとするとともに不純物を含有するオフガスを排出する水素分離部20(ガス精製部)と、水素分離部20から排出されたオフガスを貯留するオフガスタンク21と、オフガスタンク21に貯留されたオフガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池FCと、オフガスタンク21から燃料電池FCへオフガスを供給するオフガス供給制御部34とを有し、オフガス供給制御部34は、水素分離部20で行われている製品ガスの精製に関する工程情報のうち少なくとも一つに基づいて燃料電池FCへのオフガスの供給量を変更する。
【選択図】図1
【解決手段】供給されたガスから不純物を分離して精製し製品ガスとするとともに不純物を含有するオフガスを排出する水素分離部20(ガス精製部)と、水素分離部20から排出されたオフガスを貯留するオフガスタンク21と、オフガスタンク21に貯留されたオフガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池FCと、オフガスタンク21から燃料電池FCへオフガスを供給するオフガス供給制御部34とを有し、オフガス供給制御部34は、水素分離部20で行われている製品ガスの精製に関する工程情報のうち少なくとも一つに基づいて燃料電池FCへのオフガスの供給量を変更する。
【選択図】図1
Description
本発明は、オフガスを排出するガス精製部を有するガス製造装置に関する。
昨今、天然ガスや都市ガス等を原料ガスとして、水素を現場(オンサイト)で製造する水素製造装置の開発が行われている。このような水素製造装置は、工業用途として、鋼板等の金属の光輝焼鈍やガラス製造に利用される他、燃料電池自動車に水素を補給する水素ステーションとして各地に設置されている。
このような水素製造装置の一例として、圧送装置により圧送される原料ガスを脱硫する脱硫器と、脱硫後の原料ガスを水蒸気との混合状態で加熱して改質ガスを得る改質器と、改質器からの改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素リッチガスを得るCO変成器と、水素リッチガスから水素以外の不純物を分離して水素を精製する水素精製部(PSA方式を用いた装置)とを備えたものが知られている(特許文献1)。
上述の水素製造装置では、水素精製部での不純物の分離に伴って、その不純物を含んだオフガスが排出される。従来より排出されたオフガスはタンク等に貯留され、水素製造装置の改質器の加熱等に用いられていた。水素精製部からタンクへのオフガスの移送を円滑に行うため、タンクとしては容量の大きい大型のものが使用されており、水素製造装置の設置面積および設置コストを大きくする一因となっていた。
水素製造装置の設置コストを削減するためにタンクを小型化することも考えられる。しかしタンクを小型化すると、オフガスをタンクに移送する際のタンク内の圧力が高くなり、オフガスの移送を阻害して水素の精製工程により長い時間を要してしまう。
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガス精製の工程への影響を抑制しつつオフガスを貯留するタンクの小型化を可能とすることにある。
上記目的を達成するための本発明に係るガス製造装置の特徴構成は、供給されたガスから不純物を分離して精製し製品ガスとするとともに前記不純物を含有するオフガスを排出するガス精製部と、前記ガス精製部から排出された前記オフガスを貯留するオフガスタンクと、前記オフガスタンクに貯留された前記オフガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池と、前記オフガスタンクから前記燃料電池へ前記オフガスを供給するオフガス供給制御部とを有し、前記オフガス供給制御部は、前記オフガスタンクに貯留された前記オフガスの圧力、前記ガス精製部から前記オフガスタンクへ送られる前記オフガスの流量、前記ガス精製部で行われている製品ガスの精製に関する工程情報のうち少なくとも一つに基づいて前記燃料電池への前記オフガスの供給量を変更する点にある。
上記の特徴構成によれば、供給されたガスから不純物を分離して精製し製品ガスとするとともに不純物を含有するオフガスを排出するガス精製部と、ガス精製部から排出されたオフガスを貯留するオフガスタンクと、オフガスタンクに貯留されたオフガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池と、オフガスタンクから燃料電池へオフガスを供給するオフガス供給制御部とを有し、オフガス供給制御部は、オフガスタンクに貯留されたオフガスの圧力、ガス精製部からオフガスタンクへ送られるオフガスの流量、ガス精製部で行われている製品ガスの精製に関する工程情報のうち少なくとも一つに基づいて燃料電池へのオフガスの供給量を変更するので、オフガスをオフガスタンクに移送する際オフガスタンク内の圧力が過大となって移送を妨げてしまう事態の発生を抑制することができる。
説明すると、オフガスタンクに貯留されたオフガスの圧力(オフガス圧力)が高くなると、ガス精製部からオフガスタンクへのオフガスの移送(オフガス移送)が妨げられる可能性が高くなる。そこで、オフガスタンクに貯留されたオフガスの圧力に基づいて燃料電池へのオフガスの供給量を変更すると、オフガス圧力が過大となることを抑制できる。例えば燃料電池へのオフガスの供給量を増加させると、オフガスタンクから流出するオフガスの量が多くなるので、オフガス圧力を低下させる方向に作用する。よって上記の特徴構成により、オフガス移送が妨げられる事態の発生を抑制でき、オフガスタンクへのオフガスの移送を円滑に行うことができる。従ってガス精製の工程への影響を抑制しつつオフガスタンクを小型化することが可能となる。
また、オフガスタンクへ送られるオフガスの流量が大きい場合には、オフガス圧力の上昇が予想される。さらに、ガス精製部で行われている製品ガスの精製がどのような段階にあるか(製品ガスの精製に関する工程情報)によっても、オフガス圧力の上昇が予想できる場合がある。例えば、ガス精製部で多量のオフガスが発生する工程が開始した場合は、オフガス圧力が上昇すると予想できる。そこで、オフガスの流量または上述の工程情報に基づいて燃料電池へのオフガスの供給量を変更することで、オフガス圧力が過大となることを抑制できる。よって上記の特徴構成により、オフガス移送が妨げられる事態の発生を抑制でき、オフガスタンクへのオフガスの移送を円滑に行うことができる。従ってガス精製の工程への影響を抑制しつつオフガスタンクを小型化することが可能となる。
本発明に係るガス製造装置の別の特徴構成は、前記オフガス供給制御部は、前記オフガスタンクに貯留された前記オフガスの圧力が予め設定された閾値を超えた場合に前記オフガスタンクから前記燃料電池への前記オフガスの供給量を増加させる点にある。
上記の特徴構成によれば、オフガス供給制御部は、オフガスタンクに貯留されたオフガスの圧力が予め設定された閾値を超えた場合にオフガスタンクから燃料電池へのオフガスの供給量を増加させるので、オフガス圧力の過度の上昇をより適切に抑制して、オフガス移送が妨げられる事態の発生を抑制でき、オフガスタンクへのオフガスの移送を円滑に行うことができる。従ってガス精製の工程への影響を抑制しつつオフガスタンクを小型化することが可能となる。
本発明に係るガス製造装置の別の特徴構成は、前記オフガス供給制御部は、前記オフガスタンクに貯留された前記オフガスの圧力が予め設定された閾値を超えた場合に前記オフガスタンクから前記燃料電池への前記オフガスの供給量を増加させる点にある。
上記の特徴構成によれば、オフガス供給制御部は、オフガスタンクに貯留されたオフガスの圧力が予め設定された閾値を超えた場合にオフガスタンクから燃料電池へのオフガスの供給量を増加させるので、オフガス圧力の過度の上昇をより適切に抑制して、オフガス移送が妨げられる事態の発生を抑制でき、オフガスタンクへのオフガスの移送を円滑に行うことができる。従ってガス精製の工程への影響を抑制しつつオフガスタンクを小型化することが可能となる。
本発明に係るガス製造装置の別の特徴構成は、前記オフガス供給制御部は、前記ガス精製部から前記オフガスタンクへ送られる前記オフガスの流量が予め設定された閾値を超えた場合に前記オフガスタンクから前記燃料電池への前記オフガスの供給量を増加させる点にある。
上記の特徴構成によれば、オフガス供給制御部は、ガス精製部からオフガスタンクへ送られるオフガスの流量が予め設定された閾値を超えた場合にオフガスタンクから燃料電池へのオフガスの供給量を増加させるので、オフガス流量の増加傾向に基づきオフガス圧力の過度の上昇をより適切に抑制して、オフガス移送が妨げられる事態の発生を抑制でき、オフガスタンクへのオフガスの移送を円滑に行うことができる。従ってガス精製の工程への影響を抑制しつつオフガスタンクを小型化することが可能となる。
本発明に係るガス製造装置の別の特徴構成は、前記ガス精製部は、供給されたガスから前記不純物を吸着剤に吸着させて精製し製品ガスとする吸着塔を有し、前記吸着塔から前記オフガスを排出して前記オフガスタンクへ送るオフガス排出工程を行うものであって、
前記オフガス供給制御部は、前記ガス精製部にて前記オフガス排出工程が開始した旨の前記工程情報を受けた場合に前記オフガスタンクから前記燃料電池への前記オフガスの供給量を増加させる点にある。
前記オフガス供給制御部は、前記ガス精製部にて前記オフガス排出工程が開始した旨の前記工程情報を受けた場合に前記オフガスタンクから前記燃料電池への前記オフガスの供給量を増加させる点にある。
上記の特徴構成によれば、ガス精製部は、供給されたガスから不純物を吸着剤に吸着させて精製し製品ガスとする吸着塔を有し、吸着塔からオフガスを排出してオフガスタンクへ送るオフガス排出工程を行うものであって、オフガス供給制御部は、ガス精製部にてオフガス排出工程が開始した旨の工程情報を受けた場合にオフガスタンクから燃料電池へのオフガスの供給量を増加させるので、脱着工程の開始に伴うオフガス圧力の過度の上昇をより適切に抑制して、オフガス移送が妨げられる事態の発生を抑制でき、オフガスタンクへのオフガスの移送を円滑に行うことができる。従ってガス精製の工程への影響を抑制しつつオフガスタンクを小型化することが可能となる。
<第1実施形態>
以下、ガス製造装置の一例としての水素製造装置100について図1を参照しながら説明する。水素製造装置100は、改質部10と、水素分離部20と、燃料電池FCと、それらを制御する制御装置30等を有する。制御装置30は、改質部10の動作を制御する改質部制御部31と、水素分離部20の動作を制御する水素分離部制御部32と、燃料電池FCの動作を制御する燃料電池制御部33と、燃料電池FCへのオフガスの供給を制御するオフガス供給制御部34とを有する。
以下、ガス製造装置の一例としての水素製造装置100について図1を参照しながら説明する。水素製造装置100は、改質部10と、水素分離部20と、燃料電池FCと、それらを制御する制御装置30等を有する。制御装置30は、改質部10の動作を制御する改質部制御部31と、水素分離部20の動作を制御する水素分離部制御部32と、燃料電池FCの動作を制御する燃料電池制御部33と、燃料電池FCへのオフガスの供給を制御するオフガス供給制御部34とを有する。
〔改質部〕
改質部10は、炭化水素を含む原料ガス(例えば、メタンを主成分とする都市ガス13A)を改質して水素を含有する改質ガスを得る。改質部10は、圧縮機11にて圧縮された原料ガスを脱硫する脱硫器12と、脱硫後の原料ガスに水蒸気(純水)を混合し加熱して改質ガスを得る改質器13と、改質器13からの改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させるCO変成器17とを備える。
改質部10は、炭化水素を含む原料ガス(例えば、メタンを主成分とする都市ガス13A)を改質して水素を含有する改質ガスを得る。改質部10は、圧縮機11にて圧縮された原料ガスを脱硫する脱硫器12と、脱硫後の原料ガスに水蒸気(純水)を混合し加熱して改質ガスを得る改質器13と、改質器13からの改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させるCO変成器17とを備える。
脱硫器12には、Ni−Mo系、ZnO系等の脱硫触媒が充填されており、その脱硫触媒により、原料ガス中の付臭剤等の硫黄成分を除去している。これにより、原料ガスを、改質器13に充填された改質触媒を劣化させにくい性状としている。
改質器13は、改質器13に充填される改質触媒(例えば、ニッケル系触媒)を触媒活性温度に維持するべく、供給されるガス(燃料ガス)を燃焼させて改質触媒を加熱するバーナ装置14(加熱手段)を備えている。バーナ装置14には、後述する水素分離部20で生じるオフガスが燃料ガスとして供給される。そして改質器13とバーナ装置14とが、改質炉13aの内部に配置されている。バーナ装置14でのオフガスの燃焼により、約900℃の燃焼排ガスが生じる。なおバーナ装置14では供給されたオフガスと燃焼用空気とが混合されて、適切な空燃比とされて燃焼する。
改質器13に原料ガスを供給する流通路L2には、純水をその排ガスの熱により加熱する熱交換器15にて加熱され気化した水蒸気と原料ガスとを混合する混合部16が設けられており、原料ガスへの水蒸気の混合を促進している。
CO変成器17には、一酸化炭素変成触媒が充填され、改質ガス中の一酸化炭素が水蒸気と反応して水素と二酸化炭素に変換される。一酸化炭素変成触媒としては、高温用、中温用、低温用があり、運転温度に応じて適当なものが使用される。運転温度が300〜450℃の高温用触媒としては、例えば、鉄−クロム系触媒が挙げられ、運転温度が180〜450℃の中温用触媒、及び、190〜250℃の低温用触媒としては、例えば、銅−亜鉛系触媒が挙げられる。また、これら高温用、中温用、低温用の触媒は、2種以上を組み合わせて用いることができる。
CO変成器17での反応により、改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素およびメタンを含むと共に、その水素濃度が64〜96体積%の混合ガスとなり、約300℃程度でCO変成器17より排出され、熱交換器18にて冷却水と熱交換して降温した後、気液分離部19にて水蒸気等が除去された後、水素分離部20に導かれる。
即ち水素製造装置100にあっては、原料ガスが、図1に示すように、バルブV1を通過した後、圧縮機11にて圧送され、流通路L1を通流して脱硫器12に導かれ脱硫され、水蒸気を混合する混合部16が設けられる流通路L2を介して改質器13に導かれて改質され、流通路L3を通流してCO変成器17で変成され、熱交換器18が配設される流通路L4を介して気液分離部19に導かれた後、流通路L5を介して水素分離部20に導かれる。
バーナ装置14でのオフガスの燃焼により生じた燃焼排ガスは、流通路L13(燃焼排ガス路)を通じて改質炉13aから排出され、後述する燃料電池FCへ送られる。燃焼排ガスは、燃料電池FCでの発電に利用可能な水素、一酸化炭素、炭化水素等を含有する。
〔水素分離部〕
水素分離部20(ガス精製部)は、改質部10にて改質された改質ガスから水素以外の不純物を分離すべく、圧力スイング式吸着法(以下、PSA法と略称することがある)を実行可能な構成を採用している。すなわち水素分離部20(ガス精製部)は圧力変動吸着式ガス精製装置である。水素分離部20は、複数(本実施形態では3つ)の吸着塔20a、20b、20cと、オフガスタンク21とを備えている。
水素分離部20(ガス精製部)は、改質部10にて改質された改質ガスから水素以外の不純物を分離すべく、圧力スイング式吸着法(以下、PSA法と略称することがある)を実行可能な構成を採用している。すなわち水素分離部20(ガス精製部)は圧力変動吸着式ガス精製装置である。水素分離部20は、複数(本実施形態では3つ)の吸着塔20a、20b、20cと、オフガスタンク21とを備えている。
各吸着塔20a、20b、20cは、吸着材としてゼオライト系吸着材、活性炭、シリカゲルなどを組み合わせたものが充填されている。各吸着塔20a、20b、20cでは、吸着工程、均圧工程、減圧工程、洗浄工程、及び昇圧工程のプロセスを、複数の吸着塔20a、20b、20cで位相を異ならせて実行することにより、水素リッチガスを製品水素(製品ガス)として供給可能に構成されている。詳細な説明は省略するが、上述のプロセスは、流通路に設けられる複数のバルブ(図示略)の開閉により、順次実行される。水素分離部20にて精製された、水素濃度が99.999体積%の水素リッチガスは、流通路L6のバルブV5を介して、製品水素として供給される。
一方、水素分離部20で水素が分離された後のオフガスは、各吸着塔20a、20b、20cにバルブV2を介して接続されたオフガスタンク21に一時貯留される。オフガスタンク21に貯留されたオフガスは、水素、メタン等の可燃性ガスを含むため、流通路L8を介してバーナ装置14へ導かれ、改質器13を加熱するための燃料ガスとして用いられる。
またオフガスタンク21に貯留されたオフガスは、水素、一酸化炭素、炭化水素等の燃料電池で発電に利用可能な燃料成分を含む。そこでさらに本実施形態では、流通路L17およびバルブV14を介して、オフガスが燃料電池FCへと導かれ、燃料電池FCでの発電反応に利用される。
オフガスタンク21には、オフガスタンク21に貯留されたオフガスの圧力を計測する圧力センサPが設けられている。そして制御装置30のオフガス供給制御部34が、圧力センサPが計測したオフガスの圧力に基づいて、バルブV14の開度を調節し、もって燃料電池FCへのオフガスの供給量を制御する。
〔水素分離部の作動状態〕
ここで図2を参照して、水素分離部20の作動状態の詳細と、水素分離部20からオフガスが排出されるタイミングについて説明する。
ここで図2を参照して、水素分離部20の作動状態の詳細と、水素分離部20からオフガスが排出されるタイミングについて説明する。
図2上段の左側、中央、右側の図はそれぞれ、ステップ1,2,3における吸着塔20a、20b、20cの状態を表している。図2下段の表は、ステップ1〜9における吸着塔20a、20b、20cで行われる工程および圧力の遷移を表している。
ステップ1において時間t1の間、吸着塔20aでは吸着工程が行われる。詳しくは、吸着塔20aに改質ガスが供給されて改質ガスに含まれる不純物(水、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン、窒素など)が吸着材に吸着される。不純物の吸着材への吸着により、精製されて高純度となった吸着塔20a内のガスは、流通路L6から製品水素(製品ガス)として排出される。
このとき吸着塔20bと20cでは、均圧工程が行われる。詳しくは、洗浄工程が終了した直後の吸着塔20bと吸着工程が終了した直後の吸着塔20cとが接続され、吸着塔20cから吸着塔20bへガスが移動し、圧力が均一となる。
ステップ2において時間t2の間、吸着塔20aでは引き続き吸着工程が行われる。吸着塔20bでは昇圧工程が行われる。詳しくは、吸着塔20aの出口側と吸着塔20bとが接続され、吸着塔20bに製品水素が供給され、吸着塔20b内の圧力が上昇する。
このとき吸着塔20cでは、減圧工程が行われる。詳しくは、吸着塔20cが減圧されて、吸着材に吸着された不純物が脱着されてオフガスが発生する。発生したオフガスはオフガスタンク21に貯留される。
ステップ3において時間t3の間、吸着塔20aでは吸着工程が、吸着塔20bでは昇圧工程が、それぞれ引き続き行われる。
このとき吸着塔20cでは、洗浄工程が行われる。詳しくは、吸着塔20c内に製品水素が供給されて、残留している不純物が吸着材から脱離する。脱離した不純物を含有する吸着塔20c内の気体は、オフガスとしてオフガスタンク21に貯留される。
続くステップ4〜6では、吸着塔20bで吸着工程が、吸着塔20cで均圧工程〜昇圧工程が、吸着塔20aで均圧工程〜減圧工程〜洗浄工程がそれぞれ行われる。ステップ7〜9では吸着塔20a、20b、20cの間で役割を交代して同様の工程が行われ、以降はステップ1に戻る。
このように吸着塔20a、20b、20cにおいてステップ1〜9を繰り返すことにより、継続的に製品水素を生成する。そしてステップ2,5,8の減圧工程、ステップ3,6,9の洗浄工程においてオフガスが発生し、水素分離部20から排出され、オフガスタンク21へと送られて貯留される。
〔燃料電池〕
燃料電池FCは、水素分離部20(ガス精製部)から排出されたオフガスを用いて発電する、固体酸化物形の燃料電池である。本実施形態ではオフガスは、流通路L17およびL18を通じてオフガスタンク21から燃料電池FCに供給される。
燃料電池FCは、水素分離部20(ガス精製部)から排出されたオフガスを用いて発電する、固体酸化物形の燃料電池である。本実施形態ではオフガスは、流通路L17およびL18を通じてオフガスタンク21から燃料電池FCに供給される。
本実施形態で用いられる燃料電池FCは固体酸化物形であって、酸化物イオン伝導性をもつ固体酸化物の緻密体からなる電解質膜の一方面側に、酸化物イオンおよび電子伝導性の多孔体からなる空気極を接合し、他方面側に電子伝導性の多孔体からなる燃料極を接合してなる単セルを複数積層してなる。そして、空気極に空気(酸素含有ガス)を供給し、燃料極に水素、一酸化炭素、炭化水素等の燃料を含んだガスを供給し、700℃程度の作動温度で動作させる。すると、空気極において酸素分子O2が電子e-と反応して酸素分子イオンO2-が生成され、その酸素分子イオンO2-が電解質膜を通って燃料極に移動し、燃料極において供給された燃料の分子が酸素分子イオンO2-と反応することで、燃料極と空気極との間に起電力Eが発生し、その起電力Eを外部に取り出し利用することができる。
燃料電池FCの燃料極に供給されるオフガスは、オフガスタンク21から流通路L17を通って熱交換器27に送られ、熱交換器27にて燃料電池FCから排出されたアノード排ガス(燃料電池排ガス)から熱を受け取り、加熱される。そして熱交換器27にて高温となったオフガスは流通路L18を通って混合弁V16(オフガス混合部)に送られ、混合弁V16にて改質炉13aからの燃焼排ガスと混合される。
燃焼排ガスと混合されたオフガスは、熱交換器26にてブロア24からの空気と熱交換した後、燃料電池FCの燃料極へ供給される。そして燃料電池FCにて発電反応に用いられた後は、流通路L14からアノード排ガスとして排出される。
燃料電池FCの空気極には、ブロア24からの空気が流通路L15を通って供給される。流通路L15には熱交換器25と熱交換器26とが設けられている。ブロア24からの空気は、熱交換器25にて燃料電池FCから排出されたカソード排ガスと熱交換して加熱され、熱交換器26にて、バーナ装置14での燃焼排ガスとオフガスとの混合気体と熱交換して加熱される。そして燃料電池FCにて発電反応に用いられた後は、熱交換器25でブロア24からの空気に熱を与えてから、流通路L16を通ってカソード排ガスとして排出される。
〔オフガス供給動作〕
上述の通り第1実施形態に係る水素製造装置100では、オフガスタンク21の圧力センサPが計測したオフガスの圧力pに基づいて、制御装置30のオフガス供給制御部34がバルブV14の開度を調節して、もって燃料電池FCへのオフガスの供給量を制御する。具体的には、オフガスの圧力pが増加して、予め設定された圧力閾値SPを超えるとバルブV14を開弁し、燃料電池FCへのオフガスの供給量をゼロから所定の値へと増加させる。その後は、オフガスの圧力pに応じてバルブV14の開度を増減し、オフガスタンク21内のオフガスの圧力pが圧力閾値SPを超過しないよう、オフガス供給制御部34が燃料電池FCへのオフガスの供給量を制御する。
上述の通り第1実施形態に係る水素製造装置100では、オフガスタンク21の圧力センサPが計測したオフガスの圧力pに基づいて、制御装置30のオフガス供給制御部34がバルブV14の開度を調節して、もって燃料電池FCへのオフガスの供給量を制御する。具体的には、オフガスの圧力pが増加して、予め設定された圧力閾値SPを超えるとバルブV14を開弁し、燃料電池FCへのオフガスの供給量をゼロから所定の値へと増加させる。その後は、オフガスの圧力pに応じてバルブV14の開度を増減し、オフガスタンク21内のオフガスの圧力pが圧力閾値SPを超過しないよう、オフガス供給制御部34が燃料電池FCへのオフガスの供給量を制御する。
図3は、第1実施形態に係る水素製造装置100で行われる燃料電池FCへのオフガス供給動作の一例を示したものである。オフガス供給動作を行わない場合のオフガスの圧力pの推移がグラフ中に細線で示されている。この場合、吸着塔で減圧工程が開始して吸着塔からオフガスタンク21へオフガスが供給されると、オフガスの圧力pが上昇し、高い圧力のピークが生じる。
これに対して本実施形態に係るオフガス供給動作を行った場合(太線)、オフガスの圧力pが上昇して圧力閾値SPに達すると、オフガスタンク21から燃料電池FCにオフガスが供給されることで、それ以上オフガスの圧力pが上昇しなくなる。そしてしばらくの間、オフガスの圧力pは圧力閾値SPと同じ大きさに保たれる。その後、吸着塔からオフガスタンク21へのオフガスの移送量が減少し、それに伴いオフガスタンク21内のオフガスの圧力pが低下して、オフガスタンク21から燃料電池FCへのオフガスの供給も停止する。そして別の吸着塔での次の減圧工程が開始すると、同様の動作が繰り返される。このように本実施形態に係るオフガス供給動作を行った場合には、オフガスタンク21内のオフガスの圧力pの過度の上昇が抑制される。
以上述べた通り、第1実施形態に係る水素製造装置100は、供給されたガスから不純物を分離して精製し製品ガスとするとともに不純物を含有するオフガスを排出する水素分離部20(ガス精製部)と、水素分離部20から排出されたオフガスを貯留するオフガスタンク21と、オフガスタンク21に貯留されたオフガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池FCと、オフガスタンク21から燃料電池FCへオフガスを供給するオフガス供給制御部34とを有し、オフガス供給制御部34は、オフガスタンク21に貯留されたオフガスの圧力に基づいて燃料電池FCへのオフガスの供給量を変更する。そしてオフガス供給制御部34は、オフガスタンク21に貯留されたオフガスの圧力が予め設定された圧力閾値SPを超えた場合にオフガスタンク21から燃料電池FCへのオフガスの供給量を増加させる。
<第2実施形態>
図4に示される通り、第2実施形態に係る水素製造装置100では、圧力センサPに換えて流量センサFMが、吸着塔20a、20b、20cとオフガスタンク21との間の流通路L21に設けられる。そして、流量センサFMが測定するオフガスの流量fに基づいて、制御装置30のオフガス供給制御部34がバルブV14の開度を調節して、もって燃料電池FCへのオフガスの供給量を制御する。なお、第1実施形態と同様の構成については同じ符号が付されている。
図4に示される通り、第2実施形態に係る水素製造装置100では、圧力センサPに換えて流量センサFMが、吸着塔20a、20b、20cとオフガスタンク21との間の流通路L21に設けられる。そして、流量センサFMが測定するオフガスの流量fに基づいて、制御装置30のオフガス供給制御部34がバルブV14の開度を調節して、もって燃料電池FCへのオフガスの供給量を制御する。なお、第1実施形態と同様の構成については同じ符号が付されている。
第2実施形態に係る、オフガスタンク21から燃料電池FCへのオフガス供給動作について具体的に説明する。吸着塔で減圧工程が開始して吸着塔からオフガスタンク21へオフガスが供給されると、流通路L21のオフガスの流量fが増加する。流量fが予め設定された閾値を超えると、オフガス供給制御部34がバルブV14を開弁し、燃料電池FCへのオフガスの供給量をゼロから所定の値へと増加させる。その後は、流量fに応じてバルブV14の開度を増減し、流通路L21のオフガスの流量fが閾値を超過しないよう、オフガス供給制御部34が燃料電池FCへのオフガスの供給量を制御する。以上の供給動作を行うことで、オフガスタンク21内のオフガスの圧力の過度の上昇が抑制される。
以上述べた通り、第2実施形態に係る水素製造装置100は、供給されたガスから不純物を分離して精製し製品ガスとするとともに不純物を含有するオフガスを排出する水素分離部20(ガス精製部)と、水素分離部20から排出されたオフガスを貯留するオフガスタンク21と、オフガスタンク21に貯留されたオフガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池FCと、オフガスタンク21から燃料電池FCへオフガスを供給するオフガス供給制御部34とを有し、オフガス供給制御部34は、水素分離部20からオフガスタンク21へ送られるオフガスの流量に基づいて燃料電池FCへのオフガスの供給量を変更する。そしてオフガス供給制御部34は、水素分離部20からオフガスタンク21へ送られるオフガスの流量が予め設定された閾値を超えた場合にオフガスタンク21から燃料電池FCへのオフガスの供給量を増加させる。
<第3実施形態>
第3実施形態に係る水素製造装置100は、第1実施形態と同様の構成を有し、水素分離部20で行われている製品ガスの精製に関する工程情報に基づいて、燃料電池FCへのオフガスの供給量が制御される。具体的には、吸着塔20a、20b、20cのいずれかで減圧工程が開始すると、水素分離部制御部32がオフガス供給制御部34に対し、減圧工程が開始した旨の工程情報を送る。当該工程情報を受けたオフガス供給制御部34は、バルブV14を開弁して、オフガスタンク21から燃料電池FCへオフガスを供給する。そして予め設定された時間Tの経過後、オフガス供給制御部34はバルブV14を閉弁して、燃料電池FCへのオフガスの供給を停止する。
第3実施形態に係る水素製造装置100は、第1実施形態と同様の構成を有し、水素分離部20で行われている製品ガスの精製に関する工程情報に基づいて、燃料電池FCへのオフガスの供給量が制御される。具体的には、吸着塔20a、20b、20cのいずれかで減圧工程が開始すると、水素分離部制御部32がオフガス供給制御部34に対し、減圧工程が開始した旨の工程情報を送る。当該工程情報を受けたオフガス供給制御部34は、バルブV14を開弁して、オフガスタンク21から燃料電池FCへオフガスを供給する。そして予め設定された時間Tの経過後、オフガス供給制御部34はバルブV14を閉弁して、燃料電池FCへのオフガスの供給を停止する。
図5は、第3実施形態に係る水素製造装置100で行われる燃料電池FCへのオフガス供給動作の一例を示したものである。図3と同様に、オフガス供給動作を行わない場合におけるオフガスタンク21内のオフガスの圧力推移がグラフ中に細線で示されている。時刻t1において吸着塔で減圧工程が開始し、吸着塔からオフガスタンク21へオフガスが供給されて、オフガスタンク21内のオフガスの圧力pが上昇し、高い圧力のピークが生じている。
これに対して本実施形態に係るオフガス供給動作を行った場合(太線)、時刻t1において吸着塔で減圧工程が開始すると、燃料電池FCへのオフガスの供給が開始してオフガスタンク21内からオフガスが流出する。これによって、オフガス供給動作を行わない場合(細線)に比べ、オフガス圧力の上昇が抑制される。そして時間Tが経過した後の時刻t2に、バルブV14が閉弁されて燃料電池FCへのオフガスの供給が停止すると、オフガスの圧力は再び上昇する。以降、時刻t3,t5,t7,t9にて同様の動作が繰り返される。
これに対して本実施形態に係るオフガス供給動作を行った場合(太線)、時刻t1において吸着塔で減圧工程が開始すると、燃料電池FCへのオフガスの供給が開始してオフガスタンク21内からオフガスが流出する。これによって、オフガス供給動作を行わない場合(細線)に比べ、オフガス圧力の上昇が抑制される。そして時間Tが経過した後の時刻t2に、バルブV14が閉弁されて燃料電池FCへのオフガスの供給が停止すると、オフガスの圧力は再び上昇する。以降、時刻t3,t5,t7,t9にて同様の動作が繰り返される。
以上述べた通り、第3実施形態に係る水素製造装置100は、供給されたガスから不純物を分離して精製し製品ガスとするとともに不純物を含有するオフガスを排出する水素分離部20(ガス精製部)と、水素分離部20から排出されたオフガスを貯留するオフガスタンク21と、オフガスタンク21に貯留されたオフガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池FCと、オフガスタンク21から燃料電池FCへオフガスを供給するオフガス供給制御部34とを有し、オフガス供給制御部34は、水素分離部20で行われている製品ガスの精製に関する工程情報のうち少なくとも一つに基づいて燃料電池FCへのオフガスの供給量を変更する。そして水素分離部20は、供給されたガスから不純物を吸着剤に吸着させて製品水素(製品ガス)を精製する吸着塔20a、20b、20cを有し、吸着塔からオフガスを排出してオフガスタンク21へ送る減圧工程(オフガス排出工程)を行うものであって、オフガス供給制御部34は、ガス精製部にて減圧工程が開始した旨の工程情報を受けた場合にオフガスタンク21から燃料電池FCへのオフガスの供給量を増加させる。
<別実施形態>
(1)上述の実施形態では、オフガスタンク21から流通路L17、L18を通じてオフガスを燃料電池FCに供給したが、オフガスタンク21からバーナ装置14にオフガスを供給する流通路L8の途中で流通路を分岐し、燃料電池FCにオフガスを供給するように構成してもよい。
(1)上述の実施形態では、オフガスタンク21から流通路L17、L18を通じてオフガスを燃料電池FCに供給したが、オフガスタンク21からバーナ装置14にオフガスを供給する流通路L8の途中で流通路を分岐し、燃料電池FCにオフガスを供給するように構成してもよい。
(2)上述の実施形態のオフガス供給動作では、バルブV14を開弁して燃料電池FCへのオフガスの供給を開始、すなわちオフガスの供給量をゼロから所定の量へと変更(増加)させていた。これを、ゼロでない所定の第1流量から第1流量よりも大きい第2流量へと変更(増加)するように構成してもよい。
(3)上述の第3実施形態では、減圧工程が開始した旨の工程情報を受けてオフガス供給制御部34がバルブV14を開弁した後、時間Tの経過後にバルブV14を閉弁して燃料電池FCへのオフガスの供給を停止していた。バルブV14の開弁を、減圧工程が開始してから所定時間経過後に行うよう構成してもよいし、減圧工程と同様にオフガスが発生する洗浄工程が開始した際に行うよう構成してもよい。またバルブV14の閉弁を、減圧工程が終了した旨の工程情報を受けた際に行うように構成してもよいし、減圧工程の次の工程である洗浄工程が開始した旨の工程情報を受けた際に行うように構成してもよい。
なお、上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
20 :水素分離部(ガス精製部)
21 :オフガスタンク
34 :オフガス供給制御部
100 :水素製造装置(ガス製造装置)
FC :燃料電池
21 :オフガスタンク
34 :オフガス供給制御部
100 :水素製造装置(ガス製造装置)
FC :燃料電池
Claims (4)
- 供給されたガスから不純物を分離して精製し製品ガスとするとともに前記不純物を含有するオフガスを排出するガス精製部と、前記ガス精製部から排出された前記オフガスを貯留するオフガスタンクと、前記オフガスタンクに貯留された前記オフガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池と、前記オフガスタンクから前記燃料電池へ前記オフガスを供給するオフガス供給制御部とを有し、
前記オフガス供給制御部は、前記オフガスタンクに貯留された前記オフガスの圧力、前記ガス精製部から前記オフガスタンクへ送られる前記オフガスの流量、前記ガス精製部で行われている製品ガスの精製に関する工程情報のうち少なくとも一つに基づいて前記燃料電池への前記オフガスの供給量を変更するガス製造装置。 - 前記オフガス供給制御部は、前記オフガスタンクに貯留された前記オフガスの圧力が予め設定された閾値を超えた場合に前記オフガスタンクから前記燃料電池への前記オフガスの供給量を増加させる請求項1に記載のガス製造装置。
- 前記オフガス供給制御部は、前記ガス精製部から前記オフガスタンクへ送られる前記オフガスの流量が予め設定された閾値を超えた場合に前記オフガスタンクから前記燃料電池への前記オフガスの供給量を増加させる請求項1または2に記載のガス製造装置。
- 前記ガス精製部は、供給されたガスから前記不純物を吸着剤に吸着させて精製し製品ガスとする吸着塔を有し、前記吸着塔から前記オフガスを排出して前記オフガスタンクへ送るオフガス排出工程を行うものであって、
前記オフガス供給制御部は、前記ガス精製部にて前記オフガス排出工程が開始した旨の前記工程情報を受けた場合に前記オフガスタンクから前記燃料電池への前記オフガスの供給量を増加させる請求項1〜3のいずれか1項に記載のガス製造装置。
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WO2020100453A1 (ja) * | 2018-11-12 | 2020-05-22 | 東京瓦斯株式会社 | 水素製造装置 |
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- 2015-03-25 JP JP2015062696A patent/JP2016184456A/ja active Pending
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