JP3963710B2 - Ｌｐガス用水素含有ガス生成装置及び燃料電池システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＰガスが供給されるＬＰガス受入部と、改質処理部加熱手段により加熱されて、ＬＰガスを水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部と、
前記ＬＰガスの流量を計測するＬＰガス流量計測手段と、
前記ＬＰガス流量計測手段で計測される前記ＬＰガスの流量に基づいて、前記改質処理部の運転条件を設定する運転条件設定手段を備えたＬＰガス用水素含有ガス生成装置、及びそれを備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような水素含有ガス生成装置は、原燃料ガスを水蒸気により水素ガスと一酸化炭素ガスを含む改質処理ガスに改質処理する改質処理部を備え、さらに、その改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理する変成処理部や、その変成処理ガス中の一酸化炭素を選択酸化することにより選択酸化処理する一酸化炭素選択酸化処理部等を備えて構成され、一酸化炭素濃度の低い（例えば１０ｐｐｍ以下）水素リッチな水素含有ガスを生成するものであり、このように生成された水素含有ガスは、例えば、燃料電池における発電反応用の燃料ガスとして用いられる。
【０００３】
また、このような水素含有ガス生成装置には、改質処理部へ供給される原燃料ガスの体積流量を計測する体積流量計や、改質処理部加熱手段としての燃焼器に供給される燃料ガスの体積流量を計測する体積流量計と、夫々の体積流量計の計測結果に基づいて、改質処理部における運転条件を設定する運転条件設定手段として機能する制御部等が設けられることがある。
【０００４】
即ち、この制御部は、例えば燃料電池の電力出力を電力負荷に追従させるように、前記改質処理部に供給する原燃料ガスの流量を調整し、さらに、その改質処理部に供給される原燃料ガスの体積流量を一般的な体積流量計により計測し、その体積流量計の計測結果に基づいて、水蒸気生成部へ供給される水の流量を設定して、改質処理部へ供給される水蒸気の流量を前記運転条件として適切なものに設定することがある。
また、改質処理部を改質処理部加熱手段としての燃焼器で加熱して適切な改質処理温度に維持するために、燃焼器へ供給する燃料ガスの体積流量を調整し、さらに、その燃焼器に供給される燃料ガスの体積流量を一般的な体積流量計により計測し、その体積流量計の計測結果に基づいて、燃焼器へ供給される燃焼用空気の流量を前記運転条件として適切なものに設定することがある。
【０００５】
一方、このような燃料電池システムを車輌上若しくは原燃料ガスの供給導管が到達していない僻地等で使用する場合などにおいて、水素含有ガス生成装置を、改質処理部へ供給する原燃料ガス及び燃焼器へ供給する燃料ガスとしてＬＰガスボンベ等に加圧液化されて貯留されるＬＰガス（ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｇａｓ）を用いるＬＰガス用水素含有ガス生成装置として構成することがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このようなＬＰガスは、石油精製などにおいて生成するプロパン及びブタン等の低分子炭化水素ガスを主成分とするものであり、夫々のガス成分の割合が変化する場合がある。特に、ＬＰガスボンベ内のＬＰガスの残量の減少に伴ってプロパン及びブタンの割合は変化し、具体的には、ＬＰボンベガス使用初期においては、沸点の低いプロパンが殆ど（９５％）であるが、ＬＰガスボンベの残量が少なくなると、ブタンの割合が半分近くまで占め、特にイソブタンの割合が非常に高くなる。
【０００７】
そして、ＬＰガスを原燃料ガスとしてＬＰガス用水素含有ガス生成装置に供給する燃料電池システムにおいて、ＬＰガス中のプロパン及びブタンの割合が変化し、さらに、従来の技術の欄で説明したように、制御部が体積流量計により計測したＬＰガスの体積流量に基づいて、各種運転条件の設定を行なう場合には、下記の表１に示すように、ＬＰガス中に含まれるプロパンとイソブタンとの単位体積当たりの炭素量及び発熱量等が異なることから、改質処理部に供給されるＬＰガスの炭素量及び発熱量が変化することになり、改質処理部の運転条件の設定が極めて困難となる。
例えば、改質処理部に供給される水蒸気の流量は、改質処理部におけるスチーム・カーボン比を一定にする必要があることから、ＬＰガス流の炭素量の変化に追従させるように設定する必要があり、同様に、燃焼器に供給される燃焼用空気の流量は、燃焼器における空燃比をその燃料ガスの組成にあったものにする必要があることから、ＬＰガスの組成の変化に追従させるように設定する必要があり、そのような制御機構は極めて複雑且つ高価となり問題である。
また、ＬＰガスの発熱量が変化すると、改質処理部を加熱するための燃焼器へ供給するＬＰガスの体積流量を一定にしていても、燃焼器の燃焼量が変化し、結果、改質処理部の温度が変化することがある。
【０００８】
【表１】

【０００９】
また、このような問題を回避するためには、原燃料ガスの組成が変化しないように、原燃料ガスとして用いるＬＰガスを高度精製したものに限定したり、ＬＰガスの組成が大幅に不安定となる前にＬＰガスボンベを新品に交換することが考えられるが、何れの方法においても原燃料費が高くなるという問題がある。
【００１０】
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、ＬＰガスボンベ等から得ることができるＬＰガスを原燃料ガスとして用いるＬＰガス用水素含有ガス生成装置において、ＬＰガスの組成が変化した場合においても、簡単な構成で適切に出力制御等を行なうことができ、良好な運転状態を維持することができる技術を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
〔構成１〕
本発明に係るＬＰガス用水素含有ガス生成装置は、請求項１に記載したごとく、ＬＰガスが供給されるＬＰガス受入部と、改質処理部加熱手段により加熱されて、前記ＬＰガスを水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部と、
質量流量計により前記ＬＰガスの流量を計測するＬＰガス流量計測手段と、
前記ＬＰガス流量計測手段で計測される前記ＬＰガスの流量に基づいて、前記改質処理部の運転条件を設定する運転条件設定手段を備えたＬＰガス用水素含有ガス生成装置において、
前記ＬＰガス流量計測手段が、前記ＬＰガス受入部から前記改質処理部へ供給される前記ＬＰガスの質量流量を計測する改質用ＬＰガス質量流量計であり、
前記運転条件設定手段が、前記改質用ＬＰガス質量流量計で計測される前記ＬＰガスの質量流量に基づいて、前記改質処理部に供給する前記水蒸気の流量を前記運転条件として設定する手段であることを特徴とする。
【００１２】
〔作用効果〕
本構成のＬＰガス用水素含有ガス生成装置によれば、改質処理部の運転条件設定のためのＬＰガス流量計測手段を、ガスの質量流量に比例する量を検出する方式の直接形質量流量計、又はガスの体積流量と密度とを検出して質量流量を測定する方式の間接形質量流量計で構成することで、この質量流量計で計測されるＬＰガスの質量流量は、下記の表２に示すように、ＬＰガスの炭素量及び発熱量にほぼ比例するものとなるので、その計測された質量流量に基づいて、ＬＰガス用水素含有ガス生成装置の運転条件を、供給されるＬＰガスの炭素量及び発熱量に適した値に設定することができ、ＬＰガス用水素含有ガス生成装置の運転状態を好ましいものに維持することができる。
【００１３】
【表２】

【００１４】
さらに、本構成のＬＰガス用水素含有ガス生成装置によれば、改質処理部へ供給されるＬＰガスの質量流量を改質用ＬＰガス質量流量計により計測し、運転条件設定手段により、その炭素量にほぼ比例するＬＰガスの質量流量に従って、改質処理部へ供給するＬＰガスの炭素量に追従させてスチーム・カーボン比を一定にする必要がある改質処理部へ供給する水蒸気の流量を、運転条件として適切且つ簡単に設定することができる。
【００１５】
〔構成２〕
本発明に係るＬＰガス用水素含有ガス生成装置は、請求項２に記載したごとく、上記構成１のＬＰガス用水素含有ガス生成装置の構成に加えて、前記改質処理部加熱手段が、前記ＬＰガス受入部から供給されたＬＰガスを燃焼用空気により燃焼させる燃焼器で構成され、
前記ＬＰガス流量計測手段が、前記ＬＰガス受入部から前記燃焼器へ供給される前記ＬＰガスの質量流量を計測する燃焼用ＬＰガス質量流量計であり、
前記運転条件設定手段が、前記燃焼用ＬＰガス質量流量計で計測される前記ＬＰガスの質量流量に基づいて、前記燃焼器に供給する前記燃焼用空気の流量をも前記運転条件として設定する手段であることを特徴とする。
【００１６】
〔作用効果〕
本構成のＬＰガス用水素含有ガス生成装置によれば、改質処理部加熱手段としての燃焼器へ供給されるＬＰガスの質量流量を燃焼用ＬＰガス質量流量計により計測し、運転条件設定手段により、その炭素量及び発熱量にほぼ比例するＬＰガスの質量流量に従って、燃焼器における空燃比をその燃料ガスの組成にあったものにするように、燃焼器へ供給する燃焼用空気の流量を、運転条件として適切且つ簡単に設定することができる。
【００１７】
〔構成３〕
ＬＰガスが供給されるＬＰガス受入部と、改質処理部加熱手段により加熱されて、前記ＬＰガスを水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部と、
質量流量計により前記ＬＰガスの流量を計測するＬＰガス流量計測手段と、
前記ＬＰガス流量計測手段で計測される前記ＬＰガスの流量に基づいて、前記改質処理部の運転条件を設定する運転条件設定手段を備えたＬＰガス用水素含有ガス生成装置において、
前記改質処理部加熱手段が、前記ＬＰガス受入部から供給されたＬＰガスを燃焼用空気により燃焼させる燃焼器で構成され、
前記ＬＰガス流量計測手段が、前記ＬＰガス受入部から前記燃焼器へ供給される前記Ｌ Ｐガスの質量流量を計測する燃焼用ＬＰガス質量流量計であり、
前記運転条件設定手段が、前記燃焼用ＬＰガス質量流量計で計測される前記ＬＰガスの質量流量に基づいて、前記燃焼器に供給する前記燃焼用空気の流量を前記運転条件として設定する手段であることを特徴とする。
【００１８】
〔作用効果〕
本構成のＬＰガス用水素含有ガス生成装置によれば、改質処理部加熱手段としての燃焼器へ供給されるＬＰガスの質量流量を燃焼用ＬＰガス質量流量計により計測し、運転条件設定手段により、その炭素量及び発熱量にほぼ比例するＬＰガスの質量流量に従って、燃焼器における空燃比をその燃料ガスの組成にあったものにするように、燃焼器へ供給する燃焼用空気の流量を、運転条件として適切且つ簡単に設定することができる。
【００１９】
〔構成４〕
本発明に係るＬＰガス用水素含有ガス生成装置は、請求項４に記載したごとく、上記構成１から３何れかに記載のＬＰガス用水素含有ガス生成装置の構成に加えて、前記質量流量計が熱式質量流量計として構成されていることを特徴とする。
【００２０】
〔作用効果〕
本構成のＬＰガス用水素含有ガス生成装置によれば、質量流量計として、安価且つ簡単に構成することができる熱式質量流量計を用いることができる。
また、一般的に熱式質量流量計は、ガスの流れの中に加熱電熱線を設け、さらにその上流側及び下流側に温度検知器を設けて、加熱伝熱線を通過するガスが加熱されることによって生じる温度変化を測定することによって質量流量を求める方式である。よって、このような熱式質量流量計で混合ガスの質量流量を計測する場合、混合ガスの組成が変わることで比熱が変化すると、計測結果が変化するのであるが、ＬＰガス中のプロパンとイソブタンとは、同族炭化水素（アルカン）で炭素数の差が１つだけなので、単位質量あたりの比熱（質量平均比熱）の差は、下記の表３に示すように、僅か０．６％程度であり、単位体積あたりの比熱（体積平均比熱）よりもその差が小さい。よって、このようなプロパンとイソブタンとを主に含むＬＰガスは、組成が変化しても比熱は殆ど変化しないので、熱式質量流量計により良好に質量流量を計測することができる。
【００２１】
【表３】

【００２２】
〔構成５〕
本発明に係るＬＰガス用水素含有ガス生成装置は、請求項５に記載したごとく、上記構成１から４の何れかに記載のＬＰガス用水素含有ガス生成装置の構成に加えて、前記ＬＰガス受入部が、ＬＰガスボンベに加圧液化されて貯留されているＬＰガスが、前記ＬＰガスボンベから受け入れるように構成されていることを特徴とする。
【００２３】
〔作用効果〕
本構成のＬＰガス用水素含有ガス生成装置によれば、残量によってＬＰガス中のプロパン及びブタンの割合が大幅に変化することがあるＬＰガスボンベからＬＰガス受入部にＬＰガスが供給される場合でも、改質処理部へ供給されるＬＰガスの質量流量を計測して、夫々の運転条件を適切なものに簡単に設定することができ、ＬＰガスボンベの残量に関わらずＬＰガス用水素含有ガス生成装置の運転状態を好ましいものに維持することができる。
【００２４】
〔構成６〕
本発明に係る燃料電池システムは、請求項６に記載したごとく、上記構成１から５の何れかに記載のＬＰガス用水素含有ガス生成装置と、前記ＬＰガス用水素含有ガス生成装置から前記水素含有ガスが供給され発電を行なう燃料電池を備えたことを特徴とする。
【００２５】
〔作用効果〕
本構成の燃料電池システムは、前述のように、ＬＰガスの組成が変化しても、ＬＰガス用水素含有ガス生成装置の運転条件をＬＰガスの炭素量及び発熱量に適した値に容易に設定することができるので、例えばＬＰガス用水素含有ガス生成装置の処理量を燃料電池の電力負荷等に対して安定して追従するように制御することができ、燃料電池システムの運転状態を好ましいものに維持することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明に係るＬＰガス用水素含有ガス生成装置（以下、本生成装置と呼ぶ。）の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１に示す本生成装置Ｐは、燃料電池システム１００に設けられ、ＬＰガスボンベ４０から受入部４１（ＬＰガス受入部の一例）にＬＰガスボンベ４０内に加圧液化されて貯留されているＬＰガスが原燃料ガスとして供給され、そのＬＰガスを水蒸気を用いて改質処理して、ＣＯ濃度の低い（例えば１０ｐｐｍ以下）水素リッチな水素含有ガスを生成するように構成されており、このように生成された水素含有ガスが、燃料電池Ｇの燃料極１０に供給される。
一方、燃料電池Ｇは、詳細な説明は省略するが、高分子膜を電解質１１とする固体高分子型であり、本生成装置Ｐから燃料極１０に供給される水素含有ガス中の水素と、ブロア７から酸素極１２に供給される反応用空気中の酸素との電気化学反応により発電するように構成してある。
【００２７】
詳しくは、本生成装置Ｐは、受入部４１から流路２７を介して供給されたＬＰガスを脱硫処理する脱硫器１と、供給された水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成器６と、改質器加熱手段としての燃焼器２ａにて加熱されて、脱硫器１から供給される脱硫原燃料ガスを水蒸気生成器６で生成された水蒸気を用いてＨ₂とＣＯを含むガスに改質処理する改質器２（改質処理部の一例）と、改質器２から供給される改質処理ガス中のＣＯを水蒸気を用いてＣＯ₂に変成させることにより変成処理するＣＯ変成器３と、そのＣＯ変成器３から供給される変成処理ガス中のＣＯを選択酸化することにより選択酸化処理するＣＯ選択酸化反応器４と、水素含有ガス生成装置の運転条件等の制御を行なう制御部３０等を備えて構成されている。
【００２８】
また、脱硫器１に供給されるＬＰガスが流通する流路２７には、流路２７を流通するＬＰガスの質量流量を計測する熱式質量流量計２４（改質用ＬＰガス質量流量計の一例）と、流路２７を流通するＬＰガスの流量を調整可能な調整弁２１とが設けられており、調整弁２１は、制御部３０により燃料電池Ｇの電力出力が電力負荷に追従するように調整される。
熱式質量流量計２４で計測されるＬＰガスの質量流量は、ＬＰガスボンベの残量の減少に伴って脱硫器１等に供給されるＬＰガス中のプロパン及びブタンの成分割合が変化しても、前記成分割合に関わらずＬＰガスの炭素量及び発熱量にほぼ一定の比例定数で比例するものとなる。
【００２９】
さらに、水蒸気生成装置６は、流路２９から原料水が供給され、その流路２９には、流路２９を流通する水の流量を計測する流量計２６と、流路２９を流通する水の流量を調整可能な調整弁２３とが設けられている。
そして、制御部３０に構成された運転条件設定手段３１は、本生成装置Ｐの処理量、即ち熱式質量流量計２４で計測されるＬＰガスの質量流量に基づいて、改質器２に供給する水蒸気流量を改質器２の運転条件として設定するべく、流量計２６で水の流量を計測しながら調整弁２３を働かせて、水蒸気生成装置６の処理量、即ち水蒸気生成装置６に供給する水の流量を設定する。
結果、改質器２に供給される水蒸気流量は、熱式質量流量計２４のＬＰガスの炭素量にほぼ比例する計測結果に基づいて設定されるので、改質器２に供給する水蒸気量を改質器２におけるスチーム・カーボン比が所定の値になるような好ましいものに維持することができる。
【００３０】
さらに、改質器２に設けられている燃焼器２ａは、燃料電池Ｇの燃料極１０から排出されるオフガス（水素が残留しているガス）と、受入部４１から流路２８を介して供給されたＬＰガスとが燃料として供給され、その燃料をブロア７から供給される燃焼用空気を用いて燃焼させて、改質器２を加熱するように構成されている。
そして、燃焼器２ａに供給されるＬＰガスが流通する流路２８には、流路２８を流通するＬＰガスの質量流量を計測する熱式質量流量計２５（燃焼用ＬＰガス質量流量計の一例）と、流路２８を流通するＬＰガスの流量を調整可能な調整弁２２とが設けられている。
この熱式質量流量計２５で計測されるＬＰガスの質量流量も、ＬＰガスボンベの残量の減少に伴って脱硫器１等に供給されるＬＰガス中のプロパン及びブタンの成分割合が変化しても、前記成分割合に関わらずＬＰガスの炭素量及び発熱量にほぼ一定の比例定数で比例するものとなる。
そして、制御部３０に構成された運転条件設定手段３１は、例えば、本生成装置Ｐの処理量、即ち、熱式質量流量計２４で計測されるＬＰガスの質量流量に基づいて、改質器２の加熱量、即ち燃焼器２ａの燃焼量を決定して、燃焼器２ａにオフガス以外に補充する必要があるＬＰガスの質量流量を運転条件として設定し、さらに、熱式質量流量計２５で計測される燃焼器２ａへのＬＰガスの質量流量に基づいて、燃焼器２ａに燃焼用空気を供給するためのファン７の出力を調整して、燃焼器２ａに供給する燃焼用空気の流量を運転条件として設定する。
結果、燃焼器２ａに供給される燃焼用空気の流量は、熱式質量流量計２５のＬＰガスの組成の変化に追従する計測結果に基づいて設定されるので、燃焼器における空燃比をそのＬＰガスの組成にあった好ましいものとすることができ、さらに、燃焼器２ａに供給されるＬＰガスは質量流量が設定されるので、ＬＰガスの組成の変化により燃焼器２ａの燃焼量が変化することを抑制することができる。
【００３１】
上記実施の形態で、質量流量計として比較的安価な熱式質量流量計を使用したが、別に、他の質量流量計、例えば、差圧式質量流量計等の直接形質量流量計や、体積流量計と密時計とを組み合わせた間接形質量流量計等を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 燃料電池システムの概略構成図
【符号の説明】
１ 脱硫器
２ 改質器（改質処理部）
２ａ 燃焼器（改質処理部加熱手段）
３ ＣＯ変成器
４ ＣＯ選択酸化反応器
１０ 燃料極
２１ 調整弁
２２ 調整弁
２３ 調整弁
２４ 熱式質量流量計（改質用ＬＰガス質量流量計）
２５ 熱式質量流量計（燃焼用ＬＰガス質量流量計）
２６ 流量計
３１ 運転条件設定手段
４０ ＬＰガスボンベ
４１ 受入部（ＬＰガス受入部）
１００ 燃料電池システム
Ｐ 水蒸気生成装置
Ｇ 燃料電池

Claims (6)

1. ＬＰガスが供給されるＬＰガス受入部と、改質処理部加熱手段により加熱されて、前記ＬＰガスを水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部と、
   質量流量計により前記ＬＰガスの流量を計測するＬＰガス流量計測手段と、
   前記ＬＰガス流量計測手段で計測される前記ＬＰガスの流量に基づいて、前記改質処理部の運転条件を設定する運転条件設定手段を備えたＬＰガス用水素含有ガス生成装置において、
   前記ＬＰガス流量計測手段が、前記ＬＰガス受入部から前記改質処理部へ供給される前記ＬＰガスの質量流量を計測する改質用ＬＰガス質量流量計であり、
   前記運転条件設定手段が、前記改質用ＬＰガス質量流量計で計測される前記ＬＰガスの質量流量に基づいて、前記改質処理部に供給する前記水蒸気の流量を前記運転条件として設定する手段であるＬＰガス用水素含有ガス生成装置。
2. 前記改質処理部加熱手段が、前記ＬＰガス受入部から供給されたＬＰガスを燃焼用空気により燃焼させる燃焼器で構成され、
   前記ＬＰガス流量計測手段が、前記ＬＰガス受入部から前記燃焼器へ供給される前記ＬＰガスの質量流量を計測する燃焼用ＬＰガス質量流量計であり、
   前記運転条件設定手段が、前記燃焼用ＬＰガス質量流量計で計測される前記ＬＰガスの質量流量に基づいて、前記燃焼器に供給する前記燃焼用空気の流量をも前記運転条件として設定する手段である請求項１に記載のＬＰガス用水素含有ガス生成装置。
3. ＬＰガスが供給されるＬＰガス受入部と、改質処理部加熱手段により加熱されて、前記ＬＰガスを水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部と、
   質量流量計により前記ＬＰガスの流量を計測するＬＰガス流量計測手段と、
   前記ＬＰガス流量計測手段で計測される前記ＬＰガスの流量に基づいて、前記改質処理部の運転条件を設定する運転条件設定手段を備えたＬＰガス用水素含有ガス生成装置において、
   前記改質処理部加熱手段が、前記ＬＰガス受入部から供給されたＬＰガスを燃焼用空気により燃焼させる燃焼器で構成され、
   前記ＬＰガス流量計測手段が、前記ＬＰガス受入部から前記燃焼器へ供給される前記ＬＰガスの質量流量を計測する燃焼用ＬＰガス質量流量計であり、
   前記運転条件設定手段が、前記燃焼用ＬＰガス質量流量計で計測される前記ＬＰガスの質量流量に基づいて、前記燃焼器に供給する前記燃焼用空気の流量を前記運転条件として設定する手段であるＬＰガス用水素含有ガス生成装置。
4. 前記質量流量計が熱式質量流量計として構成されている請求項１から３の何れか１項に記載のＬＰガス用水素含有ガス生成装置。
5. 前記ＬＰガス受入部が、ＬＰガスボンベに加圧液化されて貯留されているＬＰガスが、前記ＬＰガスボンベから受け入れるように構成されている請求項１から４の何れか１項に記載のＬＰガス用水素含有ガス生成装置。
6. 請求項１から５の何れか１項に記載のＬＰガス用水素含有ガス生成装置と、前記ＬＰガス用水素含有ガス生成装置から前記水素含有ガスが供給され発電を行なう燃料電池を備えた燃料電池システム。

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