JP4792198B2

JP4792198B2 - 液化石油ガスの供給方法および装置ならびに液化石油ガス貯蔵手段の交換方法

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Publication number: JP4792198B2
Application number: JP2003330009A
Authority: JP
Inventors: 浅治森井; 智相澤; 健卜部; 隆夫渡邊; 裕二田中; 一男橋本
Original assignee: JX Nippon Oil and Energy Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 2003-09-22
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2023-09-22
Also published as: JP2005098318A

Description

本発明は、液化石油ガス（ＬＰＧ）のボンベ等の貯蔵手段を交換する交換方法に関する。また、ＬＰＧ貯蔵手段を交換しながらＬＰＧを供給するためのＬＰＧ供給装置および方法に関する。さらに、ＬＰＧを原燃料とする燃料電池システムに関する。

燃料電池システムはエネルギー利用効率の良い発電システムあるいはコージェネレーションシステムとして開発が活発化している。

燃料電池は水素と酸素との電気化学的な反応により発電するシステムであるたる。水素供給方法の一つとして、液化石油ガス（ＬＰＧ）を改質し、水素を含有するガスである改質ガスを得る方法があり、この方法はＬＰＧの供給システムがすでに社会的に整備されている点で、純水素を用いる方法などより有利である。

ＬＰＧを原燃料とした燃料電池システムでは、例えば、改質装置でＬＰＧを水と反応させ主に一酸化炭素と水素に分解し、続いてシフト反応器で大部分の一酸化炭素を水と反応させ水素と二酸化炭素に転換し、最後に選択酸化反応器において微量の残存一酸化炭素を酸素と反応させ二酸化炭素にすることが行われる。

ＬＰＧにはもともと若干の硫黄分が含まれ、さらに着臭剤にも硫黄分が含まれる。硫黄分は改質装置の改質性能を劣化させるため、改質装置より上流で脱硫器にて硫黄分を除去することも行われる。

さて、一般にＬＰＧを家庭で連続使用するためには、５０ｋｇボンベを２本用意し、一方のボンベの残量がわずかとなった時点で、他方のボンベに切り替えることが行われている。実際には、使用しているボンベの圧力が所定の圧力以下に下がった時点で、自動的にボンベ切替が行われる。

このボンベ切替のために、通例、非特許文献１第２４頁〜２５頁に記載されるような自動切替式調整器が用いられている。この自動切替式調整器は図４に示すように、二つの一体型切替部（自動切り替え機能と一次減圧機能とを兼ねた一次用調整器）１００ａおよびｂを備える。この切替部はそれぞれダイヤフラム１０１ａおよびｂとバネ１０２ａおよびｂを有する。ＬＰＧの圧力とバネによる力がダイヤフラムにかかるようになっており、使用中のボンベ側（紙面右側）では強制的に（機械的に）ロッド１０３により弁１０４ｂが開とされ、予備のボンベ側（紙面左側）では使用中のボンベから供給されるＬＰＧの圧力によりダイヤフラム１０１ａが紙面上方に押し上げられ、弁１０４ａは閉じている（図４（ａ））。使用中のボンベのＬＰＧ残量がわずかになると、調整器内のＬＰＧ圧力が低下してバネ１０２ａによりダイヤフラム１０１ａが紙面下方に押し下げられ、弁１０４ａが開き、予備のボンベからもＬＰＧが供給される（図４（ｂ））。

そして、ＬＰＧ供給者がロッド１０３ｂで強制的に弁（紙面右側）を開くのを止め、ロッド１０３ａで弁（紙面左側）を強制的に開き、ＬＰＧ残量がわずかとなったボンベを交換する（図４（ｃ））。

ＬＰＧ供給者は家庭等を巡回してＬＰＧボンベの残量を確認し、必要な場合にはボンベ交換を行っていた。
「液化石油ガス整備士講習テキスト」、高圧ガス保安協会編集発行、平成１３年３月８日平成１２年版改訂版

ボンベのＬＰＧ残量が少なくなるにつれ、ボンベから流出するＬＰＧに含まれる硫黄分が急増する傾向がある。図１に、発明者らによる実測値に基づく、家庭用５０ｋｇＬＰＧボンベ内のＬＰＧの消費量（０％はボンベが満液状態にあることを意味し、１００％はＬＰＧ残量がゼロであることを意味する）と、ボンベから流出するＬＰＧに含まれる硫黄濃度との相関の一例を示す。２〜３質量ｐｐｍであった硫黄濃度が、ボンベが空に近くなってくると急激に上昇し６０質量ｐｐｍ程度に達している。

一方、ボンベ内にＬＰＧが液状で残っている間はボンベ内圧力はほぼ一定であり、ボンベ内に液相がほとんどなくなってほぼ気相のみになった時点からボンベ内圧力が急に低下する。つまり、従来行われていた圧力を利用した切替方法では、消費量がほぼ１００％になった時点で切替が行われる。従って、ボンベが切り替わる直前においては、ボンベから放出されるＬＰＧには比較的高濃度の硫黄が含まれていた。

ボンベから放出されるＬＰＧを、ガスコンロなどの機器で使用する場合は、例えば６０質量ｐｐｍ程度の硫黄濃度であっても問題なく使用できるが、燃料電池システムにこのような高硫黄濃度のＬＰＧが供給されると、脱硫器の許容範囲を超え、改質器や燃料電池の性能低下を招く場合がある。

本発明の目的は、ＬＰＧ貯蔵手段からＬＰＧを供給する際に高濃度の硫黄を含むＬＰＧが流出することを防止することであり、これを可能とするＬＰＧ供給方法を提供することである。

本発明の別の目的は、ＬＰＧを原燃料とする燃料電池システムに高濃度の硫黄を含むＬＰＧが流入することを防止することであり、これを可能とする燃料電池システムへのＬＰＧ供給方法を提供することである。

本発明により、第１の系統および第２の系統を有する交換可能な液化石油ガス貯蔵手段から液化石油ガスを供給する方法において、
第１系統および第２系統の貯蔵手段のうちの一方の貯蔵手段からは液化石油ガスを供給せずに他方の貯蔵手段から液化石油ガスを供給し、この際供給する液化石油ガスの積算流量を計測する工程；
該積算流量が所定値以上となったときに信号を発信する工程、ただし該所定値は、該他方の貯蔵手段の液化石油ガス消費量が９５％以下となる値であり；
自動切替器を用い、該信号を受けて該一方の貯蔵手段からの液化石油ガス供給を自動的に開始し該他方の貯蔵手段からの液化石油ガス供給を自動的に停止することにより、液化石油ガスを供給する貯蔵手段を自動的に切り替える切替工程；および
該信号を受け、所定時間内に該他方の貯蔵手段を交換する工程、ただし、該所定時間が、一つの系統の貯蔵手段の液化石油ガス充填量の９５％以下の値を、想定される最大の液化石油ガス消費速度で除した値をもとに決定された時間である、
を有する液化石油ガスの供給方法が提供される。

本発明により、上記液化石油ガスの供給方法により燃料電池システムに液化石油ガスを供給することを特徴とする燃料電池システムへの液化石油ガス供給方法が提供される。

なお貯蔵手段からＬＰＧを供給すると言った場合、場合によっては利用機器側が停止しており、実際にはＬＰＧ供給装置から利用機器にＬＰＧが流れないこともあるが、このような場合であってもＬＰＧ貯蔵手段から利用機器側に通ずる流路が形成されていればＬＰＧを供給する状態に含めるものとする。

本発明によれば、硫黄濃度が高いＬＰＧが流出する前にＬＰＧ貯蔵手段を切り替えることができる。従って、ＬＰＧが供給される機器に、連続して硫黄濃度の低いＬＰＧを供給することができる。

また本発明によれば、ＬＰＧを原燃料とする燃料電池システムにおいて、硫黄による悪影響を避けつつ連続運転することが可能となる。

本発明は、上記効果を簡易で比較的安価な構成によって実現することができ、家庭用などの小規模な設備に好適である。

さらに、本発明によれば、ボンベ交換のタイミングがＬＰＧ供給者に通報されるため、ＬＰＧ供給者が巡回してボンベの残量を調べる必要が無くなる。

以下、燃料電池システムにＬＰＧを供給すること、図１に示したＬＰＧ消費量−硫黄濃度の関係が成り立つこと、また、硫黄濃度１０ｐｐｍ以上のＬＰＧが燃料電池システムに供給されると燃料電池システムに影響が出ることを想定して本発明の実施形態の例について図面を用いて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

例えば、ＬＰＧ利用装置が、ＬＰＧを改質して水素を製造する水素製造装置であってもよい。このような利用装置の一例として、水素を燃料とする自動車に水素を供給するための小規模な水素ステーションが挙げられる。

また図１は家庭用に一般的に用いられる５０ｋｇＬＰＧボンベについての実測値に基づく相関を示すものであり、図１に示される傾向は認められるとしても全ての場合に図１の相関が厳密に成り立つわけではない。しかし、想定される状況に応じてＬＰＧ消費量と流出硫黄濃度の相関は実験的に求めることができる。

さらに、許容される硫黄分レベルは１０ｐｐｍに限られるものではなく、ＬＰＧが供給される利用側の機器の仕様によって異なるものである。

〔第１の形態（参考形態）〕
図２にＬＰＧ供給装置の一形態を示す。この形態は参考用である。この設備は並列に接続された二つの系統のＬＰＧ貯蔵手段を有する。なお図中、各機器を結ぶ実線はＬＰＧ配管を示し、破線は信号経路を示す。信号経路は有線でも無線でも良い。

ＬＰＧ貯蔵手段としては、ＬＰＧボンベを初めとするＬＰＧ容器等、交換可能な公知の貯蔵手段を適宜利用することができる。本発明は、簡易で比較的安価な構成によって高硫黄濃度のＬＰＧの流出を防ぐことを可能とするため、貯蔵手段が５０ｋｇ以下のＬＰＧボンベであるような、家庭用などの小規模なシステムに特に好適に適用される。二つの系統のＬＰＧ貯蔵手段は、例えばそれぞれ１個ずつの容器であってもよく、あるいはそれぞれが複数の容器が接続された容器群であってもよい。

ここでは５０ｋｇのＬＰＧボンベを一系統に一つ採用している。５０ｋｇボンベ１ａおよび１ｂはそれぞれ逆止弁２ａおよび２ｂに接続され、二つの系統が合流されてマイコンメータ６に接続される。マイコンメータの出口からＬＰＧが燃料電池システムに供給される。

また必要に応じて減圧弁５が設けられる。必要であれば、減圧弁を複数設け、多段で減圧することもできる。

逆止弁、減圧弁は、ＬＰＧ供給設備に用いることのできる公知のものを適宜採用することができる。

マイコンメータ６は、積算流量計などの積算流量を計測する計測手段と、計測した積算流量と予め入力された所定値とを比較し、積算流量が所定値（Ｆ¹）以上となった場合に信号（Ｓ¹）を発する発信手段とを併せ持つ。このようなマイコンメータは公知のものを利用することができる。また、計測手段と発信手段があれば、マイコンメータが必要なわけではない。

伝送用コントローラ２１は、発信手段もしくはマイコンメータから上記信号Ｓ¹を受けた場合に、例えば電話回線を通じてＬＰＧ供給者に少なくとも固有の識別符号を通報する通報手段の一例である。伝送用コントローラも公知のものを適宜採用できる。

マイコンメータと伝送用コントローラが一体化されたコントローラ一体型マイコンメータを使用することもできる。このようなマイコンメータとしても公知のものを利用することができる。

ＬＰＧ供給会社などのＬＰＧ供給者は上記通報を受けるとボンベ交換作業を行う。ＬＰＧ供給装置に固有の識別符号が通報され、これをＬＰＧ供給者側のＬＰＧ供給管理システムを構成するコンピュータ７で受ける。ＬＰＧ供給者はＬＰＧ供給装置の設置場所、ボンベの種類、一系統あたりのボンベの数などの顧客データをデータベースなどの形で保有し、受信した識別符号と顧客データをコンピュータにより照合するなどして、交換すべきボンベの所在地と本数などを容易に知ることができる。また通報を受信した日時（通報自体に積算流量がＦ¹以上となったことを検知した日時を含めても良い）と所定時間Ｔ¹から、ボンベ交換をいつまでに行うべきかも分かる。これらの情報をもとに、ＬＰＧ供給者はボンベ交換の手配をし、満液状態のボンベを積載したトラック８がＬＰＧ供給設備の所在地に向かい、使用済みボンベと満液のボンベを交換する。

なおＬＰＧ供給者は、例えば、ＬＰＧの消費者もしくは利用者と契約を結んだＬＰＧ供給会社（その業務の少なくとも一部を代行する代行者も含まれる）である。

ここでは通常時（ボンベ１ａおよび１ｂの残量に余裕があるうち）は両ボンベから同時に燃料電池システムにＬＰＧを供給する。ボンベ交換に際しては、二つのボンベを時間差をもって交換する。まずボンベ１ａをＬＰＧ流出可能としたままボンベ１ｂの元弁を閉じて取り外して新たなボンベ１ｂを接続し元弁を開き、ボンベ１ｂ側をＬＰＧ流出可能とする。次いで、ボンベ１ｂ側はＬＰＧ流出可能としたままボンベ１ａの元弁を閉じて取り外して新たなボンベ１ａを接続し元弁を開き、ボンベ１ａ側をＬＰＧ流出可能とする。これで再び二つの系統ともＬＰＧ供給可能な状態となる。

このようなボンベ交換方法により、燃料電池システム側に連続してＬＰＧを供給することが可能となる。

上記所定の積算流量値Ｆ¹は、ＬＰＧが供給されるＬＰＧ利用機器の許容硫黄レベルとボンベ交換のための所定時間（Ｔ¹）に関係する。所定時間Ｔ¹は交換のための信号Ｓ¹が発せられてから交換作業が完了するまでに要する時間として設定される。

図１を用いて説明する。例えば、硫黄濃度１０ｐｐｍ以上のＬＰＧが利用機器に供給されると利用機器側に影響が出ることを想定すると、硫黄濃度１０ｐｐｍを与えるＬＰＧ消費量を求め（図１においては約９５％）、単位時間あたりのＬＰＧ消費量の最大値と交換のための所定時間Ｔ¹とから、所定時間Ｔ¹に消費されうる最大のＬＰＧ消費量を求める（仮にボンベ充填量の１０％とする）。このとき、ＬＰＧ消費量が８５％になった時点でボンベ交換の通報が発せられれば、硫黄濃度が１０ｐｐｍとなることを実質的に避けることができる。

新たなボンベに充填されているＬＰＧ量は既知なので、充填量（ボンベ２本分）の８５％に相当する量をマイコンメータ６に予めセットしておき、積算流量がその量になった時点で交換のための信号Ｓ¹を発するようにする。ボンベ交換作業完了時には、積算流量をリセットし、あらためて積算流量をカウントし始める。

また、万が一ボンベ交換の通報があったにもかかわらずボンベ交換がなされない場合を考慮するならば、積算流量がＬＰＧ消費量９５％に相当する量以上になった際にマイコンメータがインターロック信号を発し、燃料電池システムにこの信号を送り、燃料電池システムを停止させることも可能である。

ボンベ一本のＬＰＧ充填量をＶとし、交換のための信号を発する積算流量の所定値をＦ¹、インターロック信号を発する積算流量をＦ¹ _intとすると、ここではボンベ２本から同時にＬＰＧを供給するため、
Ｆ¹＝０．８５（２Ｖ）、
Ｆ¹ _int＝０．９５（２Ｖ）
と表すことができる。

〔第２の形態〕
図３に、別の形態のＬＰＧ供給設備を示す。この設備は自動切替器３０を有し、伝送機能付きコントローラ３１から自動切替器を制御することが可能となっている。また、前述の形態ではボンベ交換時以外は２系統のボンベから同時に燃料電池システムにＬＰＧを供給しているが、ここに示す形態では２つのボンベを交互に自動的に切替ながら燃料電池システムにＬＰＧを供給する。

伝送機能付コントローラは、発信手段もしくはマイコンメータからボンベ切替のための信号Ｓ²を受けた場合に、例えば電話回線を通じてＬＰＧ供給者に少なくとも固有の識別符号を通報する通報手段と、信号Ｓ²を受けた場合に各自動遮断弁を制御する信号を送る制御信号送信手段の機能を併せ持つ。伝送機能付きコントローラから送られる信号を受けて自動切替器に備わるアクチュエータが作動し、２つのボンベの開閉が切替わる。伝送機能付コントローラとしても公知のものを利用できる。

初期使用開始時はボンベ１ａ、１ｂともＬＰＧが満液状態であり、先ず自動切替器３０を１ａ側を開とし（１ｂ側は閉）ボンベ１ａのみＬＰＧ流出可能とし、ＬＰＧの使用を開始する。積算流量を監視し、積算流量が所定の値（Ｆ²）以上になった際に、マイコンメータ６が信号を発し、伝送機能付コントローラ３１を介して自動切替器３０の１ｂ側を開とする（１ａ側は閉）。同時に伝送機能付コントローラ３１からボンベ供給者に少なくとも固有の識別符号を通報する。またこの時点で積算流量をリセットして、新たにゼロから積算流量をカウントし始める。こうしてボンベ１ｂのみＬＰＧ流出可能とされる。

通報を受けたボンベ供給者は、所定の時間Ｔ²内にボンベ１ａを交換するが、この場合ボンベ１ｂが満液状態から残量わずかになるまでの間にボンベ１ａを交換すればよいので、第２の形態における交換のための所定時間Ｔ²は、第１の形態における交換のための所定時間Ｔ¹より長くすることが可能である。

また切替のための信号を発するタイミングを知るための所定の積算流量値Ｆ²は、第１の形態ではボンベ交換のための時間を勘案した上でＬＰＧ消費量８５％相当の量としたが、第２の形態ではボンベ切替を自動的に事実上瞬時に行ないＬＰＧを連続的に供給することができるためボンベ交換のための時間を勘案する必要が無く、ＬＰＧ消費量９５％相当とすることができる。つまり、第１の形態ではＬＰＧの残量が８５％の状態でボンベを交換するが、第２の形態ではＬＰＧの残量が９５％になるまでボンベを使用することができる。このときＴ²は、ボンベ１本のＬＰＧ充填量の９５％を、想定される最大のＬＰＧ消費速度で除した値をもとに、安全率などを勘案して決めることができる。

第２の形態における積算流量の所定値Ｆ²は、
Ｆ²＝０．９５Ｖ
と表すことができる。

上記のようにボンベ１ｂのみＬＰＧ流出可能としてＬＰＧを使い、積算流量が再び所定の値Ｆ²になった際には、マイコンメータ６が信号Ｓ²を発し、伝送機能付コントローラ３１を介して自動切替器３０の１ａ側を開とする（１ｂ側は閉）。同時に伝送機能付コントローラ３１からボンベ供給者に通報し、また、監視している積算流量をリセットする。こうして再びボンベ１ａのみＬＰＧ供給可能な状態となり、ボンベ供給者がボンベ１ｂを交換する。以降、ボンベ１ａおよび１ｂを切り替えて、常に燃料電池システムに低硫黄のＬＰＧを供給可能とする。

上述の積算流量の所定値Ｆ¹、Ｆ²や、所定の時間Ｔ¹、Ｔ²を決める際に、安全率を乗じるなどのことは適宜行うことができる。

〔燃料電池システム〕
燃料電池システムは、供給されるＬＰＧを脱硫する脱硫器、脱硫されたＬＰＧを改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器、改質ガスを燃料とする燃料電池などを有する、ＬＰＧを原燃料とする公知の燃料電池システムを利用することができ、これに上述のＬＰＧ供給装置を付設することができる。

ＬＰＧボンベ内のＬＰＧの消費量と、ボンベから流出するＬＰＧに含まれる硫黄濃度との相関の一例を示すグラフである。ＬＰＧ供給装置の一形態の概略を示す模式図である。ＬＰＧ供給装置の別の形態の概略を示す模式図である。圧力を利用してボンベ切替を行う従来の自動切替式調整器を示す模式的断面図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ：ＬＰＧボンベ（第１系統、第２系統）
２ａ、２ｂ：逆止弁（第１系統、第２系統）
５：減圧弁
６：マイコンメータ
２１：伝送用コントローラ
３０：自動切替器
３１：伝送機能付コントローラ
１００ａ、１００ｂ：自動切替式調整器
１０１ａ、１０１ｂ：ダイヤフラム
１０２ａ、１０２ｂ：バネ
１０３ａ、１０３ｂ：ロッド
１０４ａ、１０４ｂ：弁
Ｓ¹、Ｓ²：積算流量が所定値以上となったときに発せられる信号

Claims

第１の系統および第２の系統を有する交換可能な液化石油ガス貯蔵手段から液化石油ガスを供給する方法において、
第１系統および第２系統の貯蔵手段のうちの一方の貯蔵手段からは液化石油ガスを供給せずに他方の貯蔵手段から液化石油ガスを供給し、この際供給する液化石油ガスの積算流量を計測する工程；
該積算流量が所定値以上となったときに信号を発信する工程、ただし該所定値は、該他方の貯蔵手段の液化石油ガス消費量が９５％以下となる値であり；
自動切替器を用い、該信号を受けて該一方の貯蔵手段からの液化石油ガス供給を自動的に開始し該他方の貯蔵手段からの液化石油ガス供給を自動的に停止することにより、液化石油ガスを供給する貯蔵手段を自動的に切り替える切替工程；および
該信号を受け、所定時間内に該他方の貯蔵手段を交換する工程、ただし、該所定時間が、一つの系統の貯蔵手段の液化石油ガス充填量の９５％以下の値を、想定される最大の液化石油ガス消費速度で除した値をもとに決定された時間である、
を有する液化石油ガスの供給方法。
請求項１記載の液化石油ガスの供給方法により燃料電池システムに液化石油ガスを供給することを特徴とする燃料電池システムへの液化石油ガス供給方法。