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JP2005179083A - Hydrogen producing apparatus, fuel cell system, and its operatin method - Google Patents

Hydrogen producing apparatus, fuel cell system, and its operatin method Download PDF

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JP2005179083A
JP2005179083A JP2003418567A JP2003418567A JP2005179083A JP 2005179083 A JP2005179083 A JP 2005179083A JP 2003418567 A JP2003418567 A JP 2003418567A JP 2003418567 A JP2003418567 A JP 2003418567A JP 2005179083 A JP2005179083 A JP 2005179083A
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JP
Japan
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carbon dioxide
hydrogen
hydrogen production
reformer
fuel cell
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Application number
JP2003418567A
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Japanese (ja)
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Takanari Matsumoto
隆也 松本
Yoshihiro Kobori
良浩 小堀
Iwao Anzai
巌 安斎
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Eneos Corp
Original Assignee
Nippon Oil Corp
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Publication date
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  • Gas Separation By Absorption (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress a catalyst from being deteriorated by oxidation in a hydrogen producing apparatus without performing a purging when a fuel cell system or a hydrogen producing apparatus is halted. <P>SOLUTION: In the operation method for the hydrogen producing apparatus, which produces gas containing hydrogen by using reform reaction from a source material for hydrogen production and has at least a reformer, and in the operation method for the fuel cell system, which has the hydrogen producing apparatus and the fuel cell for electric power generation by using the hydrogen-containing gas obtained from the hydrogen producing apparatus, a carbon dioxide absorbent capable of absorbing and releasing carbon dioxide is used. During producing hydrogen, the carbon dioxide included in the hydrogen-containing gas in the downstream side of the reformer is absorbed by the carbon dioxide absorbent. When the system is stopped, the line including the reformer and the carbon dioxide absorbent is changed into a closed space while carbon dioxide is released open from the carbon dioxide absorbent. The driving method is used for the hydrogen producing apparatus and the fuel cell system. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は灯油等の水素製造用原料から水素を製造する水素製造装置に関し、またこの水素製造装置で製造された水素含有ガスを燃料とする燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a hydrogen production apparatus for producing hydrogen from a raw material for hydrogen production such as kerosene, and to a fuel cell system using a hydrogen-containing gas produced by the hydrogen production apparatus as a fuel.

燃料電池はエネルギー利用効率の良い発電システムとして開発が活発化している。この中でも固体高分子形燃料電池は高い出力密度、取り扱いの容易さなどから特に注目を集めている。   Development of fuel cells has been actively promoted as a power generation system with high energy utilization efficiency. Among them, the polymer electrolyte fuel cell is particularly attracting attention because of its high power density and ease of handling.

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ため、水素供給手段の確立が必須である。この方法の一つとして炭化水素燃料などの水素製造用原料を改質し水素を製造する方法があり、炭化水素燃料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より有利である。   Since a fuel cell generates power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, it is essential to establish a hydrogen supply means. As one of the methods, there is a method of producing hydrogen by reforming a raw material for hydrogen production such as a hydrocarbon fuel, and a method using pure hydrogen in that a hydrocarbon fuel supply system has already been socially established. More advantageous.

炭化水素燃料としては、都市ガス、ガソリン、灯油、軽油などがある。ガソリン、灯油、軽油などの液体燃料は取り扱い、保存および輸送が容易であること、安価であることなどの特徴から燃料電池用燃料として注目されている。これらの水素製造用原料を燃料電池で用いるためには炭化水素から水素を製造することが必要であり、このために、少なくとも改質器を備える水素製造装置が用いられている。   Examples of the hydrocarbon fuel include city gas, gasoline, kerosene, and light oil. Liquid fuels such as gasoline, kerosene, and light oil are attracting attention as fuel cells because they are easy to handle, store and transport, and are inexpensive. In order to use these raw materials for hydrogen production in a fuel cell, it is necessary to produce hydrogen from hydrocarbons. For this purpose, a hydrogen production apparatus including at least a reformer is used.

水素製造装置では、例えば、改質器で炭化水素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ている。また、硫黄が改質触媒などの被毒物質となるため、炭化水素燃料中の硫黄を除去するための脱硫器が設けられる場合も多い。   In a hydrogen production apparatus, for example, a hydrocarbon is reacted with water in a reformer to mainly decompose it into carbon monoxide and hydrogen, and then a majority of carbon monoxide is reacted with water in a shift reactor to produce hydrogen and carbon dioxide. In the selective oxidation reactor, a trace amount of residual carbon monoxide is finally reacted with oxygen to form carbon dioxide. Further, since sulfur becomes a poisoning substance such as a reforming catalyst, a desulfurizer for removing sulfur in the hydrocarbon fuel is often provided.

このような燃料電池システムを停止する際には、水素製造装置内に存在する触媒の保護などを目的として、窒素に代表される不活性ガスによるパージが行われてきた。しかし、窒素の貯蔵のためにスペースが必要であり、またその供給、管理のために手間がかかっていた。   When such a fuel cell system is stopped, purging with an inert gas typified by nitrogen has been performed for the purpose of protecting a catalyst present in the hydrogen production apparatus. However, space was required for storage of nitrogen, and it took time and effort to supply and manage it.

このような状況を打開し、燃料電池システムのパージ用に用いる不活性ガスを簡単に供給でき、かつ部材の交換などの不要なメンテナンス性の高い燃料電池発電システムのパージ手段を提供することを目的として、特許文献1には、空気中に含まれる酸素を除去する再生可能な酸素除去手段を利用した燃料電池発電システムが開示される。
特開2002−280038号公報
An object of the present invention is to provide a purge means for a fuel cell power generation system that can overcome such a situation, can easily supply an inert gas used for purging the fuel cell system, and has an unnecessary high maintainability such as replacement of members. Patent Document 1 discloses a fuel cell power generation system that uses a reproducible oxygen removing means for removing oxygen contained in air.
JP 2002-280038 A

特許文献1記載の技術では、不活性ガスのボンベなどを不要としているものの、空気供給ブロアから空気を脱酸素カラム(酸素除去手段)に送って酸素濃度を低減し、これを用いてパージを行っている。すなわち、依然としてパージを行っており、停止操作が簡易とは言えず、また発電終了後も空気供給ブロワの作動を継続することが必要なため、そのための動力が無駄である。   In the technique described in Patent Document 1, although an inert gas cylinder or the like is not required, oxygen is reduced by sending air from an air supply blower to a deoxygenation column (oxygen removing means), and purging is performed using this. ing. In other words, the purge is still being performed, and it cannot be said that the stop operation is simple, and it is necessary to continue the operation of the air supply blower even after the end of power generation.

本発明の目的は、燃料電池システムの停止時にパージ操作を行わずに水素製造装置内の触媒の酸化劣化を抑えることを可能とする燃料電池システムとその運転方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a fuel cell system and an operation method thereof capable of suppressing oxidation deterioration of a catalyst in a hydrogen production apparatus without performing a purge operation when the fuel cell system is stopped.

本発明の別の目的は、水素製造装置の停止時にパージ操作を行わずに水素製造装置内の触媒の酸化劣化を抑えることを可能とする水素製造装置とその運転方法を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a hydrogen production apparatus and a method for operating the hydrogen production apparatus that can suppress oxidative deterioration of a catalyst in the hydrogen production apparatus without performing a purge operation when the hydrogen production apparatus is stopped.

本発明により、水素製造用原料から改質反応を利用して水素を含むガスを製造するための、少なくとも改質器を有する水素製造装置の運転方法において、
二酸化炭素を吸収および放出可能な二酸化炭素吸収剤を用い、
水素製造時には、改質器下流の水素含有ガスに含まれる二酸化炭素を該二酸化炭素吸収剤に吸収させ、
停止時に、改質器および該二酸化炭素吸収剤を含むラインを閉空間とし、該二酸化炭素吸収剤から二酸化炭素を放出させる
ことを特徴とする水素製造装置の運転方法が提供される。
According to the present invention, in a method for operating a hydrogen production apparatus having at least a reformer, for producing a gas containing hydrogen using a reforming reaction from a raw material for hydrogen production,
Using carbon dioxide absorbent that can absorb and release carbon dioxide,
During hydrogen production, carbon dioxide contained in the hydrogen-containing gas downstream of the reformer is absorbed by the carbon dioxide absorbent,
Provided is a method for operating a hydrogen production apparatus, characterized in that, when stopped, a line including a reformer and the carbon dioxide absorbent is closed, and carbon dioxide is released from the carbon dioxide absorbent.

前記二酸化炭素吸収剤が、相対的に低温において二酸化炭素を吸収し、相対的に高温において二酸化炭素を放出することが可能であり、
二酸化炭素を放出させるために該二酸化炭素吸収剤を加熱することが好ましい。
The carbon dioxide absorbent is capable of absorbing carbon dioxide at a relatively low temperature and releasing carbon dioxide at a relatively high temperature;
The carbon dioxide absorbent is preferably heated to release carbon dioxide.

改質器下流の水素含有ガスから二酸化炭素分離膜によって二酸化炭素を分離して該二酸化炭素吸収剤に吸収させることが好ましい。   Preferably, carbon dioxide is separated from the hydrogen-containing gas downstream of the reformer by a carbon dioxide separation membrane and absorbed by the carbon dioxide absorbent.

本発明により、水素製造用原料から改質反応を利用して水素を含むガスを製造するための、少なくとも改質器を有する水素製造装置において、
二酸化炭素を吸収および放出可能な二酸化炭素吸収剤を改質器の下流に有し、
改質器および該二酸化炭素吸収剤を含むラインを閉空間とする手段とを有する
ことを特徴とする水素製造装置が提供される。
According to the present invention, in a hydrogen production apparatus having at least a reformer for producing a gas containing hydrogen using a reforming reaction from a raw material for hydrogen production,
A carbon dioxide absorbent capable of absorbing and releasing carbon dioxide downstream of the reformer,
There is provided a hydrogen production apparatus comprising a reformer and means for closing a line containing the carbon dioxide absorbent.

上記水素製造装置において、前記二酸化炭素吸収剤が、相対的に低温において二酸化炭素を吸収し、相対的に高温において二酸化炭素を放出することが可能であり、
該二酸化炭素吸収剤を加熱する手段を有することが好ましい。
In the hydrogen production apparatus, the carbon dioxide absorbent can absorb carbon dioxide at a relatively low temperature and release carbon dioxide at a relatively high temperature.
It is preferable to have a means for heating the carbon dioxide absorbent.

上記水素製造装置において、さらに、二酸化炭素分離膜を、改質器と二酸化炭素吸収剤との間に有することが好ましい。   In the hydrogen production apparatus, it is preferable that a carbon dioxide separation membrane is further provided between the reformer and the carbon dioxide absorbent.

本発明により、水素製造用原料から改質反応を利用して水素を含むガスを製造するための、少なくとも改質器を有する水素製造装置と、該水素製造装置から得られる水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池とを有する燃料電池システムの運転方法において、
二酸化炭素を吸収および放出可能な二酸化炭素吸収剤を用い、
水素製造装置による水素製造時に、改質器下流の水素含有ガスに含まれる二酸化炭素を該二酸化炭素吸収剤に吸収させ、
該燃料電池システムを停止する際に、改質器および該二酸化炭素吸収剤を含むラインを閉空間とし、該二酸化炭素吸収剤から二酸化炭素を放出させる
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法が提供される。
According to the present invention, a hydrogen production apparatus having at least a reformer and a hydrogen-containing gas obtained from the hydrogen production apparatus for producing a gas containing hydrogen from a raw material for hydrogen production using a reforming reaction. In a method of operating a fuel cell system having a fuel cell for generating power,
Using carbon dioxide absorbent that can absorb and release carbon dioxide,
During the hydrogen production by the hydrogen production apparatus, the carbon dioxide absorbent absorbs carbon dioxide contained in the hydrogen-containing gas downstream of the reformer,
An operation method of a fuel cell system characterized in that when the fuel cell system is stopped, a line including the reformer and the carbon dioxide absorbent is closed, and carbon dioxide is released from the carbon dioxide absorbent. Provided.

上記燃料電池システムの運転方法において、前記二酸化炭素吸収剤が、相対的に低温において二酸化炭素を吸収し、相対的に高温において二酸化炭素を放出することが可能であり、
二酸化炭素を放出させるために該二酸化炭素吸収剤を加熱することが好ましい。
In the operation method of the fuel cell system, the carbon dioxide absorbent is capable of absorbing carbon dioxide at a relatively low temperature and releasing carbon dioxide at a relatively high temperature.
The carbon dioxide absorbent is preferably heated to release carbon dioxide.

上記燃料電池システムの運転方法において、改質器下流の水素含有ガスから二酸化炭素分離膜によって二酸化炭素を分離して該二酸化炭素吸収剤に吸収させることが好ましい。   In the operation method of the fuel cell system, it is preferable that carbon dioxide is separated from the hydrogen-containing gas downstream of the reformer by a carbon dioxide separation membrane and absorbed by the carbon dioxide absorbent.

本発明により、水素製造用原料から改質反応を利用して水素を含むガスを製造するための、少なくとも改質器を有する水素製造装置と、該水素製造装置から得られる水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池とを有する燃料電池システムにおいて、
二酸化炭素を吸収および放出可能な二酸化炭素吸収剤を改質器の下流に有し、
改質器および該二酸化炭素吸収剤を含むラインを閉空間とする手段とを有する
ことを特徴とする燃料電池システムが提供される。
According to the present invention, a hydrogen production apparatus having at least a reformer and a hydrogen-containing gas obtained from the hydrogen production apparatus for producing a gas containing hydrogen from a raw material for hydrogen production using a reforming reaction. In a fuel cell system having a fuel cell for generating power,
A carbon dioxide absorbent capable of absorbing and releasing carbon dioxide downstream of the reformer,
There is provided a fuel cell system comprising a reformer and means for closing a line including the carbon dioxide absorbent.

上記燃料電池システムにおいて、前記二酸化炭素吸収剤が、相対的に低温において二酸化炭素を吸収し、相対的に高温において二酸化炭素を放出することが可能であり、
該二酸化炭素吸収剤を加熱する手段を有することが好ましい。
In the fuel cell system, the carbon dioxide absorbent can absorb carbon dioxide at a relatively low temperature and release carbon dioxide at a relatively high temperature.
It is preferable to have a means for heating the carbon dioxide absorbent.

上記燃料電池システムにおいて、さらに、二酸化炭素分離膜を、改質器と二酸化炭素吸収剤との間に有することが好ましい。   In the fuel cell system, it is preferable that a carbon dioxide separation membrane is further provided between the reformer and the carbon dioxide absorbent.

本発明によれば、燃料電池システムの停止時にパージ操作を行わずに水素製造装置内の触媒の酸化劣化を抑えることを可能とする燃料電池システムとその運転方法が提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which makes it possible to suppress the oxidative degradation of the catalyst in a hydrogen production apparatus, without performing purge operation at the time of a fuel cell system stop, and its operating method are provided.

また本発明によれば、水素製造装置の停止時にパージ操作を行わずに水素製造装置内の触媒の酸化劣化を抑えることを可能とする水素製造装置とその運転方法が提供される。   In addition, according to the present invention, there are provided a hydrogen production apparatus and an operation method thereof capable of suppressing oxidative deterioration of a catalyst in the hydrogen production apparatus without performing a purge operation when the hydrogen production apparatus is stopped.

水素製造装置や燃料電池システムの停止に当たって、パージを行わずに水素製造装置を大気から遮断すると、水素製造装置の温度が下がるに伴い水素製造装置の内部が負圧になる。負圧になった部分には大気から空気が流入し、水素製造装置に備わる触媒が酸化劣化するおそれがある。また負圧のために機器が破損するおそれもある。このような事態を防止するために、本発明では二酸化炭素を吸収および放出可能な二酸化炭素吸収剤を利用し、停止時に二酸化炭素吸収剤から二酸化炭素を放出することにより負圧を防止するとともに酸化劣化を防止する。   When the hydrogen production apparatus or the fuel cell system is stopped, if the hydrogen production apparatus is shut off from the atmosphere without purging, the internal pressure of the hydrogen production apparatus becomes negative as the temperature of the hydrogen production apparatus decreases. There is a possibility that air flows from the atmosphere into the negative pressure portion and the catalyst provided in the hydrogen production apparatus is oxidized and deteriorated. There is also a risk that the equipment will be damaged by the negative pressure. In order to prevent such a situation, in the present invention, a carbon dioxide absorbent capable of absorbing and releasing carbon dioxide is used, and negative pressure is prevented and released by releasing carbon dioxide from the carbon dioxide absorbent when stopped. Prevent deterioration.

二酸化炭素源としては、水素製造装置の改質器で得られる改質ガスや、改質ガスをシフト反応器、またさらに選択酸化反応器で処理したガスなどの水素含有ガスに含まれる二酸化炭素を用いることができる。なお、水素含有ガスは実質的に水素を含むガスである。   As a carbon dioxide source, carbon dioxide contained in a hydrogen-containing gas such as a reformed gas obtained by a reformer of a hydrogen production apparatus, a gas obtained by treating the reformed gas with a shift reactor, or a selective oxidation reactor is used. Can be used. The hydrogen-containing gas is a gas that substantially contains hydrogen.

〔水素製造装置〕
水素製造装置は、水素製造用原料から水素を含むガスを製造する装置である。水素製造装置で得られる製品ガスは、例えば燃料電池のアノード室に供給するなどして利用される。また、製品ガスを必要に応じて貯蔵し、水素ステーションで自動車などに供給するために利用することもできる。
[Hydrogen production equipment]
The hydrogen production apparatus is an apparatus that produces a gas containing hydrogen from a raw material for hydrogen production. The product gas obtained by the hydrogen production apparatus is used by being supplied to the anode chamber of the fuel cell, for example. In addition, the product gas can be stored as needed and used to supply automobiles or the like at a hydrogen station.

水素製造用原料を改質反応によって改質して水素含有ガスを製造するため、水素製造装置は少なくとも改質器を備える。改質器の下流に一酸化炭素濃度低減のためにシフト反応器を備えることもできる。固体高分子形燃料電池などに利用する場合には、さらに一酸化炭素濃度を低減するためにシフト反応器の下流に選択酸化反応器を備えることが好ましい。また必要に応じて改質器の上流に水素製造用原料中の硫黄分濃度を低減する脱硫器を備えることもできる。   In order to produce a hydrogen-containing gas by reforming a raw material for producing hydrogen by a reforming reaction, the hydrogen production apparatus includes at least a reformer. A shift reactor can also be provided downstream of the reformer to reduce the carbon monoxide concentration. When used for a polymer electrolyte fuel cell or the like, it is preferable to provide a selective oxidation reactor downstream of the shift reactor in order to further reduce the carbon monoxide concentration. Further, if necessary, a desulfurizer for reducing the concentration of sulfur in the raw material for hydrogen production can be provided upstream of the reformer.

〔改質器〕
改質器では、水(スチーム)および/または酸素を水素製造用原料と反応させ、水素を含有する改質ガスを製造する。この装置で水素製造用原料は主に水素と一酸化炭素に分解される。また、通常、二酸化炭素およびメタンも分解ガス中に含有される。改質反応の例としては水蒸気改質反応、自己熱改質反応、部分酸化反応を挙げることができる。
[Reformer]
In the reformer, water (steam) and / or oxygen is reacted with a raw material for hydrogen production to produce a reformed gas containing hydrogen. In this apparatus, the raw material for hydrogen production is mainly decomposed into hydrogen and carbon monoxide. Usually, carbon dioxide and methane are also contained in the cracked gas. Examples of the reforming reaction include a steam reforming reaction, an autothermal reforming reaction, and a partial oxidation reaction.

水蒸気改質反応とは水蒸気と水素製造用原料を反応させるものであるが、大きな吸熱を伴うため通常外部からの加熱が必要である。通常、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのVIII族金属を代表例とする金属触媒の存在下反応が行われる。反応温度は450℃〜900℃、好ましくは500℃〜850℃、さらに好ましくは550℃〜800℃の範囲で行うことができる。反応系に導入するスチームの量は、水素製造用原料に含まれる炭素原子モル数に対する水分子モル数の比(スチーム/カーボン比)として定義され、この値は好ましくは0.5〜10、より好ましくは1〜7、さらに好ましくは2〜5とされる。水素製造用原料が液体の場合、この時の空間速度(LHSV)は水素製造用原料の液体状態での流速をA(L/h)、触媒層体積をB(L)とした場合A/Bで表すことができ、この値は好ましくは0.05〜20h-1、より好ましくは0.1〜10h-1、さらに好ましくは0.2〜5h-1の範囲で設定される。 The steam reforming reaction is a reaction between steam and a raw material for producing hydrogen. However, since it involves a large endotherm, heating from the outside is usually required. Usually, the reaction is carried out in the presence of a metal catalyst typified by a Group VIII metal such as nickel, cobalt, iron, ruthenium, rhodium, iridium and platinum. The reaction temperature can be 450 ° C to 900 ° C, preferably 500 ° C to 850 ° C, more preferably 550 ° C to 800 ° C. The amount of steam introduced into the reaction system is defined as the ratio of the number of moles of water molecules to the number of moles of carbon atoms contained in the raw material for hydrogen production (steam / carbon ratio), and this value is preferably 0.5-10. Preferably it is 1-7, More preferably, it is 2-5. When the raw material for hydrogen production is liquid, the space velocity (LHSV) at this time is A / B when the flow rate in the liquid state of the raw material for hydrogen production is A (L / h) and the volume of the catalyst layer is B (L). This value is preferably set in the range of 0.05 to 20 h −1 , more preferably 0.1 to 10 h −1 , and still more preferably 0.2 to 5 h −1 .

自己熱改質反応とは、水素製造用原料の一部を酸化しながら、この時発生する熱で水蒸気改質反応を進行させることで反応熱のバランスを取りつつ改質を行う方法であり、比較的立ち上げ時間も短く制御も容易であるため、近年燃料電池用の水素製造方法として注目されているものである。この場合にも通常、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのVIII族金属を代表例とする金属触媒の存在下反応が行われる。反応系に導入するスチームの量は、スチーム/カーボン比として好ましくは0.3〜10、より好ましくは0.5〜5、さらに好ましくは1〜3とされる。   Autothermal reforming reaction is a method of reforming while balancing the reaction heat by advancing the steam reforming reaction with the heat generated at this time while oxidizing part of the raw material for hydrogen production, Since it has a relatively short start-up time and is easy to control, it has recently attracted attention as a hydrogen production method for fuel cells. Also in this case, the reaction is usually carried out in the presence of a metal catalyst, typically a Group VIII metal such as nickel, cobalt, iron, ruthenium, rhodium, iridium and platinum. The amount of steam introduced into the reaction system is preferably 0.3 to 10, more preferably 0.5 to 5, and still more preferably 1 to 3 as a steam / carbon ratio.

自己熱改質ではスチームの他に酸素が原料に添加される。酸素源としては純酸素でも良いが多くの場合空気が使用される。通常水蒸気改質反応に伴う吸熱反応をバランスできる熱量を発生し得る程度の酸素を添加するが、熱のロスや必要に応じて設置する外部加熱と関係において適宜添加量は決定される。その量は、水素製造用原料に含まれる炭素原子モル数に対する酸素分子モル数の比(酸素/カーボン比)として好ましくは0.05〜1、より好ましくは0.1〜0.75、さらに好ましくは0.2〜0.6とされる。自己熱改質反応の反応温度は水蒸気改質反応の場合と同様、450℃〜900℃、好ましくは500℃〜850℃、さらに好ましくは550℃〜800℃の範囲で設定される。水素製造用原料が液体の場合、この時の空間速度(LHSV)は、好ましくは0.1〜30、より好ましくは0.5〜20、さらに好ましくは1〜10の範囲で選ばれる。   In autothermal reforming, oxygen is added to the raw material in addition to steam. The oxygen source may be pure oxygen, but in many cases air is used. Usually, oxygen is added to such an extent that it can generate an amount of heat that can balance the endothermic reaction associated with the steam reforming reaction, but the amount of addition is appropriately determined in relation to heat loss and external heating installed as necessary. The amount is preferably from 0.05 to 1, more preferably from 0.1 to 0.75, even more preferably as the ratio of the number of moles of oxygen molecules to the number of moles of carbon atoms contained in the raw material for hydrogen production (oxygen / carbon ratio). Is set to 0.2 to 0.6. The reaction temperature of the autothermal reforming reaction is set in the range of 450 ° C. to 900 ° C., preferably 500 ° C. to 850 ° C., more preferably 550 ° C. to 800 ° C., as in the case of the steam reforming reaction. When the raw material for hydrogen production is liquid, the space velocity (LHSV) at this time is preferably selected in the range of 0.1 to 30, more preferably 0.5 to 20, and still more preferably 1 to 10.

部分酸化反応とは、水素製造用原料を酸化させて改質反応を進行させる方法であり、比較的立ち上げ時間が短く、装置をコンパクトに設計できることもあり、水素製造方法として注目されている。触媒を使用する場合と使用しない場合があるが、触媒を使用する場合は、通常、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのVIII族金属を代表例とする金属触媒やペロブスカイトやスピネル型酸化物触媒の存在下反応が行われる。反応系においてすすの発生を抑制するためにスチームを導入することができ、その量は、スチーム/カーボン比として好ましくは0.1〜5、より好ましくは0.1〜3、さらに好ましくは1〜2とされる。   The partial oxidation reaction is a method in which a reforming reaction is advanced by oxidizing a raw material for hydrogen production, and it has attracted attention as a hydrogen production method because it has a relatively short start-up time and can be designed compactly. The catalyst may or may not be used, but when the catalyst is used, a metal catalyst or a perovskite, typically a Group VIII metal such as nickel, cobalt, iron, ruthenium, rhodium, iridium, platinum, etc. The reaction is carried out in the presence of a spinel oxide catalyst. Steam can be introduced to suppress the generation of soot in the reaction system, and the amount thereof is preferably 0.1 to 5, more preferably 0.1 to 3, more preferably 1 to 1, as a steam / carbon ratio. 2.

部分酸化改質では酸素が原料に添加される。酸素源としては純酸素でも良いが多くの場合空気が使用される。反応を進めるための温度を確保するため、熱のロス等において適宜添加量は決定される。その量は、水素製造用原料に含まれる炭素原子モル数に対する酸素分子モル数の比(酸素/カーボン比)として好ましくは0.1〜3、より好ましくは0.2〜0.7とされる。部分酸化反応の反応温度は、触媒を用いない場合は、反応温度は1,000〜1,300℃の範囲とすることができ、触媒を用いた場合は水蒸気改質反応の場合と同様、450℃〜900℃、好ましくは500℃〜850℃、さらに好ましくは550℃〜800℃の範囲で設定することができる。水素製造用原料が液体の場合、この時の空間速度(LHSV)は、好ましくは0.1〜30の範囲で選ばれる。   In partial oxidation reforming, oxygen is added to the raw material. The oxygen source may be pure oxygen, but in many cases air is used. In order to secure a temperature for proceeding the reaction, the amount added is appropriately determined in terms of heat loss and the like. The amount is preferably 0.1 to 3, more preferably 0.2 to 0.7 as the ratio of the number of moles of oxygen molecules to the number of moles of carbon atoms contained in the raw material for hydrogen production (oxygen / carbon ratio). . The reaction temperature of the partial oxidation reaction can be in the range of 1,000 to 1,300 ° C. when a catalyst is not used, and when a catalyst is used, the reaction temperature is 450 as in the case of the steam reforming reaction. It can be set in the range of from 550C to 900C, preferably from 500C to 850C, and more preferably from 550C to 800C. When the raw material for hydrogen production is liquid, the space velocity (LHSV) at this time is preferably selected in the range of 0.1-30.

本発明において、改質器として、上記改質反応を行うことのできる公知の改質器を利用することができる。   In the present invention, a known reformer capable of performing the above reforming reaction can be used as the reformer.

〔水素製造用原料〕
水素製造の原料としては、上記改質反応により水素を含む改質ガスを得ることのできる物質であれば使用できる。例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることがでる。工業用あるいは民生用に安価に入手できる好ましい例として、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、都市ガス、LPG(液化石油ガス)、ガソリン、灯油などを挙げることができる。なかでも灯油は工業用としても民生用としても入手容易であり、その取り扱いも容易なため、好ましい。
[Raw materials for hydrogen production]
As a raw material for hydrogen production, any substance that can obtain a reformed gas containing hydrogen by the above reforming reaction can be used. For example, compounds having carbon and hydrogen in the molecule such as hydrocarbons, alcohols and ethers can be used. Preferable examples that can be obtained inexpensively for industrial use or consumer use include methanol, ethanol, dimethyl ether, city gas, LPG (liquefied petroleum gas), gasoline, kerosene and the like. Of these, kerosene is preferable because it is easily available for industrial use and consumer use, and is easy to handle.

〔シフト反応器〕
改質器で発生するガスは水素の他に例えば一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水蒸気を含む。また、自己熱改質や部分酸化改質で空気を酸素源とした場合には窒素も含有される。このうち、一酸化炭素を水と反応させ水素と二酸化炭素に転換するシフト反応を行うのがシフト反応器である。通常、触媒の存在下反応が進行し、Fe−Crの混合酸化物、Zn−Cuの混合酸化物、白金、ルテニウム、イリジウムなど貴金属を含有する触媒を用い、一酸化炭素含有量(ドライベースのモル%)を好ましくは2%以下、より好ましくは1%以下、さらに好ましくは0.5%以下までに落とす。シフト反応を二段階で行うこともでき、この場合高温シフト反応器と低温シフト反応器が用いられる。
[Shift reactor]
The gas generated in the reformer contains, for example, carbon monoxide, carbon dioxide, methane, and steam in addition to hydrogen. Further, nitrogen is also contained when air is used as an oxygen source in autothermal reforming or partial oxidation reforming. Among these, the shift reactor performs a shift reaction in which carbon monoxide is reacted with water and converted into hydrogen and carbon dioxide. Usually, the reaction proceeds in the presence of a catalyst, and a catalyst containing a noble metal such as a mixed oxide of Fe—Cr, a mixed oxide of Zn—Cu, platinum, ruthenium, and iridium is used. Mol%) is preferably reduced to 2% or less, more preferably 1% or less, and even more preferably 0.5% or less. The shift reaction can also be carried out in two stages, in which case a high temperature shift reactor and a low temperature shift reactor are used.

上記シフト反応は発熱反応であるため、平衡論的には低温での運転条件が好ましいが、用いる触媒の活性が発現する温度により、実際にはある程度の温度を保持することが必要である。具体的には、シフトを1段で行う場合、通常100〜450℃、好ましくは120〜400℃、より好ましくは150〜350℃の範囲である。100℃よりも低い場合には、触媒自身のCO吸着により活性が発現しにくく、良好にCO転化が行えない傾向があるという点で不利であり、また450℃を超える場合には、平衡論的にCO濃度が高くなり、この場合も良好にCO転化が行えない傾向があるという点で不利である。   Since the shift reaction is an exothermic reaction, operating conditions at a low temperature are preferable in terms of equilibrium, but it is actually necessary to maintain a certain temperature depending on the temperature at which the activity of the catalyst used is expressed. Specifically, when the shift is performed in one stage, it is usually in the range of 100 to 450 ° C, preferably 120 to 400 ° C, more preferably 150 to 350 ° C. If the temperature is lower than 100 ° C, the activity is difficult to be expressed due to the CO adsorption of the catalyst itself, and it is disadvantageous in that the CO conversion tends not to be performed well. In addition, the CO concentration becomes high, and this case is disadvantageous in that there is a tendency that the CO conversion cannot be performed well.

〔選択酸化反応器〕
シフト反応器の出口ガス中の一酸化炭素濃度をさらに低減させるために、シフト反応器出口ガスを選択酸化反応で処理することができる。この工程では、鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、銅、銀、金などを含有する触媒を用い、残存する一酸化炭素モル数に対し好ましくは0.5〜10倍モル、より好ましくは0.7〜5倍モル、さらに好ましくは1〜3倍モルの酸素を添加することで一酸化炭素を選択的に二酸化炭素に転換することにより一酸化炭素濃度を好ましくは10ppm(ドライベースのモル基準)以下に低減させる。この場合、一酸化炭素の酸化と同時に共存する水素と反応させメタンを生成させることで一酸化炭素濃度の低減を図ることもできる。選択酸化反応を二段階で行うこともできる。
[Selective oxidation reactor]
In order to further reduce the carbon monoxide concentration in the shift reactor outlet gas, the shift reactor outlet gas can be treated with a selective oxidation reaction. In this step, a catalyst containing iron, cobalt, nickel, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum, copper, silver, gold, etc. is used, preferably 0.5 to the number of moles of carbon monoxide remaining. The carbon monoxide concentration is preferably increased by selectively converting carbon monoxide to carbon dioxide by adding 10 moles, more preferably 0.7-5 moles, and even more preferably 1-3 moles of oxygen. Is reduced to 10 ppm (on a molar basis of the dry base) or less. In this case, the carbon monoxide concentration can be reduced by reacting with the coexisting hydrogen simultaneously with the oxidation of carbon monoxide to generate methane. The selective oxidation reaction can also be performed in two stages.

選択酸化反応は、用いる触媒や容器の構造によっても異なるが、通常50〜250℃、好ましくは60〜220℃、さらに好ましくは80〜200℃の範囲で行われる。50℃よりも低い場合には、触媒の活性が良好に発現せずCOが良好に低減できない傾向があるという点で不利であり、また250℃を超える場合には、CO選択酸化の場合には燃焼選択性の低下により水素が余計に消費され、触媒層温度の上昇や水素製造装置全体の改質プロセス効率の低下につながる傾向があるという点で不利であり、またメタネーション反応の場合にはCOのみでなく多量に共存するCO2のメタネーションが起こり、熱暴走状態になる場合がある点で不利である。 Although the selective oxidation reaction varies depending on the catalyst used and the structure of the container, it is usually carried out in the range of 50 to 250 ° C, preferably 60 to 220 ° C, more preferably 80 to 200 ° C. If it is lower than 50 ° C., it is disadvantageous in that the activity of the catalyst does not appear well and CO tends to be not reduced well, and if it exceeds 250 ° C., in the case of CO selective oxidation. This is disadvantageous in that it tends to lead to excessive consumption of hydrogen due to a decrease in combustion selectivity, leading to an increase in catalyst bed temperature and a reduction in the reforming process efficiency of the entire hydrogen production equipment. This is disadvantageous in that not only CO but also CO 2 co-existing in a large amount may occur, resulting in a thermal runaway state.

〔脱硫器〕
水素製造用原料中の硫黄は改質触媒を不活性化させる作用があるためなるべく低濃度であることが望ましく、好ましくは0.1質量ppm以下、より好ましくは50質量ppb以下とする。このため、必要であれば前もって水素製造用原料を脱硫することができる。脱硫工程に供する原料中の硫黄濃度には特に制限はなく脱硫工程において、上記の硫黄濃度に転換できるものであれば使用することができる。
[Desulfurizer]
Since sulfur in the raw material for hydrogen production has an effect of inactivating the reforming catalyst, it is desirably as low as possible, preferably 0.1 mass ppm or less, more preferably 50 mass ppb or less. For this reason, if necessary, the raw material for hydrogen production can be desulfurized in advance. There is no restriction | limiting in particular in the sulfur concentration in the raw material used for a desulfurization process, If it can convert into said sulfur concentration in a desulfurization process, it can be used.

脱硫の方法にも特に制限はないが、適当な触媒と水素の存在下水素化脱硫を行い生成した硫化水素を酸化亜鉛などに吸収させる方法を例としてあげることができる。この場合用いることができる触媒の例としてはニッケル−モリブデン、コバルト−モリブデンなどを成分とする触媒を挙げることができる。一方、適当な収着剤の存在下必要であれば水素の共存下硫黄分を収着させる方法も採用できる。この場合用いることができる収着剤としては特許第2654515号公報、特許第2688749号公報などに示されたような銅−亜鉛を主成分とする収着剤あるいはニッケル−亜鉛を主成分とする収着剤などを例示できる。   There is no particular limitation on the desulfurization method, but an example is a method in which hydrogen sulfide produced by hydrodesulfurization in the presence of a suitable catalyst and hydrogen is absorbed by zinc oxide or the like. Examples of the catalyst that can be used in this case include catalysts containing nickel-molybdenum, cobalt-molybdenum, and the like as components. On the other hand, if necessary in the presence of an appropriate sorbent, a method of sorbing a sulfur component in the presence of hydrogen can also be employed. Examples of sorbents that can be used in this case include sorbents mainly composed of copper-zinc as shown in Japanese Patent No. 2654515, Japanese Patent No. 2688749, and so on. Examples thereof include an adhesive.

〔触媒形状〕
脱硫触媒(収着剤も含める)、改質触媒、シフト触媒、選択酸化触媒のいずれにおいても触媒の形状は適宜選ばれる。典型的には粒状であるが、場合によってはハニカム状などとされることもある。
(Catalyst shape)
In any of a desulfurization catalyst (including a sorbent), a reforming catalyst, a shift catalyst, and a selective oxidation catalyst, the shape of the catalyst is appropriately selected. Typically, it is granular, but in some cases, it may have a honeycomb shape.

〔水素含有ガスの組成〕
改質器を経たガスの組成(ドライベースのモル%)は改質器に水蒸気改質反応を用いた場合、通常例えば、水素63〜73%、メタン0.1〜5%、二酸化炭素5〜20%、一酸化炭素5〜20%である。一方、自己熱改質反応を用いた場合の組成(ドライベースのモル%)は、通常例えば、水素23〜37%、メタン0.1〜5%、二酸化炭素5〜25%、一酸化炭素5〜25%、窒素30〜60%である。部分酸化反応を用いた場合の組成は(ドライベースのモル%)、通常例えば、水素15〜35%、メタン0.1〜5%、一酸化炭素10〜30%、二酸化炭素10〜40%、窒素30〜60%である。
[Composition of hydrogen-containing gas]
When the steam reforming reaction is used in the reformer, the composition of the gas that has passed through the reformer (mol% in dry base) is typically, for example, 63 to 73% hydrogen, 0.1 to 5% methane, 5 to 5 carbon dioxide. 20%, carbon monoxide 5-20%. On the other hand, the composition when using the autothermal reforming reaction (mol% in dry base) is usually 23 to 37% hydrogen, 0.1 to 5% methane, 5 to 25% carbon dioxide, 5 carbon monoxide, for example. -25%, nitrogen 30-60%. The composition in the case of using a partial oxidation reaction (mol% on a dry basis) is usually 15 to 35% hydrogen, 0.1 to 5% methane, 10 to 30% carbon monoxide, 10 to 40% carbon dioxide, Nitrogen is 30-60%.

改質器、シフト反応器を経たガスの組成(ドライベースのモル%もしくはモルppm)は改質器に水蒸気改質反応を用いた場合、通常例えば、水素65〜75%、メタン0.1〜5%、二酸化炭素20〜30%、一酸化炭素1000ppm〜10000ppmである。一方、自己熱改質反応を用いた場合の組成(ドライベースのモル%もしくはモルppm)は、通常例えば、水素25〜40%、メタン0.1〜5%、二酸化炭素20〜40%、一酸化炭素1000ppm〜10000ppm、窒素30〜54%である。部分酸化改質反応を用いた場合の組成は(ドライベースのモル%)、通常例えば、水素20〜40%、メタン0.1〜5%、一酸化炭素1000ppm〜10000ppm、二酸化炭素20〜45%、窒素30〜55%である。   When the steam reforming reaction is used in the reformer, the composition of the gas that has passed through the reformer and the shift reactor (mol% or mol ppm in dry base) is usually, for example, 65 to 75% hydrogen, 0.1 to methane 0.1 5%, carbon dioxide 20-30%, carbon monoxide 1000 ppm-10000 ppm. On the other hand, the composition when using the autothermal reforming reaction (mol% or mol ppm of dry base) is usually 25 to 40% hydrogen, 0.1 to 5% methane, 20 to 40% carbon dioxide, one Carbon oxide is 1000 ppm to 10000 ppm and nitrogen is 30 to 54%. The composition when using the partial oxidation reforming reaction (mol% in dry base) is usually 20 to 40% hydrogen, 0.1 to 5% methane, 1000 ppm to 10000 ppm carbon monoxide, 20 to 45% carbon dioxide, for example. Nitrogen 30-55%.

改質器、シフト反応器および選択酸化反応器を経たガスの組成(ドライベースのモル%)は改質器に水蒸気改質反応を用いた場合、通常例えば、水素65〜75%、メタン0.1〜5%、二酸化炭素20〜30%、窒素1〜10%である。一方、自己熱改質反応を用いた場合の組成(ドライベースのモル%)は、通常例えば、水素25〜40%、メタン0.1〜5%、二酸化炭素20〜40%、窒素30〜54%である。部分酸化改質反応を用いた場合の組成は(ドライベースのモル%)、通常例えば、水素20〜40%、メタン0.1〜5%、二酸化炭素20〜45%、窒素30〜55%である。   The composition of the gas that has passed through the reformer, shift reactor, and selective oxidation reactor (mol% of the dry base) is usually, for example, 65 to 75% hydrogen, 0. 1 to 5%, carbon dioxide 20 to 30%, nitrogen 1 to 10%. On the other hand, the composition (dry base mol%) when using the autothermal reforming reaction is usually, for example, 25 to 40% hydrogen, 0.1 to 5% methane, 20 to 40% carbon dioxide, and 30 to 54 nitrogen. %. The composition when the partial oxidation reforming reaction is used (mol% in dry base) is usually 20 to 40% hydrogen, 0.1 to 5% methane, 20 to 45% carbon dioxide, and 30 to 55% nitrogen. is there.

〔燃料電池〕
燃料電池としては、燃料極において水素が電極反応の反応物質であるタイプの燃料電池を適宜採用することができる。例えば、固体高分子形、燐酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形の燃料電池を採用することができる。以下、固体高分子型燃料電池の構成を記す。
〔Fuel cell〕
As the fuel cell, a fuel cell of a type in which hydrogen is a reactant of the electrode reaction in the fuel electrode can be appropriately employed. For example, a fuel cell of a solid polymer type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, or a solid oxide type can be employed. Hereinafter, the configuration of the polymer electrolyte fuel cell will be described.

燃料電池電極はアノード(燃料極)およびカソード(空気極)とこれらに挟まれる固体高分子電解質からなり、アノード側には上記水素製造装置で製造された水素含有ガスが、カソード側には空気等の酸素含有ガスが、それぞれ必要であれば適当な加湿処理を行った後導入される。   The fuel cell electrode is composed of an anode (fuel electrode) and a cathode (air electrode) and a solid polymer electrolyte sandwiched between them. The hydrogen-containing gas produced by the hydrogen production apparatus is on the anode side, and the air is on the cathode side. These oxygen-containing gases are introduced after appropriate humidification treatment if necessary.

この時、アノードでは水素ガスがプロトンとなり電子を放出する反応が進行し、カソードでは酸素ガスが電子とプロトンを得て水となる反応が進行する。これらの反応を促進するため、それぞれ、アノードには白金黒、活性炭担持のPt触媒あるいはPt−Ru合金触媒などが、カソードには白金黒、活性炭担持のPt触媒などが用いられる。通常アノード、カソードの両触媒とも、必要に応じてテフロン、低分子の高分子電解質膜素材、活性炭などと共に多孔質触媒層に成形される。   At this time, a reaction in which hydrogen gas becomes protons and emits electrons proceeds at the anode, and a reaction in which oxygen gas obtains electrons and protons to become water proceeds at the cathode. In order to promote these reactions, platinum black and Pt catalyst or Pt-Ru alloy catalyst supported on activated carbon are used for the anode, and platinum black and Pt catalyst supported on activated carbon are used for the cathode. Usually, both the anode and cathode catalysts are formed into a porous catalyst layer together with Teflon, a low molecular weight polymer electrolyte membrane material, activated carbon or the like as necessary.

固体高分子電解質としてはナフィオン(Nafion、デュポン社製)、ゴア(Gore、ゴア社製)、フレミオン(Flemion、旭硝子社製)、アシプレックス(Aciplex、旭化成社製)等の商品名で知られる高分子電解質膜が通常用いられ、この両側に上記多孔質触媒層を積層しMEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極集合体)が形成される。さらにMEAを金属材料、グラファイト、カーボンコンポジットなどからなるガス供給機能、集電機能、特にカソードにおいては重要な排水機能等を持つセパレータで挟み込むことで燃料電池が組み立てられる。電気負荷はアノード、カソードと電気的に連結される。   As solid polymer electrolytes, Nafion (Nafion, manufactured by DuPont), Gore (Gore, manufactured by Gore), Flemion (Flemion, manufactured by Asahi Glass), Aciplex (Aciplex, manufactured by Asahi Kasei), etc. A molecular electrolyte membrane is usually used, and the porous catalyst layer is laminated on both sides thereof to form an MEA (Membrane Electrode Assembly). Further, the fuel cell is assembled by sandwiching the MEA with a separator having a gas supply function, a current collecting function, particularly an important drainage function in the cathode, and the like made of a metal material, graphite, carbon composite and the like. The electric load is electrically connected to the anode and the cathode.

〔二酸化炭素吸収剤〕
改質器で得られる水素含有ガス、すなわち改質ガスは二酸化炭素を含む。改質ガスがシフト反応器を経ると二酸化炭素濃度が増す。さらに選択酸化反応器でも、二酸化炭素が増加する反応が起きる。このような改質ガスあるいは改質ガス由来の水素含有ガスには、水素の他に二酸化炭素が含まれる。またスチームも含まれる。
[CO2 absorbent]
The hydrogen-containing gas obtained by the reformer, that is, the reformed gas contains carbon dioxide. As the reformed gas passes through the shift reactor, the carbon dioxide concentration increases. Further, in the selective oxidation reactor, a reaction in which carbon dioxide increases occurs. Such a reformed gas or a hydrogen-containing gas derived from the reformed gas contains carbon dioxide in addition to hydrogen. Steam is also included.

二酸化炭素吸収剤は、ある条件下でこのような改質ガスあるいは改質ガス由来の水素含有ガスから二酸化炭素を吸収し、条件を変えることで二酸化炭素を放出することができるものである。例えば、温度に応じて二酸化炭素を吸収したり放出したりできるものがある。具体例を挙げれば、モノエタノールアミンなどの液体吸収剤、ゼオライト、カルシウムイオン交換ゼオライト、消石灰などの無機固体吸収剤、アミン系ポリマーなどの有機固体吸収剤がある。二酸化炭素を吸収可能な条件および放出可能な条件は、二酸化炭素の吸収剤によって異なる。例えば、二酸化炭素吸収剤として消石灰を用いる場合には、30℃〜500℃で二酸化炭素が吸収できる。また、825℃〜900℃で二酸化炭素を放出できる。   The carbon dioxide absorbent is capable of absorbing carbon dioxide from such a reformed gas or a hydrogen-containing gas derived from the reformed gas under certain conditions and releasing the carbon dioxide by changing the conditions. For example, some can absorb and release carbon dioxide depending on the temperature. Specific examples include liquid absorbents such as monoethanolamine, inorganic solid absorbents such as zeolite, calcium ion exchanged zeolite and slaked lime, and organic solid absorbents such as amine-based polymers. Conditions under which carbon dioxide can be absorbed and conditions under which carbon dioxide can be released vary depending on the carbon dioxide absorbent. For example, when using slaked lime as a carbon dioxide absorbent, carbon dioxide can be absorbed at 30 ° C to 500 ° C. Further, carbon dioxide can be released at 825 ° C to 900 ° C.

なお、本発明でいう吸収には、吸着も含む。また、本発明における吸着とは、停止後の水素製造装置の各部分の温度推移を鑑みた場合に、二酸化炭素が不可逆的に、あるいは可逆であっても実質的にいったん吸着した二酸化炭素が停止期間中に脱離して他の触媒層に影響を及ぼす恐れのないことを意味する。   The absorption referred to in the present invention includes adsorption. Further, the adsorption in the present invention means that the carbon dioxide once adsorbed substantially stops even if the carbon dioxide is irreversible or reversible in consideration of the temperature transition of each part of the hydrogen production apparatus after the stop. It means that there is no possibility of desorbing during the period and affecting other catalyst layers.

二酸化炭素吸収剤は、適宜容器に収容して二酸化炭素吸収器としたうえで使用することができる。二酸化炭素吸収剤を収容する容器の形状は適宜設計することができ、例えば円筒状の容器とすればよい。容器の材料も使用環境に応じて適宜選ぶことができる。また、二酸化炭素吸収器を別途設けずに、二酸化炭素吸収剤を改質器、シフト反応器、選択酸化反応器などの反応器に内蔵させることもできる。例えば、選択酸化反応器の直下流に二酸化炭素吸収器を別途設けることに替えて、選択酸化反応器内の選択酸化触媒の後段に二酸化炭素吸収剤を配置することができる。   The carbon dioxide absorbent can be used after being appropriately contained in a container to form a carbon dioxide absorber. The shape of the container for storing the carbon dioxide absorbent can be appropriately designed, and for example, a cylindrical container may be used. The material of the container can also be appropriately selected according to the use environment. Further, a carbon dioxide absorbent can be incorporated in a reactor such as a reformer, a shift reactor, or a selective oxidation reactor without separately providing a carbon dioxide absorber. For example, instead of separately providing a carbon dioxide absorber immediately downstream of the selective oxidation reactor, a carbon dioxide absorbent can be disposed after the selective oxidation catalyst in the selective oxidation reactor.

二酸化炭素吸収剤を加熱することにより二酸化炭素を放出する場合、二酸化炭素吸収剤を加熱する加熱手段を設けることができる。加熱手段として、例えば電気ヒータを設けることができる。電気ヒータに替えて、あるいは電気ヒータとともに、この加熱専用に用いる専用バーナによる加熱を行うこともできる。   When carbon dioxide is released by heating the carbon dioxide absorbent, a heating means for heating the carbon dioxide absorbent can be provided. As the heating means, for example, an electric heater can be provided. Heating by a dedicated burner used exclusively for this heating can be performed instead of or together with the electric heater.

あるいは、水素製造装置や燃料電池システム内で発生する各熱源、たとえばシフト、CO選択酸化など水素製造装置の発熱反応により生じる熱や、燃料電池自体から発生する熱などを、温水ラインなどを介して二酸化炭素吸着部位に導入することも可能である。   Alternatively, each heat source generated in the hydrogen production apparatus or the fuel cell system, for example, heat generated by an exothermic reaction of the hydrogen production apparatus such as shift or CO selective oxidation, heat generated from the fuel cell itself, or the like is supplied via a hot water line or the like. It is also possible to introduce into the carbon dioxide adsorption site.

二酸化炭素吸収剤の量は、吸収および放出される二酸化炭素の量が、水素製造装置が停止時に、運転温度から室温に冷却される際、水素製造装置内の原料および生成ガス等の気体充填部分が冷却にともなう体積収縮で要する以上の容量の二酸化炭素を放出可能な量とすることができる。   The amount of carbon dioxide absorbent is the amount of carbon dioxide absorbed and released when the hydrogen production device is stopped, when the hydrogen production device is cooled from the operating temperature to room temperature, the gas filling part such as raw material and product gas in the hydrogen production device However, the volume of carbon dioxide can be set to an amount capable of releasing more than required by the volume shrinkage accompanying cooling.

具体的には放出可能な二酸化炭素の量が、水素製造装置内の、停止時に放出された二酸化炭素が流入し得る部分の空間容積と同等であることが好ましい。すなわち例えば脱硫器、改質器、シフト反応器、選択酸化反応器の容積およびこれらを連結させる空間の容積である。または前述の水素製造装置の容積から、触媒の固体分が占める容積を除いた容積でもよい。さらには水素製造装置の容積から触媒の固体分が占める容積を除いた容積が、各反応器が運転温度から室温に冷却される際に、体積収縮する容積としても良い。   Specifically, the amount of carbon dioxide that can be released is preferably equal to the space volume in the hydrogen production apparatus where carbon dioxide released at the time of stoppage can flow. That is, for example, the volume of the desulfurizer, reformer, shift reactor, selective oxidation reactor and the volume of the space connecting them. Or the volume which remove | excluded the volume which the solid part of a catalyst occupies may be sufficient from the volume of the above-mentioned hydrogen production apparatus. Furthermore, the volume obtained by removing the volume occupied by the solid content of the catalyst from the volume of the hydrogen production apparatus may be a volume that shrinks when each reactor is cooled from the operating temperature to room temperature.

二酸化炭素吸収器は、一つだけ用いることも、プロセスフローの中の同じ個所に並列に複数用いることも、複数の酸素除去器をプロセスフロー中の別々の個所に設けることもできる。   A single carbon dioxide absorber may be used, a plurality of carbon dioxide absorbers may be used in parallel at the same location in the process flow, or a plurality of oxygen scavengers may be provided at different locations in the process flow.

〔二酸化炭素分離膜〕
前述のような二酸化炭素を含む水素含有ガスから、二酸化炭素を選択的に分離し、二酸化炭素濃度が高いガスを得、このガス中の二酸化炭素を二酸化炭素吸収剤に吸収させることが好ましい。これによって、吸収を速やかに行うことが可能となる。また、例えばゼオライトには二酸化炭素と水(スチーム)が競争して吸着するが、純度の高い二酸化炭素ガスを用いることによって水の影響を抑制し、二酸化炭素を効率良く吸着させることができる。ゼオライトは二酸化炭素の吸収および放出特性が優れるため、このような二酸化炭素分離とあわせて用いると、特に優れた二酸化炭素吸収および放出を実現することができる。
[CO2 separation membrane]
It is preferable that carbon dioxide is selectively separated from the hydrogen-containing gas containing carbon dioxide as described above to obtain a gas having a high carbon dioxide concentration, and the carbon dioxide in this gas is absorbed by the carbon dioxide absorbent. This makes it possible to absorb quickly. Further, for example, carbon dioxide and water (steam) compete and adsorb on zeolite, but by using carbon dioxide gas with high purity, the influence of water can be suppressed and carbon dioxide can be adsorbed efficiently. Since zeolite has excellent carbon dioxide absorption and emission characteristics, particularly excellent carbon dioxide absorption and emission can be realized when used in combination with such carbon dioxide separation.

二酸化炭素分離のために、二酸化炭素分離膜を用いることが、構成および操作を簡易にすることができるため好ましい。   It is preferable to use a carbon dioxide separation membrane for carbon dioxide separation because the configuration and operation can be simplified.

二酸化炭素分離膜としては、例えばゼオライト膜や高分子膜を用いることができる。   As the carbon dioxide separation membrane, for example, a zeolite membrane or a polymer membrane can be used.

二酸化炭素分離膜は、容器内に設置して二酸化炭素分離器を構成して用いることができる。二酸化炭素分離器の構造は公知の技術を適宜採用することができる。例えば一つの容器内を分離膜によって2つの領域に区画し、一方の領域に水素含有ガスを流し、二酸化炭素がこの領域から分離膜を通過し、他方の領域において二酸化炭素の濃度が高められたガスが得られるといった構造とすることができる。   The carbon dioxide separation membrane can be installed in a container and used as a carbon dioxide separator. A known technique can be appropriately employed for the structure of the carbon dioxide separator. For example, one container is divided into two regions by a separation membrane, a hydrogen-containing gas is allowed to flow in one region, carbon dioxide passes through the separation membrane from this region, and the concentration of carbon dioxide is increased in the other region. It can be set as the structure where gas is obtained.

以下図面を用いて本発明について詳細に説明するが、本発明はこれに限られるものではない。なお図中のバルブの表示において、白抜きとしたものは開かれたバルブ、墨付きとしたものは閉じられたバルブを意味する。墨付き矢印は流体の強制的な流れ方向を示すものである。ハッチングを付した矢印は、温度低下に伴い大気から空気が自然流入する方向を意味する。白抜き矢印は、二酸化炭素吸収器から放出された二酸化炭素が流れる方向を示すものである。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto. In the valve indications in the figure, the white ones indicate open valves, and the ones with black ones indicate closed valves. The black arrows indicate the forced flow direction of the fluid. The hatched arrow means the direction in which air naturally flows from the atmosphere as the temperature decreases. The white arrow indicates the direction in which carbon dioxide released from the carbon dioxide absorber flows.

〔水素製造装置〕
〔実施例1〕
図1は本発明の水素製造装置の一形態の概略を示すフロー図である。図1(a)に示すように、水素製造装置の運転時には、原料供給バルブ101は開とされ、水素製造用原料が改質器11に供給される。このとき、必要に応じて水素製造用原料をポンプやブロワなどの昇圧手段によって昇圧することができる。また、水素製造用原料以外の改質反応の反応物質など、水素製造のために必要な他の物質も適宜水素製造装置に供給できる。例えば、改質反応にスチームが必要な場合には水素製造装置にスチームあるいは水を供給することができ、改質反応に酸素が必要な場合には水素製造装置に空気などの酸素含有ガスを供給することができる。また選択酸化反応器に酸化反応用の空気などの酸素含有ガスを供給することもできる。
[Hydrogen production equipment]
[Example 1]
FIG. 1 is a flowchart showing an outline of one embodiment of the hydrogen production apparatus of the present invention. As shown in FIG. 1 (a), during operation of the hydrogen production apparatus, the raw material supply valve 101 is opened, and the raw material for hydrogen production is supplied to the reformer 11. At this time, the raw material for hydrogen production can be boosted by a boosting means such as a pump or a blower as necessary. In addition, other substances necessary for hydrogen production, such as reactants for reforming reactions other than raw materials for hydrogen production, can be appropriately supplied to the hydrogen production apparatus. For example, when steam is required for the reforming reaction, steam or water can be supplied to the hydrogen production device. When oxygen is required for the reforming reaction, an oxygen-containing gas such as air is supplied to the hydrogen production device. can do. Further, an oxygen-containing gas such as air for oxidation reaction can be supplied to the selective oxidation reactor.

改質器11では改質反応によって改質ガスが製造される。場合によっては改質ガスをそのまま製品ガスとすることもできる。改質器が外熱式の改質器である場合、すなわち、改質触媒を収容した反応管を、その外部からバーナなどの燃焼手段によって加熱し、改質反応に必要な熱を供給するタイプの改質器である場合、この燃焼用の燃料および空気を適宜供給できる。   In the reformer 11, a reformed gas is produced by a reforming reaction. In some cases, the reformed gas can be used as the product gas as it is. When the reformer is an external heat type reformer, that is, a type in which a reaction tube containing a reforming catalyst is heated from the outside by a combustion means such as a burner to supply heat necessary for the reforming reaction In the case of this reformer, the combustion fuel and air can be appropriately supplied.

図1には固体高分子形燃料電池に好適な水素含有ガスを製造する水素製造装置を示しており、改質器の下流にシフト反応器12および選択酸化反応器13が水素含有ガスの流れ方向上流側からこの順に設けられ、改質ガス中の一酸化炭素濃度が低減されて製品ガスとなる。必要に応じてガス中の水を凝縮させたうえで製品ガスとすることもできる。   FIG. 1 shows a hydrogen production apparatus for producing a hydrogen-containing gas suitable for a polymer electrolyte fuel cell. A shift reactor 12 and a selective oxidation reactor 13 are arranged downstream of the reformer in the flow direction of the hydrogen-containing gas. Provided in this order from the upstream side, the carbon monoxide concentration in the reformed gas is reduced to become a product gas. If necessary, the product gas can be made after condensing water in the gas.

選択酸化反応器出口の水素含有ガスが二酸化炭素吸収器1を通る。これによって、水素含有ガス中の二酸化炭素が、二酸化炭素吸収器に収容された二酸化炭素吸収剤に吸収される。   The hydrogen-containing gas at the outlet of the selective oxidation reactor passes through the carbon dioxide absorber 1. Thereby, carbon dioxide in the hydrogen-containing gas is absorbed by the carbon dioxide absorbent accommodated in the carbon dioxide absorber.

バルブ103は開かれており、製品ガスは製品ガス出口14から水素利用設備や水素貯蔵設備など、下流に接続される設備に供給される。   The valve 103 is opened, and the product gas is supplied from the product gas outlet 14 to facilities connected downstream such as hydrogen utilization facilities and hydrogen storage facilities.

図1(b)に示すように、停止に際しては、水素製造用原料の供給を停止し、原料供給バルブ101を閉じて原料供給ラインを遮断する。改質反応の反応物質としてスチームや水、空気などが供給されている場合、また炭素析出防止のためにスチームや水が供給されている場合にはこれらの供給ラインも適宜遮断する。また、改質器に燃焼用の燃料や空気を供給している場合にはこれらの供給ラインも適宜遮断する。さらに選択酸化反応器に供給される空気などの酸素含有ガスの供給ラインも適宜遮断する。ただし、二酸化炭素吸収剤を加熱するための専用バーナなどの機器がある場合には、それらに必要な物の供給は行う。   As shown in FIG. 1B, when stopping, the supply of the raw material for hydrogen production is stopped, the raw material supply valve 101 is closed, and the raw material supply line is shut off. When steam, water, air, or the like is supplied as a reactant for the reforming reaction, or when steam or water is supplied to prevent carbon deposition, these supply lines are also cut off as appropriate. Further, when supplying fuel or air for combustion to the reformer, these supply lines are also cut off as appropriate. Furthermore, the supply line of oxygen-containing gas such as air supplied to the selective oxidation reactor is also cut off as appropriate. However, if there is equipment such as a dedicated burner for heating the carbon dioxide absorbent, supply necessary materials for them.

また、バルブ101等に加えて、バルブ103を閉じることにより、水素含有ガスが改質器から製品ガス出口へと流れるラインを二酸化炭素吸収器下流において遮断する。これによって、改質器及び二酸化炭素吸収剤を含むラインが連通した一つの閉空間となる。そして二酸化炭素吸収器に設けた、電気ヒータや専用バーナなどの二酸化炭素吸収剤を加熱する加熱手段によって二酸化炭素吸収剤を加熱し、二酸化炭素の放出を開始する。外界から遮断され、閉空間となった改質器及び二酸化炭素吸収器を含むラインが負圧になることを防止できる程度に二酸化炭素が放出されたら、この加熱手段の作動は停止する。   Further, by closing the valve 103 in addition to the valve 101 and the like, the line through which the hydrogen-containing gas flows from the reformer to the product gas outlet is shut off downstream of the carbon dioxide absorber. Thereby, it becomes one closed space where the line including the reformer and the carbon dioxide absorbent communicates. Then, the carbon dioxide absorbent is heated by a heating means for heating the carbon dioxide absorbent, such as an electric heater or a dedicated burner, provided in the carbon dioxide absorber, and the release of carbon dioxide is started. When the carbon dioxide is released to such an extent that the line including the reformer and the carbon dioxide absorber, which is shut off from the outside and becomes a closed space, can be prevented from becoming negative pressure, the operation of the heating means is stopped.

上記のように閉空間を作るための手段としてはバルブを用いることができる。   As described above, a valve can be used as means for creating a closed space.

閉空間となった改質器及び二酸化炭素吸収器を含むラインの圧力が負圧にならないように加熱手段を制御することが好ましい。この制御はこのラインの圧力が厳密に大気圧になるように制御する必要はなく、多少加圧になることが許容される。例えば、電気ヒータを用いる場合、このラインの圧力を圧力計で監視し、この圧力と大気圧との差圧に基づいて電気ヒータに流れる電流を操作するといった制御を行うコンピュータなどの制御装置を設けることができる。ただし、必ずしも圧力に応じて加熱手段を制御する必要はない。予め計算や実験などにより、放出すべき二酸化炭素量を求め、そのために必要な加熱手段の運転パターンを決めておくこともできる。   It is preferable to control the heating means so that the pressure of the line including the reformer and the carbon dioxide absorber that has become a closed space does not become negative. This control does not need to be controlled so that the pressure in this line is strictly the atmospheric pressure, and a slight increase in pressure is allowed. For example, when an electric heater is used, a control device such as a computer is provided for performing control such as monitoring the pressure of this line with a pressure gauge and operating the current flowing through the electric heater based on the differential pressure between this pressure and atmospheric pressure. be able to. However, it is not always necessary to control the heating means according to the pressure. The amount of carbon dioxide to be released can be obtained in advance by calculation or experiment, and the operation pattern of the heating means necessary for this can be determined.

以上のように、水素製造装置への供給物質の供給を停止してその供給ラインを遮断すること、および改質器および二酸化炭素吸収器を含むラインを閉じて二酸化炭素吸収剤を加熱することにより、水素製造装置の温度が低下する際に、二酸化炭素吸収剤から放出される二酸化炭素によってこのラインが負圧になることを防止し、かつ触媒の酸化劣化を防止することができる。   As described above, by stopping the supply of the supply substance to the hydrogen production apparatus and shutting off the supply line, and by closing the line including the reformer and the carbon dioxide absorber and heating the carbon dioxide absorbent When the temperature of the hydrogen production apparatus is lowered, it is possible to prevent this line from becoming negative pressure due to carbon dioxide released from the carbon dioxide absorbent, and to prevent oxidative deterioration of the catalyst.

二酸化炭素吸収器の設置個所は、水素製造時に水素含有ガスが流れる個所、すなわち改質器の下流から適宜選ぶことができる。例えば、水素製造装置が改質器に加えてシフト反応器、選択酸化反応器を備える場合、図1に示したように選択酸化反応器の下流でもよく、あるいはシフト反応器と選択酸化反応器の間でもよく、あるいは改質器とシフト反応器の間でもよい。二酸化炭素吸収剤の好ましい二酸化炭素吸収温度と、それぞれの個所を流れる水素含有ガスの温度と二酸化炭素濃度を考慮して、二酸化炭素吸収器の設置個所を決めればよい。   The installation location of the carbon dioxide absorber can be appropriately selected from the location where the hydrogen-containing gas flows during the hydrogen production, that is, the downstream of the reformer. For example, when the hydrogen production apparatus includes a shift reactor and a selective oxidation reactor in addition to the reformer, it may be downstream of the selective oxidation reactor as shown in FIG. Or between the reformer and the shift reactor. The installation location of the carbon dioxide absorber may be determined in consideration of the preferred carbon dioxide absorption temperature of the carbon dioxide absorbent, the temperature of the hydrogen-containing gas flowing through each location, and the carbon dioxide concentration.

ただし、停止時に改質器及び二酸化炭素吸収剤を含むラインを閉じ、閉空間(図1(b)においてはバルブ101とバルブ103で閉鎖された空間)を作るが、保護しようとする触媒を有する反応器はこの閉空間に含める。シフト反応触媒は酸化劣化を受けやすいことが多いため、シフト反応器が存在する場合は、シフト反応器はこの閉空間に含めることが好ましい。選択酸化反応触媒は多少の酸化にも耐えることが多いため、停止時に選択酸化反応器に大気が流入して負圧にならずにすむ場合(別途大気開放手段を有する場合など)などには、選択酸化反応器はこの閉空間に含めなくてもよい。この閉空間にシフト反応器を含め、選択酸化反応器を含めない場合、例えば、シフト反応器と選択酸化反応器の間に二酸化炭素吸収器1を設け、その下流かつ選択酸化反応器上流にバルブ103を設けることができる。   However, the line containing the reformer and the carbon dioxide absorbent is closed at the time of stopping to create a closed space (a space closed by the valve 101 and the valve 103 in FIG. 1B), but has a catalyst to be protected. The reactor is included in this closed space. Since the shift reaction catalyst is often susceptible to oxidative degradation, the shift reactor is preferably included in this closed space when a shift reactor is present. The selective oxidation reaction catalyst often withstands some oxidation, so when the atmosphere does not flow into the selective oxidation reactor at the time of shutdown and it is not necessary to have negative pressure (such as when there is a separate air release means) The selective oxidation reactor may not be included in this closed space. When this closed space includes a shift reactor and does not include a selective oxidation reactor, for example, a carbon dioxide absorber 1 is provided between the shift reactor and the selective oxidation reactor, and a valve is provided downstream thereof and upstream of the selective oxidation reactor. 103 can be provided.

〔実施例2〕
図2に本発明の別の形態を示す。この形態は、図1に示した形態の水素製造装置に二酸化炭素吸収器をバイパスするバイパスライン20を追加した構成を基本とする。水素製造時にバルブ111および112を開いておき、バルブ113は閉じておき、図1の形態と同様、水素含有ガスを二酸化炭素吸収器に通して二酸化炭素を二酸化炭素吸収剤に吸収させるが(図2(a−1))、二酸化炭素が十分吸収された状態で、バルブ113を開け、バルブ111および112を閉じ、水素含有ガスを二酸化炭素吸収器に通すのを止め、バイパスライン20に流す(図2(a−2))。停止時にはバルブ113を閉じ、バルブ111を開け、不図示の加熱手段により二酸化炭素吸収剤を加熱し、図1に示した形態と同様、二酸化炭素吸収器から二酸化炭素を放出させることにより、負圧防止および触媒保護を行うことができる(図2(b))。
[Example 2]
FIG. 2 shows another embodiment of the present invention. This form is based on the structure which added the bypass line 20 which bypasses a carbon dioxide absorber to the hydrogen production apparatus of the form shown in FIG. During the hydrogen production, the valves 111 and 112 are opened, the valve 113 is closed, and the hydrogen-containing gas is passed through the carbon dioxide absorber to absorb the carbon dioxide in the carbon dioxide absorbent, as in the embodiment of FIG. 2 (a-1)), in a state where carbon dioxide is sufficiently absorbed, the valve 113 is opened, the valves 111 and 112 are closed, the passage of the hydrogen-containing gas through the carbon dioxide absorber is stopped, and the gas flows through the bypass line 20 ( FIG. 2 (a-2)). When stopping, the valve 113 is closed, the valve 111 is opened, the carbon dioxide absorbent is heated by a heating means (not shown), and the carbon dioxide is released from the carbon dioxide absorber as in the embodiment shown in FIG. Prevention and catalyst protection can be performed (FIG. 2 (b)).

〔実施例3〕
図3に本発明の別の形態を示す。この形態は図2に示した形態の水素製造装置に、さらに二酸化炭素分離器6を付加した構成を有する。ただし、二酸化炭素吸収器の位置は変更される。
Example 3
FIG. 3 shows another embodiment of the present invention. This form has the structure which added the carbon dioxide separator 6 to the hydrogen production apparatus of the form shown in FIG. However, the position of the carbon dioxide absorber is changed.

水素製造時には、図3(a−1)に示すように、バルブ111、112および121が開かれ、バルブ113および122が閉じられている。水素含有ガスが二酸化炭素分離器6を通り、製品ガス出口14から水素利用設備等に払い出される。このとき二酸化炭素分離膜6aによって二酸化炭素が分離され、二酸化炭素吸収器1に収容される二酸化炭素吸収剤に吸収される。   At the time of hydrogen production, as shown in FIG. 3 (a-1), the valves 111, 112 and 121 are opened, and the valves 113 and 122 are closed. The hydrogen-containing gas passes through the carbon dioxide separator 6 and is discharged from the product gas outlet 14 to a hydrogen utilization facility or the like. At this time, carbon dioxide is separated by the carbon dioxide separation membrane 6 a and absorbed by the carbon dioxide absorbent accommodated in the carbon dioxide absorber 1.

二酸化炭素が十分吸収された状態となったら、図3(a−2)に示すように、バルブ113を開け、バルブ111および112を閉じ、水素含有ガスをバイパスライン20に流す。バイパスラインを用いる効果は図2に示した形態と同様である。   When the carbon dioxide is sufficiently absorbed, as shown in FIG. 3A-2, the valve 113 is opened, the valves 111 and 112 are closed, and the hydrogen-containing gas is allowed to flow through the bypass line 20. The effect of using the bypass line is the same as that shown in FIG.

停止時には、図3(b)に示すように、バルブ122を開け、バルブ121および113を閉じ、不図示の加熱手段により二酸化炭素吸収剤を加熱し、図1に示した形態と同様、二酸化炭素吸収器から二酸化炭素を放出させることにより、負圧防止および触媒保護を行うことができる。   At the time of stop, as shown in FIG. 3B, the valve 122 is opened, the valves 121 and 113 are closed, and the carbon dioxide absorbent is heated by a heating means (not shown). By releasing carbon dioxide from the absorber, negative pressure prevention and catalyst protection can be performed.

この形態では、二酸化炭素吸収剤が二酸化炭素濃度が高いガスから二酸化炭素を吸収するため、二酸化炭素吸収を速やかに行うことができる。また、二酸化炭素吸収剤としてゼオライトを用いた場合など、水素含有ガスに含まれる二酸化炭素以外の成分の影響を抑えたい場合に特に好適である。   In this embodiment, since the carbon dioxide absorbent absorbs carbon dioxide from a gas having a high carbon dioxide concentration, carbon dioxide absorption can be performed quickly. Moreover, it is particularly suitable when it is desired to suppress the influence of components other than carbon dioxide contained in the hydrogen-containing gas, such as when zeolite is used as the carbon dioxide absorbent.

なお、図3には二酸化炭素分離器6とバイパスライン20の両者を有する形態を示したが、二酸化炭素分離器は有するがバイパスラインが無い形態もある。   In addition, although the form which has both the carbon dioxide separator 6 and the bypass line 20 was shown in FIG. 3, there exists a form which has a carbon dioxide separator but there is no bypass line.

以上の説明ではライン切替のためにストップバルブを用いたが、本発明ではこれに限らず、例えば三方弁を利用することも可能である。   In the above description, a stop valve is used for line switching. However, the present invention is not limited to this, and for example, a three-way valve can be used.

本発明において、以上のような操作は、制御用コンピュータやシーケンサなどの制御装置を用い、バルブを自動バルブとするなどして全て自動で行うことができる。   In the present invention, the operations as described above can be performed automatically by using a control device such as a control computer or a sequencer and using a valve as an automatic valve.

本発明において、上記のような操作、すなわち水素製造装置への供給物の供給停止およびそのラインの遮断、ライン切り替え、二酸化炭素吸収剤を加熱する加熱手段の作動開始などは同時に行うことができる。従って、停止操作は簡易である。また、停止後にパージのためにブロワ等の機器を作動させる必要がないので、そのための所要動力も不要であり省エネルギー効果がある。停止後に、二酸化炭素吸収器を電気ヒータや専用バーナなどの加熱手段で加熱する必要があるとしても、このような操作は極めて限定された部分における単純な操作でありまた所要エネルギーも小さい。   In the present invention, the operations as described above, that is, the supply stop of the supply to the hydrogen production apparatus, the interruption of the line, the line switching, the start of the operation of the heating means for heating the carbon dioxide absorbent, etc. can be performed simultaneously. Therefore, the stop operation is simple. In addition, since it is not necessary to operate a blower or the like for purging after the stop, no necessary power is required for this purpose, and there is an energy saving effect. Even if it is necessary to heat the carbon dioxide absorber with a heating means such as an electric heater or a dedicated burner after stopping, such an operation is a simple operation in a very limited part and requires a small amount of energy.

〔燃料電池システム〕
〔実施例4〕
図4は本発明の燃料電池システムの一形態の概略を示すフロー図である。この形態は、図1に示した水素製造装置100と燃料電池2を組合せた構成を基本とし、固体高分子形燃料電池用として好適である。
[Fuel cell system]
Example 4
FIG. 4 is a flowchart showing an outline of one embodiment of the fuel cell system of the present invention. This configuration is based on a configuration in which the hydrogen production apparatus 100 and the fuel cell 2 shown in FIG. 1 are combined, and is suitable for a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池システムの運転時には、図4(a)に示すように、バルブ101および103は開かれている。水素製造装置100で製造された水素含有ガスが燃料電池2のアノード室2aに供給されて発電に供される。アノード室から排出されるアノードオフガスには未利用水素などの可燃性物質が含まれるため、改質器11に備わる、改質反応に必要な熱を供給するためのバーナ11bで燃焼される。バーナの燃焼ガスは適宜熱回収などされた後、大気へ排出される。   During operation of the fuel cell system, the valves 101 and 103 are opened as shown in FIG. The hydrogen-containing gas produced by the hydrogen production apparatus 100 is supplied to the anode chamber 2a of the fuel cell 2 and used for power generation. Since the anode off-gas discharged from the anode chamber contains a combustible substance such as unused hydrogen, it is burned by a burner 11b provided in the reformer 11 for supplying heat necessary for the reforming reaction. The combustion gas of the burner is appropriately recovered and then discharged to the atmosphere.

なお、水素製造装置に係る図1等においては、必要に応じて設けられる改質反応に必要な熱を供給するためのバーナ等の加熱手段は図示しなかったが、燃料電池システムに係る図4等においてはバーナを示しており、これと区別するために改質反応が起きる領域を、改質触媒が充填された改質反応管11aとして示している。図1等において改質器11は、改質反応が起きる領域を意味する。   In FIG. 1 and the like related to the hydrogen production apparatus, heating means such as a burner for supplying heat necessary for the reforming reaction provided as necessary is not shown, but FIG. 4 related to the fuel cell system is shown. In FIG. 6, a burner is shown, and a region where a reforming reaction occurs is distinguished as a reforming reaction tube 11a filled with a reforming catalyst. In FIG. 1 and the like, the reformer 11 means a region where a reforming reaction occurs.

一方、大気からブロワやコンプレッサなどの空気昇圧手段4により空気が燃料電池のカソード室2cに供給され、発電に供された後、大気へ排出される。バーナ11bで燃焼に用いられる空気も昇圧手段4から供給される。   On the other hand, air is supplied from the atmosphere to the cathode chamber 2c of the fuel cell by the air boosting means 4 such as a blower or a compressor, is used for power generation, and is then discharged to the atmosphere. Air used for combustion in the burner 11b is also supplied from the pressurizing means 4.

図4(b)に示すように、燃料電池システムを停止する際には、水素製造用原料の供給を停止し、バルブ101を閉じて原料供給ラインを遮断する。水素製造用原料の他にも水素製造装置に供給していた物がある場合は、その供給を停止し、バルブなどによりその供給ラインを遮断する。また、空気昇圧手段4を停止するなど、水素製造装置100へ供給する物以外の供給も停止することができる。ただし、二酸化炭素吸収剤を加熱するための専用バーナなどの機器がある場合には、それらに必要な物の供給は行う。   As shown in FIG. 4B, when the fuel cell system is stopped, the supply of the raw material for hydrogen production is stopped, the valve 101 is closed, and the raw material supply line is shut off. If there is something that has been supplied to the hydrogen production apparatus in addition to the raw material for hydrogen production, the supply is stopped and the supply line is shut off by a valve or the like. Moreover, supply other than the thing supplied to the hydrogen production apparatus 100, such as stopping the air pressurization means 4, can be stopped. However, if there is equipment such as a dedicated burner for heating the carbon dioxide absorbent, supply necessary materials for them.

バルブ101等に加えてバルブ103を閉じることにより、バルブ101および103の間の、改質器(改質反応管11a)と二酸化炭素吸収器を含むラインを連通した一つの閉空間とする。   By closing the valve 103 in addition to the valve 101 and the like, one closed space is formed between the valves 101 and 103, which communicates the line including the reformer (reforming reaction tube 11a) and the carbon dioxide absorber.

そして水素製造装置の場合と同様、二酸化炭素吸収剤を加熱し、この閉空間に二酸化炭素を放出させ、負圧および触媒の酸化劣化を防止する。また、負圧の影響が無視し得るようになったら二酸化炭素吸収剤の加熱は停止してよい。   As in the case of the hydrogen production apparatus, the carbon dioxide absorbent is heated to release carbon dioxide into this closed space, thereby preventing negative pressure and oxidative deterioration of the catalyst. Further, when the influence of the negative pressure can be ignored, the heating of the carbon dioxide absorbent may be stopped.

一方、燃料電池アノード室2aへは、大気に通じている改質器の燃焼ガスラインからバーナ11bを経由して大気から空気が自然流入可能である。アノードにも触媒が使用されることもあるが、例えば固体高分子形燃料電池では燃料電池自体が比較的低温であり、若干の酸素混入の影響は無視し得ることが多い。   On the other hand, air can naturally flow into the fuel cell anode chamber 2a from the atmosphere via the burner 11b from the combustion gas line of the reformer communicating with the atmosphere. A catalyst may also be used for the anode, but for example, in a polymer electrolyte fuel cell, the fuel cell itself is at a relatively low temperature, and the influence of slight oxygen contamination is often negligible.

また、カソード室2cへはカソード室出口ラインから空気が自然流入可能であり、また、空気昇圧手段4を経由して、あるいはバーナ11bを経由して空気が自然流入することもできる。カソード系は元々空気を流すので、停止時に二酸化炭素を流す必要はない。   In addition, air can naturally flow into the cathode chamber 2c from the cathode chamber outlet line, and air can also flow naturally through the air booster 4 or through the burner 11b. Since the cathode system originally flows air, it is not necessary to flow carbon dioxide when stopped.

なお、アノードオフガスラインは、アノード室から排出される未利用水素を含む可燃性ガスが流れるラインである。図4の形態ではアノードオフガスがバーナ11bで燃焼されるため、アノード室2aの出口からバーナ11bまでのラインがアノードオフガスラインである。   The anode off-gas line is a line through which a combustible gas containing unused hydrogen discharged from the anode chamber flows. In the form of FIG. 4, since the anode off gas is burned in the burner 11b, the line from the outlet of the anode chamber 2a to the burner 11b is the anode off gas line.

〔実施例5〕
図5には、本発明の燃料電池システムの別の形態を示す。この形態では二酸化炭素吸収器1はアノード室2a下流のアノードオフガスライン中に設けられ、二酸化炭素吸収器の下流に、閉空間を作るためのバルブ103が設けられる。停止時にバルブ101等とバルブ103を閉じることにより、改質器(改質反応管11a)、シフト反応器、選択酸化反応器、アノード室および二酸化炭素吸収器を含む閉空間が形成される。
Example 5
FIG. 5 shows another embodiment of the fuel cell system of the present invention. In this embodiment, the carbon dioxide absorber 1 is provided in an anode off-gas line downstream of the anode chamber 2a, and a valve 103 for creating a closed space is provided downstream of the carbon dioxide absorber. By closing the valve 101 and the valve 103 during the stop, a closed space including the reformer (reforming reaction tube 11a), the shift reactor, the selective oxidation reactor, the anode chamber, and the carbon dioxide absorber is formed.

この形態では停止時に二酸化炭素吸収器から放出された二酸化炭素がアノード室2a、選択酸化反応器13、シフト反応器12、改質器(改質反応管11a)へと流れる。つまり、アノード室にも二酸化炭素が流入し、アノード室が酸素の混入を嫌うような場合にこの形態は好適である。   In this embodiment, carbon dioxide released from the carbon dioxide absorber at the time of stoppage flows to the anode chamber 2a, the selective oxidation reactor 13, the shift reactor 12, and the reformer (reforming reaction tube 11a). That is, this form is suitable when carbon dioxide flows into the anode chamber and the anode chamber dislikes the mixing of oxygen.

図4に示した形態でも、図5に示した形態でも、図2に示した水素製造装置と同様に、二酸化炭素吸収器をバイパスするバイパスラインを設けることが可能である。また、図3に示した水素製造装置と同様に、バイパスラインに加えて、水素含有ガスが流れるラインに二酸化炭素分離器を設け、分離された二酸化炭素を二酸化炭素吸収器に導いて二酸化炭素吸収剤に吸収させることもできる。この形態からバイパスラインを削除し、二酸化炭素分離器を有するがバイパスラインは有さない形態でもよい。   In the form shown in FIG. 4 and the form shown in FIG. 5, a bypass line for bypassing the carbon dioxide absorber can be provided in the same manner as the hydrogen production apparatus shown in FIG. Similarly to the hydrogen production apparatus shown in FIG. 3, in addition to the bypass line, a carbon dioxide separator is provided in the line through which the hydrogen-containing gas flows, and the separated carbon dioxide is led to the carbon dioxide absorber to absorb carbon dioxide. It can also be absorbed by the agent. The form which removes a bypass line from this form, has a carbon dioxide separator, but does not have a bypass line may be sufficient.

以上の説明ではライン切替のためにストップバルブを用いたが、本発明ではこれに限らず、例えば三方弁を利用することも可能である。   In the above description, a stop valve is used for line switching. However, the present invention is not limited to this, and for example, a three-way valve can be used.

本発明において、以上のような操作は、制御用コンピュータやシーケンサなどの制御装置を用い、バルブを自動バルブとするなどして全て自動で行うことができる。   In the present invention, the operations as described above can be performed automatically by using a control device such as a control computer or a sequencer and using a valve as an automatic valve.

本発明においては、上記のような操作、すなわち燃料電池システムへの供給物の供給停止およびそのラインの遮断、ライン切り替え、二酸化炭素吸収剤を加熱する加熱手段の作動、空気昇圧手段の停止などは、同時に行うことができる。従って、停止操作は簡易である。また、停止後にパージのためにブロワを作動させる必要がないので、そのための所要動力も不要であり省エネルギー効果がある。また、従来、停止後にある時点まで改質器に備わるバーナ等の燃焼を継続しつつ窒素パージを行うことも行われていたが、本発明によれば停止後にこのようなバーナによる燃焼を行う必要がないので、この点でも省エネルギー効果がある。   In the present invention, the operations as described above, that is, the supply of fuel to the fuel cell system is stopped and the line is shut off, the line is switched, the heating means for heating the carbon dioxide absorbent, the air pressure raising means is stopped, etc. Can be done at the same time. Therefore, the stop operation is simple. In addition, since it is not necessary to operate the blower for purging after the stop, no power is required for that purpose, and there is an energy saving effect. Conventionally, nitrogen purging has been performed while continuing combustion of a burner or the like provided in the reformer until a certain point after the stop, but according to the present invention, it is necessary to perform combustion by such a burner after the stop. There is no energy saving effect in this respect as well.

停止後に、二酸化炭素吸収器を電気ヒータや専用バーナなどの加熱手段で加熱する必要があるとしても、このような操作は極めて限定された部分における単純な操作でありまた所要エネルギーも小さい。   Even if it is necessary to heat the carbon dioxide absorber with a heating means such as an electric heater or a dedicated burner after stopping, such an operation is a simple operation in a very limited part and requires a small amount of energy.

〔他の機器〕
上記機器の他にも、改質器を利用した水素製造装置の公知の構成要素、および燃料電池システムの公知の構成要素は、必要に応じて適宜設けることができる。具体例を挙げれば、燃料電池に供給するガスを加湿するための水蒸気を発生する水蒸気発生器、燃料電池等の各種機器を冷却するための冷却系、各種流体を加圧するためのポンプ、圧縮機、ブロワなどの加圧手段、流体の流量を調節するため、あるいは流体の流れを遮断/切り替えるためのバルブ等の流量調節手段や流路遮断/切り替え手段、熱交換・熱回収を行うための熱交換器、液体を気化する気化器、気体を凝縮する凝縮器、スチームなどで各種機器を外熱する加熱/保温手段、各種流体の貯蔵手段、計装用の空気や電気系統、制御用の信号系統、制御装置、出力用や動力用の電気系統などである。
[Other equipment]
In addition to the above devices, known components of a hydrogen production apparatus using a reformer and known components of a fuel cell system can be appropriately provided as necessary. Specific examples include a steam generator for generating steam for humidifying the gas supplied to the fuel cell, a cooling system for cooling various devices such as the fuel cell, a pump for compressing various fluids, and a compressor Pressurizing means such as a blower, flow rate adjusting means such as a valve for adjusting the flow rate of the fluid, or shutting off / switching the flow of the fluid, and a flow path shutting / switching means, heat for heat exchange and heat recovery Exchangers, vaporizers that vaporize liquids, condensers that condense gases, heating / heat-retaining means that externally heat various devices with steam, storage means for various fluids, instrumentation air and electrical systems, control signal systems , Control devices, electrical systems for output and power.

本発明の水素製造装置は、燃料電池の燃料となる水素含有ガスを製造するために利用することができ、また自動車に水素含有ガスを供給するための水素ステーションなどで利用することができる。   The hydrogen production apparatus of the present invention can be used for producing a hydrogen-containing gas as fuel for a fuel cell, and can be used in a hydrogen station for supplying a hydrogen-containing gas to an automobile.

本発明の燃料電池システムは、自動車などの移動体用の発電装置や、固定発電システム、コージェネレーションシステムなどに用いることができる。   The fuel cell system of the present invention can be used for a power generator for a moving body such as an automobile, a fixed power generation system, a cogeneration system, and the like.

本発明の水素製造装置の一形態の概略を表すフロー図である。It is a flowchart showing the outline of one form of the hydrogen production apparatus of this invention. 本発明の水素製造装置の別の形態の概略を表すフロー図である。It is a flowchart showing the outline of another form of the hydrogen production apparatus of this invention. 本発明の水素製造装置の別の形態の概略を表すフロー図である。It is a flowchart showing the outline of another form of the hydrogen production apparatus of this invention. 本発明の燃料電池システムの一形態の概略を表すフロー図である。It is a flowchart showing the outline of one form of the fuel cell system of this invention. 本発明の燃料電池システムの別の形態の概略を表すフロー図である。It is a flowchart showing the outline of another form of the fuel cell system of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 二酸化炭素吸収器
2 燃料電池
2a アノード室
2c カソード室
4 空気昇圧手段
6 二酸化炭素分離器
6a 二酸化炭素分離膜
11 改質器
11a 改質反応管
11b バーナ
12 シフト反応器
13 選択酸化反応器
14 製品ガス出口
20 バイパスライン
100 水素製造装置
101、103、111、112、113、121、122 バルブ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Carbon dioxide absorber 2 Fuel cell 2a Anode chamber 2c Cathode chamber 4 Air pressure | voltage rise means 6 Carbon dioxide separator 6a Carbon dioxide separation membrane 11 Reformer 11a Reforming reaction tube 11b Burner 12 Shift reactor 13 Selective oxidation reactor 14 Product Gas outlet 20 Bypass line 100 Hydrogen production apparatus 101, 103, 111, 112, 113, 121, 122 Valve

Claims (12)

水素製造用原料から改質反応を利用して水素を含むガスを製造するための、少なくとも改質器を有する水素製造装置の運転方法において、
二酸化炭素を吸収および放出可能な二酸化炭素吸収剤を用い、
水素製造時には、改質器下流の水素含有ガスに含まれる二酸化炭素を該二酸化炭素吸収剤に吸収させ、
停止時に、改質器および該二酸化炭素吸収剤を含むラインを閉空間とし、該二酸化炭素吸収剤から二酸化炭素を放出させる
ことを特徴とする水素製造装置の運転方法。
In a method for operating a hydrogen production apparatus having at least a reformer for producing a gas containing hydrogen from a raw material for hydrogen production using a reforming reaction,
Using carbon dioxide absorbent that can absorb and release carbon dioxide,
During hydrogen production, carbon dioxide contained in the hydrogen-containing gas downstream of the reformer is absorbed by the carbon dioxide absorbent,
An operation method of a hydrogen production apparatus, characterized in that when stopping, a line including a reformer and the carbon dioxide absorbent is closed, and carbon dioxide is released from the carbon dioxide absorbent.
前記二酸化炭素吸収剤が、相対的に低温において二酸化炭素を吸収し、相対的に高温において二酸化炭素を放出することが可能であり、
二酸化炭素を放出させるために該二酸化炭素吸収剤を加熱する請求項1記載の方法。
The carbon dioxide absorbent is capable of absorbing carbon dioxide at a relatively low temperature and releasing carbon dioxide at a relatively high temperature;
The method of claim 1, wherein the carbon dioxide absorbent is heated to release carbon dioxide.
改質器下流の水素含有ガスから二酸化炭素分離膜によって二酸化炭素を分離して該二酸化炭素吸収剤に吸収させる
請求項1または2記載の方法。
The method according to claim 1 or 2, wherein carbon dioxide is separated from the hydrogen-containing gas downstream of the reformer by a carbon dioxide separation membrane and absorbed by the carbon dioxide absorbent.
水素製造用原料から改質反応を利用して水素を含むガスを製造するための、少なくとも改質器を有する水素製造装置において、
二酸化炭素を吸収および放出可能な二酸化炭素吸収剤を改質器の下流に有し、
改質器および該二酸化炭素吸収剤を含むラインを閉空間とする手段とを有する
ことを特徴とする水素製造装置。
In a hydrogen production apparatus having at least a reformer for producing a gas containing hydrogen from a raw material for hydrogen production using a reforming reaction,
A carbon dioxide absorbent capable of absorbing and releasing carbon dioxide downstream of the reformer,
A hydrogen production apparatus comprising: a reformer; and means for closing a line including the carbon dioxide absorbent.
前記二酸化炭素吸収剤が、相対的に低温において二酸化炭素を吸収し、相対的に高温において二酸化炭素を放出することが可能であり、
該二酸化炭素吸収剤を加熱する手段を有する請求項4記載の水素製造装置。
The carbon dioxide absorbent is capable of absorbing carbon dioxide at a relatively low temperature and releasing carbon dioxide at a relatively high temperature;
The hydrogen production apparatus according to claim 4, further comprising means for heating the carbon dioxide absorbent.
さらに、二酸化炭素分離膜を、改質器と二酸化炭素吸収剤との間に有する
請求項4または5記載の水素製造装置。
The hydrogen production apparatus according to claim 4 or 5, further comprising a carbon dioxide separation membrane between the reformer and the carbon dioxide absorbent.
水素製造用原料から改質反応を利用して水素を含むガスを製造するための、少なくとも改質器を有する水素製造装置と、該水素製造装置から得られる水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池とを有する燃料電池システムの運転方法において、
二酸化炭素を吸収および放出可能な二酸化炭素吸収剤を用い、
水素製造装置による水素製造時に、改質器下流の水素含有ガスに含まれる二酸化炭素を該二酸化炭素吸収剤に吸収させ、
該燃料電池システムを停止する際に、改質器および該二酸化炭素吸収剤を含むラインを閉空間とし、該二酸化炭素吸収剤から二酸化炭素を放出させる
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
A hydrogen production apparatus having at least a reformer for producing a gas containing hydrogen from a raw material for hydrogen production using a reforming reaction, and a fuel that generates electricity using a hydrogen-containing gas obtained from the hydrogen production apparatus In a method for operating a fuel cell system having a battery,
Using carbon dioxide absorbent that can absorb and release carbon dioxide,
During the hydrogen production by the hydrogen production apparatus, the carbon dioxide absorbent absorbs carbon dioxide contained in the hydrogen-containing gas downstream of the reformer,
A method for operating a fuel cell system, wherein when the fuel cell system is stopped, a line including the reformer and the carbon dioxide absorbent is closed, and carbon dioxide is released from the carbon dioxide absorbent.
前記二酸化炭素吸収剤が、相対的に低温において二酸化炭素を吸収し、相対的に高温において二酸化炭素を放出することが可能であり、
二酸化炭素を放出させるために該二酸化炭素吸収剤を加熱する請求項7記載の方法。
The carbon dioxide absorbent is capable of absorbing carbon dioxide at a relatively low temperature and releasing carbon dioxide at a relatively high temperature;
The method of claim 7, wherein the carbon dioxide absorbent is heated to release carbon dioxide.
改質器下流の水素含有ガスから二酸化炭素分離膜によって二酸化炭素を分離して該二酸化炭素吸収剤に吸収させる
請求項7または8記載の方法。
The method according to claim 7 or 8, wherein carbon dioxide is separated from the hydrogen-containing gas downstream of the reformer by a carbon dioxide separation membrane and absorbed by the carbon dioxide absorbent.
水素製造用原料から改質反応を利用して水素を含むガスを製造するための、少なくとも改質器を有する水素製造装置と、該水素製造装置から得られる水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池とを有する燃料電池システムにおいて、
二酸化炭素を吸収および放出可能な二酸化炭素吸収剤を改質器の下流に有し、
改質器および該二酸化炭素吸収剤を含むラインを閉空間とする手段とを有する
ことを特徴とする燃料電池システム。
A hydrogen production apparatus having at least a reformer for producing a gas containing hydrogen from a raw material for hydrogen production using a reforming reaction, and a fuel that generates electricity using a hydrogen-containing gas obtained from the hydrogen production apparatus In a fuel cell system having a battery,
A carbon dioxide absorbent capable of absorbing and releasing carbon dioxide downstream of the reformer,
A fuel cell system comprising: a reformer and means for closing a line including the carbon dioxide absorbent.
前記二酸化炭素吸収剤が、相対的に低温において二酸化炭素を吸収し、相対的に高温において二酸化炭素を放出することが可能であり、
該二酸化炭素吸収剤を加熱する手段を有する請求項10記載の燃料電池システム。
The carbon dioxide absorbent is capable of absorbing carbon dioxide at a relatively low temperature and releasing carbon dioxide at a relatively high temperature;
The fuel cell system according to claim 10, further comprising means for heating the carbon dioxide absorbent.
さらに、二酸化炭素分離膜を、改質器と二酸化炭素吸収剤との間に有する
請求項10または11記載の燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 10 or 11, further comprising a carbon dioxide separation membrane between the reformer and the carbon dioxide absorbent.
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