JP2011225410A - Hydrogen generating apparatus, fuel cell system with the same and method of operating hydrogen generating apparatus - Google Patents
Hydrogen generating apparatus, fuel cell system with the same and method of operating hydrogen generating apparatus Download PDFInfo
- Publication number
- JP2011225410A JP2011225410A JP2010099214A JP2010099214A JP2011225410A JP 2011225410 A JP2011225410 A JP 2011225410A JP 2010099214 A JP2010099214 A JP 2010099214A JP 2010099214 A JP2010099214 A JP 2010099214A JP 2011225410 A JP2011225410 A JP 2011225410A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- hydrogen
- raw material
- hydrogen generator
- generator
- reformer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
Abstract
【課題】運転停止時に、シフト触媒の性能劣化をより抑制することができる水素生成装置を提供することを目的とする。
【解決手段】原料を改質反応させ水素含有ガスを生成する改質器6、及び水素含有ガス中の一酸化炭素をシフト反応により低減させるシフト触媒を有する変成器8を備える水素生成器100Aと、改質器6に原料を供給する原料供給器1と、停止時に、原料供給器1により水素生成器100A内部を原料でパージする際に、変成器8に流入する原料に水素を供給する水素供給器15を備える、水素生成装置。
【選択図】図1An object of the present invention is to provide a hydrogen generator capable of further suppressing performance deterioration of a shift catalyst when operation is stopped.
A hydrogen generator comprising a reformer for generating a hydrogen-containing gas by reforming a raw material, and a shift generator having a shift catalyst for reducing carbon monoxide in the hydrogen-containing gas by a shift reaction; The raw material supplier 1 that supplies the raw material to the reformer 6 and the hydrogen that supplies hydrogen to the raw material that flows into the transformer 8 when the raw material supplier 1 purges the interior of the hydrogen generator 100A with the raw material when stopped A hydrogen generator comprising a supplier 15.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、改質反応により水素含有ガスを生成する改質器及び水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる変成器を備える水素生成装置及びこれを備える燃料電池システム、及び水素生成装置の運転方法に関する。 The present invention relates to a reformer that generates a hydrogen-containing gas by a reforming reaction, a hydrogen generator that includes a converter that reduces carbon monoxide in the hydrogen-containing gas, a fuel cell system including the hydrogen generator, and an operation of the hydrogen generator. Regarding the method.
従来の燃料電池システムは、燃料ガスとしての水素を供給するインフラがないので、通常、炭化水素を含む原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する水素生成装置を備える。 Since the conventional fuel cell system does not have an infrastructure for supplying hydrogen as a fuel gas, the conventional fuel cell system usually includes a hydrogen generation device that generates a hydrogen-containing gas by a reforming reaction using a raw material containing hydrocarbons.
上記水素生成装置は、改質反応によって原料から水素含有ガスを生成する改質器と、改質反応に要する熱を改質器に供給する加熱器とを有している。改質器には、改質触媒が設けられている。また、上記原料は、天然ガス、LPG、ナフサ、ガソリン、灯油等の炭化水素や、メタノール等のアルコールに例示されるような少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含む原料が用いられる。 The hydrogen generator includes a reformer that generates a hydrogen-containing gas from a raw material by a reforming reaction, and a heater that supplies heat required for the reforming reaction to the reformer. The reformer is provided with a reforming catalyst. In addition, as the raw material, a raw material containing a hydrocarbon such as natural gas, LPG, naphtha, gasoline, kerosene, or an organic compound containing at least carbon and hydrogen as constituent elements as exemplified by alcohol such as methanol is used.
なお、上記改質反応では、一酸化炭素(以下、COと表記する)が副成分として生成され、改質器から送出された水素含有ガス中にはCOが約10〜15%含まれる。水素含有ガス中に含まれるCOは、燃料電池の電極触媒を被毒して発電能力を低下させるため、燃料電池システムに用いられる水素生成装置には、改質器で生成された水素含有ガスのCO濃度を低減させる手段が講じられている。 In the reforming reaction, carbon monoxide (hereinafter referred to as CO) is generated as a subcomponent, and the hydrogen-containing gas sent from the reformer contains about 10 to 15% of CO. Since the CO contained in the hydrogen-containing gas poisons the electrode catalyst of the fuel cell and lowers the power generation capacity, the hydrogen generator used in the fuel cell system has a hydrogen-containing gas produced by the reformer. Means have been taken to reduce the CO concentration.
このCO濃度の低減方法の一つとして、COと水蒸気とを反応させて水素と二酸化炭素に変成するシフト反応が一般的に用いられている。具体的には、水素生成装置は、改質器の下流に水素含有ガス中のCOと水蒸気とをシフト反応させる変成器を有しており、この変成器には、シフト触媒が設けられている。多くの場合、この変成器によって、水素含有ガス中のCO濃度が約0.5%以下に低減される。 As one of the methods for reducing the CO concentration, a shift reaction is generally used in which CO and water vapor are reacted to convert to hydrogen and carbon dioxide. More specifically, the hydrogen generator has a shifter that shifts CO and water vapor in the hydrogen-containing gas downstream of the reformer, and this shifter is provided with a shift catalyst. . In many cases, this transformer reduces the CO concentration in the hydrogen-containing gas to about 0.5% or less.
さらに、水素含有ガス中にCOを低減するために変成器の下流に酸化触媒またはメタン化触媒を設けたCO除去器が設けられており、酸化触媒を用いる場合、CO除去器内に空気を供給することにより、水素含有ガス中のCOを酸化させ、水素含有ガス中のCO濃度を100ppm、好ましくは10ppm以下に低減される。このCO除去器から排出された水素を主成分とする水素含有ガスを燃料電池へ供給して発電が行われる。 Furthermore, in order to reduce CO in the hydrogen-containing gas, a CO remover provided with an oxidation catalyst or a methanation catalyst is provided downstream of the converter, and when an oxidation catalyst is used, air is supplied into the CO remover. By doing so, CO in the hydrogen-containing gas is oxidized, and the CO concentration in the hydrogen-containing gas is reduced to 100 ppm, preferably 10 ppm or less. Electricity is generated by supplying a hydrogen-containing gas mainly containing hydrogen discharged from the CO remover to the fuel cell.
ところで、上記水素生成装置の運転停止動作時において、原料と水を供給しながら改質触媒の温度を低下させ、改質触媒の温度が所定温度以下になったときに、水の供給を止め、原料によってパージする方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 By the way, at the time of the shutdown operation of the hydrogen generator, the temperature of the reforming catalyst is lowered while supplying the raw material and water, and when the temperature of the reforming catalyst becomes a predetermined temperature or less, the supply of water is stopped, A method of purging with a raw material has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
また、水素生成装置の運転停止動作時において、水蒸気によってパージした後、改質触媒層の温度が原料ガスの熱分解が起こらない温度以下で、かつ水蒸気の凝縮温度以上に低下した後、原料ガスを供給する方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。 In addition, after purging with water vapor during the shutdown operation of the hydrogen generator, after the temperature of the reforming catalyst layer falls below the temperature at which the raw material gas does not thermally decompose and falls below the water vapor condensation temperature, the raw material gas Has been proposed (see, for example, Patent Document 2).
上記特許文献1及び2記載の発明では、原料パージを行うことによって、水素生成装置内部に残留する水蒸気を掃気して、水素生成装置内の水凝縮を抑制しているが、上記原料パージによるシフト触媒の劣化については考慮されていない。
In the inventions described in
本発明は、従来の水素生成装置の課題を考慮し、原料パージによるシフト触媒の性能劣化を抑制することができる、水素生成装置、これを備える燃料電池システム、並びに水素生成装置の運転方法を提供することを目的とする。 The present invention provides a hydrogen generator, a fuel cell system including the hydrogen generator, and a method of operating the hydrogen generator that can suppress performance deterioration of the shift catalyst due to a raw material purge in consideration of the problems of the conventional hydrogen generator. The purpose is to do.
本発明者らは、シフト触媒が300℃程度の高温時に原料パージを行うと、シフト触媒が劣化することを見出した。そこで、本発明者らは、鋭意検討したところ、シフト触媒が高温のときでも、原料に水素を共存させてパージを行うと、シフト触媒の劣化を抑制することを見出し、以下に記載する構成を採用することが、上記本発明の目的を達成する上で極めて有効であるということを見出し、本発明を想到した。 The present inventors have found that the shift catalyst deteriorates when the raw material purge is performed at a high temperature of about 300 ° C. Therefore, the present inventors have intensively studied and found that, even when the shift catalyst is at a high temperature, purging with coexisting hydrogen as a raw material suppresses the deterioration of the shift catalyst, and the configuration described below is provided. It has been found that adoption is very effective in achieving the object of the present invention, and the present invention has been conceived.
すなわち、上記課題を解決するため、第1の本発明の水素生成装置は、原料を改質反応させ水素含有ガスを生成する改質器、及び前記水素含有ガス中の一酸化炭素をシフト反応により低減させるシフト触媒を有する変成器を備える水素生成器と、前記改質器に前記原料を供給する原料供給器と、停止時に、前記原料供給器により前記水素生成器内部を前記原料でパージする際に、前記変成器に流入する前記原料に水素を供給する水素供給器を備えることを特徴とする。 That is, in order to solve the above-described problem, the hydrogen generator of the first aspect of the present invention includes a reformer that generates a hydrogen-containing gas by reforming a raw material, and carbon monoxide in the hydrogen-containing gas by a shift reaction. A hydrogen generator including a shifter having a shift catalyst to be reduced, a raw material supplier that supplies the raw material to the reformer, and when the hydrogen generator is purged with the raw material by the raw material supplier when stopped And a hydrogen supply device for supplying hydrogen to the raw material flowing into the transformer.
第2の本発明の水素生成装置は、前記水素供給器が、水の電気分解によって水素を発生する水素発生器から水素の供給が開始される際に開放される弁であることを特徴とする
第3の本発明の水素生成装置は、前記水素供給器は、水素を貯蔵する水素貯蔵器から水素の供給が開始される際に開放される弁であることを特徴とする。
The hydrogen generator of the second aspect of the present invention is characterized in that the hydrogen supplier is a valve that is opened when supply of hydrogen is started from a hydrogen generator that generates hydrogen by electrolysis of water. The hydrogen generator of the third aspect of the present invention is characterized in that the hydrogen supplier is a valve that is opened when the supply of hydrogen is started from a hydrogen reservoir that stores hydrogen.
第4の本発明の水素生成装置は、前記改質器に供給される原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器に流入する前記原料に前記水素生成器から送出される水素含有ガスを供給するためのリターンガス流路と、を備え、前記水素供給器は、前記リターンガス流路に設けられ、前記リターンガス流路を開放する弁であることを特徴とする。 A hydrogen generator according to a fourth aspect of the present invention includes a hydrodesulfurizer that removes sulfur compounds in a raw material supplied to the reformer, and a feed from the hydrogen generator to the raw material that flows into the hydrodesulfurizer. A return gas flow path for supplying a hydrogen-containing gas, wherein the hydrogen supplier is a valve provided in the return gas flow path and opening the return gas flow path. .
第5の本発明の水素生成装置は、前記シフト触媒が、CuおよびZnを構成元素として含むことを特徴とする。 The hydrogen generator of the fifth aspect of the present invention is characterized in that the shift catalyst contains Cu and Zn as constituent elements.
第1の本発明の燃料電池システムは、上記水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備えることを特徴とする。 A fuel cell system according to a first aspect of the present invention includes the hydrogen generation device and a fuel cell that generates power using a hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generation device.
第1の本発明の水素生成装置の運転方法は、原料を改質反応させ水素含有ガスを生成する改質器、及び前記水素含有ガス中の一酸化炭素をシフト反応により低減させるシフト触媒を有する変成器を備える水素生成器を備える水素生成装置の運転方法であって、停止時に、前記水素生成器内部を前記原料でパージする際に、前記変成器に流入する前記原料に水素を供給する。 The operation method of the hydrogen generator according to the first aspect of the present invention includes a reformer that generates a hydrogen-containing gas by reforming a raw material, and a shift catalyst that reduces carbon monoxide in the hydrogen-containing gas by a shift reaction. A method for operating a hydrogen generator including a hydrogen generator including a transformer, wherein hydrogen is supplied to the raw material flowing into the transformer when the inside of the hydrogen generator is purged with the raw material when stopped.
本発明によれば、従来の水素生成装置及び燃料電池システムに比べ、原料パージにおいてシフト触媒が劣化することを抑制することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to suppress the deterioration of the shift catalyst during the raw material purge as compared with the conventional hydrogen generator and fuel cell system.
以下に、本発明の実施の形態の水素生成装置、これを備える燃料電池システム、及び水素生成装置の運転方法について説明する。 Below, the hydrogen generator of embodiment of this invention, a fuel cell system provided with the same, and the operating method of a hydrogen generator are demonstrated.
本実施の形態の水素生成装置は、原料を改質反応させ水素含有ガスを生成する改質器、及び水素含有ガス中の一酸化炭素をシフト反応により低減させるシフト触媒を有する変成器を備える水素生成器と、改質器に前記原料を供給する原料供給器と、停止時に、原料供給器により水素生成器内部を原料でパージする際に、変成器に流入する原料に水素を供給する水素供給器と、を備えることを特徴とする。 The hydrogen generator of the present embodiment includes a reformer that reforms a raw material to generate a hydrogen-containing gas, and a hydrogen that includes a shifter that has a shift catalyst that reduces carbon monoxide in the hydrogen-containing gas by a shift reaction. A generator, a raw material supplier for supplying the raw material to the reformer, and a hydrogen supply for supplying hydrogen to the raw material flowing into the shifter when the hydrogen generator is purged with the raw material by the raw material supplier when the raw material is stopped And a vessel.
本実施の形態の燃料電池システムは、上記形態の水素生成装置と、水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備える。 The fuel cell system of the present embodiment includes the hydrogen generator of the above embodiment and a fuel cell that generates electric power using the hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generator.
本実施の形態の水素生成装置の運転方法は、原料を改質反応させ水素含有ガスを生成する改質器、及び水素含有ガス中の一酸化炭素をシフト反応により低減させるシフト触媒を有する変成器を備える水素生成器と、改質器に原料を供給する原料供給器と、変成器に流入する原料に水素を供給する水素供給器とを備える水素生成装置の運転方法であって、停止時に、水素生成器内部を原料供給器より供給される原料でパージする際に、水素供給器より変成器に流入する原料に水素を供給することを特徴とする。 The operation method of the hydrogen generator according to the present embodiment includes a reformer that reforms a raw material to generate a hydrogen-containing gas, and a shift converter that includes a shift catalyst that reduces carbon monoxide in the hydrogen-containing gas by a shift reaction. A hydrogen generator comprising: a hydrogen generator comprising: a raw material supplier that supplies a raw material to the reformer; and a hydrogen supplier that supplies hydrogen to the raw material flowing into the shifter, When purging the inside of the hydrogen generator with the raw material supplied from the raw material supply device, hydrogen is supplied to the raw material flowing into the transformation device from the hydrogen supply device.
これにより、従来の水素生成装置及び燃料電池システムに比べ、原料パージにおいてシフト触媒が劣化することを抑制することが可能となる。 Thereby, compared with the conventional hydrogen generator and fuel cell system, it becomes possible to suppress deterioration of the shift catalyst during the raw material purge.
ここで、上記水素供給器は、水素供給源から供給される水素が流れる水素供給経路に設けられた開閉弁である。 Here, the hydrogen supplier is an on-off valve provided in a hydrogen supply path through which hydrogen supplied from a hydrogen supply source flows.
上記水素供給経路は、例えば、改質器に供給される原料が流れる原料供給路と水素供給源を接続するよう設けられる形態が挙げられるが、これに限定されるものではなく、原料パージ時に変成器に流入する原料に水素を供給可能であれば、その形態は任意である。 Examples of the hydrogen supply path include a form in which a hydrogen supply source and a raw material supply path through which a raw material supplied to the reformer flows are connected. The form is arbitrary as long as hydrogen can be supplied to the raw material flowing into the vessel.
また、水素供給源は、例えば、水素貯蔵容器、水の電気分解で水素を発生する水素発生器、上記水素生成器等が例示されるが、本例に限定されるものではなく、水素供給源として機能するものであれば、その形態は任意である。 Examples of the hydrogen supply source include a hydrogen storage container, a hydrogen generator that generates hydrogen by electrolysis of water, and the hydrogen generator described above. However, the hydrogen supply source is not limited to this example. If it functions as, the form is arbitrary.
(実施の形態1)
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
(Embodiment 1)
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. The other components are not shown. Furthermore, the present invention is not limited to the following embodiment.
図1は、本発明の実施の形態1に係る水素生成装置の概略構成を示す模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a hydrogen generator according to
図1に示されるように、本発明の実施の形態1に係る水素生成装置100は、原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器6、及び改質器6で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素をシフト反応により低減させるシフト触媒を有する変成器8を備える水素生成器100Aと、改質器6に原料を供給する原料供給器1と、停止時に、原料供給器により水素生成器内部を原料でパージする際に、変成器に流入する原料に水素を供給する水素供給器としての開閉弁15とを備える。
As shown in FIG. 1, the
ここで、上記原料は、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含み、天然ガス、LPG、ナフサ、ガソリン、灯油等の炭化水素及びメタノール等のアルコールに例示される原料が、好適に用いられる。 Here, the raw material contains an organic compound having at least carbon and hydrogen as constituent elements, and raw materials exemplified by hydrocarbons such as natural gas, LPG, naphtha, gasoline, kerosene, and alcohols such as methanol are preferably used. It is done.
ここで、改質器6には、内部に改質触媒が配設されている。この改質触媒によって、改質反応が進行し、原料及び水から水素含有ガスを生成することができる。改質反応に要する熱は燃焼器11から供給される。改質触媒には、一般的に、Pt、Ru、Rh等の貴金属系触媒及びNiからなる群の中から選択される少なくとも1種が好適に用いられる。
Here, a reforming catalyst is disposed inside the
また、変成器8には、内部にシフト触媒が配設されている。このシフト触媒によって、シフト反応が進行し、改質器6から排出される水素含有ガス中の一酸化炭素と水から水素と二酸化炭素を生成することができる。シフト触媒には、一般的には、Pt、Ru、Rh等の貴金属系触媒、Cu−Zn系触媒、及びFe−Cr系触媒からなる群の中から選択される少なくとも1種が好適に用いられる。
Further, a shift catalyst is disposed inside the
また、原料供給器1は、改質器6に供給される原料の流量を調整する機器であり、本実施の形態においては、昇圧器と流量調整弁とにより構成される。なお、原料供給器1は、本例に限定されるものではなく、昇圧器及び流量調整弁のいずれか一方を設ける形態を採用しても構わない。
The
なお、本実施の形態の水素生成装置では、上記水素生成器100Aに、改質器6及び変成器8のみを設けるよう構成されているが、本例に限定されるものではなく、変成器8の下流に変成器8から排出された水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化反応またはメタン化反応により低減するCO除去器を備える形態を採用しても構わない。なお、上記CO除去器は、内部に酸化触媒またはメタン化触媒が配設されているが、一般的に、Pt系触媒又はRu系触媒が好適に用いられる。
In the hydrogen generator of the present embodiment, only the
また、本実施の形態の水素生成装置100は、上記構成に加えて、更に、改質器6に改質反応に利用される水を供給する水供給器3と、改質器6の温度を検知する温度検知器7と、水素生成器100Aから水素利用機器に供給される水素含有ガスが流れる第1の経路31に設けられた第1開閉弁12と、改質器6を加熱する燃焼器11と、水素生成器100Aから送出される水素含有ガスを水素利用機器10をバイパスして燃焼器11に供給するための第2の経路32に設けられた第2開閉弁13と、上記水素生成装置100の動作を制御するために制御器200と、を備える。
In addition to the above configuration, the
ここで、制御器200とは、マイクロプロセッサ、CPU等から構成され、単独の制御器だけでなく、複数の制御器が協働して制御を実行する制御器群をも含むことも意味する。よって、制御器200は、単独の制御器から構成される必要はなく、複数の制御器が分散配置されていて、それらが協働して水素生成装置100の動作を制御するように構成されていてもよい。
Here, the
また、上記構成を有する水素生成装置100の他に、水素生成装置100により生成された水素含有ガスを利用する水素利用機器10及び改質器6に供給される原料に水素を供給する水素供給源となる水素発生器5が、図1に示される。
In addition to the
上記水素利用機器10は、本実施の形態では、燃料電池が用いられる。そして、上記水素生成装置100と燃料電池とで燃料電池システムが構成される。なお、水素利用機器は、本例に限定されるものではなく、水素貯蔵容器等、水素を利用する機器であればその形態は任意である。
In the present embodiment, the
水素発生器5は、水を電気分解することで水素を発生させる機器である。一例としては、水タンクに正極及び負極を備え、外部電源より両極に電圧を印加して、水を電気分解する形態が挙げられる。他の例として、白金ブラック等を用いた電極、固体高分子膜を電解質膜として、電極に外部電源から電圧をかけるとともに、一方の水を通流させながら電気分解させる形態が挙げられる。また、燃料電池として固体高分子型燃料電池を用い、その正極及び負極に外部電源から電圧をかけて水素を発生させ、水素発生器と水素利用機器を兼用させる構成としても良い。
The
次に、上記構成を有する水素生成装置100の停止動作について説明する。
[水素生成運転]
以下に、水素生成装置100の水素生成運転の動作例について説明する。これらの動作は制御器200によって制御されることにより遂行される。
Next, the stop operation of the
[Hydrogen generation operation]
Hereinafter, an operation example of the hydrogen generation operation of the
原料供給器1を制御して、原料供給路2から原料が改質器6に供給される。
The
また、水供給器3を制御して、水が改質器6に供給される。水の供給流量は、例えば、単位時間当たりの水供給量中のH2O分子のモル量/単位時間当たり原料流量量中のC原子のモル量比(S/C)を約3にする流量が好適である。
Further, the
そして、燃焼器11によって、改質器6が水蒸気改質反応に適する温度(改質反応温度)を維持するよう加熱される。加熱温度の調整は、温度検知器7の検知温度に基づいて行われる。本実施の形態では、改質触媒にRu触媒を用い、温度検知器7で検知される温度が約650℃となるように燃焼器11によって加熱するのが好適である。
Then, the
以上の制御によって、改質器6では、水蒸気改質反応により水素含有ガスが効率的に生成される。
By the above control, the
改質器6で生成された水素含有ガスは、変成器8に供給され、シフト反応により水素含有ガスの一酸化炭素濃度が低減される。なお、水素生成運転中において、変成器8は、シフト反応に適する温度(シフト反応温度)になるよう構成されている。具体的には、変成器8の温度調整が、燃焼器11の燃焼排ガスからの伝熱を利用して行われるよう構成されていてもよいし、電気ヒーター等の加熱器を利用して行われるよう構成されていてもよい。
The hydrogen-containing gas produced by the
尚、本実施の形態では、シフト触媒としてCu−Zn系のシフト触媒が用いられ、シフト反応温度は、約250〜350℃になるように設計されている。 In this embodiment, a Cu—Zn shift catalyst is used as the shift catalyst, and the shift reaction temperature is designed to be about 250 to 350 ° C.
水素生成器100Aから送出される水素含有ガスは第1の経路31を経由して水素利用機器10に供給される。本実施の形態では、水素利用機器10は、燃料電池であるため、供給された水素含有ガス及び図示されない酸化剤ガス供給器より供給される酸化剤ガスを用いて発電運転が実行される。
[停止処理]
次に、水素生成運転を実行している水素生成装置100の停止時の動作について説明する。
The hydrogen-containing gas delivered from the
[Stop processing]
Next, an operation when the
本実施の形態の水素生成装置100は、停止時に、水素生成器100Aの内部を原料ガスでパージする原料パージ動作が実行されるが、その際の、シフト触媒の特性への影響について、本発明者らは検討を行った。
The
まず、本発明者らはシフト触媒を以下に示す固定床流通反応装置に設置して、高温時での原料流通前後の特性の比較を行った。図2は、その結果を示すグラフである。すなわち、図2は、改質器通過後相当の改質模擬ガスを、シフト触媒を通過させた後の水素含有ガス中の一酸化炭素濃度について、シフト触媒の温度に対する特性(温度特性)を検討した試験結果を示すグラフである。 First, the present inventors installed a shift catalyst in the fixed bed flow reactor shown below, and compared the characteristics before and after the flow of the raw material at a high temperature. FIG. 2 is a graph showing the results. That is, FIG. 2 examines the characteristics (temperature characteristics) of the shift catalyst with respect to the temperature of the carbon monoxide concentration in the hydrogen-containing gas after passing the reforming simulation gas corresponding to the reformer through the shift catalyst. It is a graph which shows the test result.
シフト触媒には、市販のCu−Zn系触媒が用いられ、20ccの反応管に充填した。シフト触媒の温度特性は、改質模擬ガス(水素:57%、一酸化炭素:9%、二酸化炭素:8%、水:26%)を300mL/minで流通させながら、シフト触媒を充填した反応管に熱を与える電気炉の設定温度を下げていき、反応管から排出されるガス中の一酸化炭素濃度を測定することによって行った。 A commercially available Cu—Zn-based catalyst was used as the shift catalyst, and it was packed in a 20 cc reaction tube. The temperature characteristic of the shift catalyst is a reaction in which the reforming simulation gas (hydrogen: 57%, carbon monoxide: 9%, carbon dioxide: 8%, water: 26%) is circulated at 300 mL / min and the shift catalyst is filled. This was carried out by lowering the set temperature of the electric furnace for applying heat to the tube and measuring the concentration of carbon monoxide in the gas discharged from the reaction tube.
まず、反応管に充填されたシフト触媒に対して還元処理をすることで、シフト触媒を初期化した後、上記条件で一酸化炭素濃度を測定した。その結果(初期温度特性)を示すのが、図2の白丸でプロットしたグラフである。 First, the shift catalyst filled in the reaction tube was subjected to reduction treatment to initialize the shift catalyst, and then the carbon monoxide concentration was measured under the above conditions. The result (initial temperature characteristic) is a graph plotted with white circles in FIG.
次に、上記温度特性への原料パージの影響について検証を行うために、シフト触媒の温度が300℃になるように、反応管を電気炉によって加熱し、その温度を保持した状態で、原料として脱硫した都市ガスを用いて、上記反応管に100mL/minの流速で、12時間流通させた。都市ガス流通後、初期温度特性を測定した時と同様に、改質模擬ガスをシフト触媒に流通させて温度特性を測定した。この結果を、図2の「13A」というプロット(黒三角)に示す。 Next, in order to verify the influence of the raw material purge on the temperature characteristics, the reaction tube is heated by an electric furnace so that the temperature of the shift catalyst becomes 300 ° C. Using the desulfurized city gas, the reaction tube was circulated at a flow rate of 100 mL / min for 12 hours. After the city gas flow, the reformed simulated gas was passed through the shift catalyst and the temperature property was measured in the same manner as when the initial temperature property was measured. The result is shown in a plot (black triangle) “13A” in FIG.
この結果から、シフト触媒が初期状態である場合には、例えば、触媒温度が190℃のときCOを約0.2dry%まで低減できていたが、都市ガス流通後には、同じ触媒温度でも約1dry%までも低減できていないことが示された。つまり、シフト触媒が原料パージにより劣化することが示された。 From this result, when the shift catalyst is in the initial state, for example, when the catalyst temperature was 190 ° C., CO could be reduced to about 0.2 dry%, but after the city gas flow, about 1 dry even at the same catalyst temperature. % Could not be reduced. That is, it was shown that the shift catalyst deteriorates due to the raw material purge.
次に、シフト触媒を入れ替えて、還元処理を行い、温度特性試験を行って、入れ替えたシフト触媒の初期特性が前述の特性(図2の白丸で示す「初期温度特性」のプロット)と同等であることを確認した。 Next, the shift catalyst is replaced, the reduction treatment is performed, the temperature characteristic test is performed, and the initial characteristic of the replaced shift catalyst is equal to the above-described characteristic (the plot of the “initial temperature characteristic” indicated by the white circle in FIG. 2). I confirmed that there was.
その後、シフト触媒の温度が300℃になるように、反応管を電気炉で過熱し、脱硫した都市ガス100mL/minに、水素を10mL/min加えた混合ガスを反応管に12時間流通させた。その後、改質模擬ガスをシフト触媒に流通させて温度特性を測定した。この結果が、図2の「13A+水素」というプロット(黒四角形)に示されている。図2に示すように、都市ガスに水素を添加させると、シフト触媒の温度特性の低下がほとんど見られないことがわかる。 Thereafter, the reaction tube was heated in an electric furnace so that the temperature of the shift catalyst was 300 ° C., and a mixed gas obtained by adding 10 mL / min of hydrogen to 100 mL / min of desulfurized city gas was allowed to flow through the reaction tube for 12 hours. . Thereafter, the reforming simulation gas was passed through the shift catalyst, and the temperature characteristics were measured. This result is shown in a plot (black square) “13A + hydrogen” in FIG. As shown in FIG. 2, it is understood that when hydrogen is added to the city gas, the temperature characteristics of the shift catalyst are hardly deteriorated.
以上のように、図2の結果から、本発明者らは、原料を流通するときには水素を添加することによって、シフト触媒の触媒性能の劣化が抑制され、望ましいことを見出した。 As described above, based on the results of FIG. 2, the present inventors have found that it is preferable to add hydrogen when the raw material is circulated to suppress deterioration of the catalytic performance of the shift catalyst.
次に、本実施の形態の水素生成装置の特徴である、水素生成装置100の停止時の動作の一例について説明する。
Next, an example of the operation when the
図3は、本実施の形態の水素生成装置の停止時の動作の一例を示すフローチャートである。 FIG. 3 is a flowchart showing an example of the operation when the hydrogen generator of the present embodiment is stopped.
上述の通り、水素生成装置100の水素生成運転中には改質温度が650℃、変成温度は350℃になるように制御が行われている。
As described above, during the hydrogen generation operation of the
水素生成装置100の停止時には、まず、制御器200は、原料供給器1、水供給器3の動作を停止して、原料ガスと水の供給を停止するとともに、燃焼器11の燃焼動作を停止して、改質器6の加熱を停止する(ステップS101)。燃焼器11での加熱が停止すると、改質触媒の温度は低下する。そして、制御器200が、温度検知器7で検知される温度が、改質触媒上で原料より炭素が析出しない温度閾値Tth(例えば、400℃)以下であるか否かを判定し(ステップS102)、温度検知器7の検知温度がTth以下になると(ステップS102でYes)、水素生成器100Aの原料パージを開始するととともに、変成器8に流入する原料への水素の供給が開始される(ステップS103)。ステップS103では、具体的には、第3開閉弁15を開放するとともに原料供給器1及び水素発生器5の動作を開始する。これにより、原料供給器1の動作により、原料供給路2の原料ガスが改質器6に供給されるとともに、水素発生器5で発生した水素が原料供給路2に導入され、改質器6に供給される。このため、水素が混合された原料が変成器8を通流することとなる。また、上記動作において、水素発生器5へ電圧を印加して水の電気分解を進行させ、水素の発生動作を実行したが、水素発生器5を動作させず、水素発生器5内に残留する水素を用いる形態であっても構わない。
When the
次に、上記原料パージ動作を開始後、制御器200は、水素生成器100Aへの原料供給量が、所定の閾値Vth(例えば、10NL)以上になったか否かを判定する(ステップS104)。原料供給量がVthになると(ステップS104でYes)、水素生成器100Aの原料パージと変成器8に流入する原料への水素の供給を停止する(ステップS105)。ステップS105では、具体的には、第3開閉弁15を閉止するとともに原料供給器1及び水素発生器5の動作を停止する。ここで、上記Vthは、水素生成器100A内の残留ガスを原料ガスで置換可能な量として定義される。
Next, after starting the raw material purge operation, the
本実施の形態の水素生成装置100は、上述のように停止時において、水素生成器100Aの原料パージを実行する際に、水素が混合された原料が変成器8に供給されるので、シフト触媒が原料のみを通流すると劣化する温度であっても、従来の水素生成装置に比べて、シフト触媒の触媒性能の劣化を抑制することができる。また、本実施の形態の水素生成装置100を備える燃料電池システムについても、上記と同様の効果が得られることは明らかである。
[変形例1]
次に、実施の形態1に係る水素生成装置の変形例1について説明する。図4は、本変形例の水素生成装置の概略構成を示す図である。
In the
[Modification 1]
Next,
図4に示すように、本変形例1の水素生成装置100は、上記実施の形態1に係る水素生成装置100と基本的構成は同じであるが、水素発生器5に代えて、水素貯蔵器16を水素供給源として用いられる点が異なる。上記水素貯蔵器16は、水素吸蔵合金を貯蔵したタンク、水素を貯蔵するタンク等が用いられる。水素生成装置100の停止時において、水素生成器100Aの原料パージを実行する際の動作フロー(水素供給動作)については、実施の形態1と同様であるので、その説明を省略する。
As shown in FIG. 4, the
そして、上記動作により、実施の形態1と同様に、本変形例1の水素生成装置100であっても、従来の水素生成装置に比べて、シフト触媒の触媒性能の劣化を抑制することができる。また、本変形例1の水素生成装置100を備える燃料電池システムについても、上記と同様の効果が得られることは明らかである。
[変形例2]
次に、実施の形態1の水素生成装置の変形例2について説明する。図5は、本変形例2の水素生成装置の概略構成を示す図である。
And by the said operation | movement, even if it is the
[Modification 2]
Next,
図5に示すように、本変形例2の水素生成装置100は、実施の形態1に係る水素生成装置100と基本的構成は同じであるが、実施の形態1の水素発生器5に代えて、水素生成器100A内に残留する水素含有ガスを水素供給源として用いる点と、水添脱硫器18が設けられている点が異なる。具体的には、本変形例2の水素生成装置100では、第1の経路31と原料供給路2を接続するリサイクル経路17が設けられていて、該リサイクル経路17に水素供給器としての第3開閉弁15が設けられている。また、原料供給路2の原料供給器1の下流側に、水添脱硫器18が設けられている。水添脱硫器18は、水添脱硫触媒が充填され、原料中に含まれる硫黄化合物を水素と反応させ、硫化水素に変換し、この硫化水素を吸着することで硫黄化合物を除去することができるように構成されている。
As shown in FIG. 5, the
本変形例2の水素生成装置100は、停止時において、水素生成器100Aの原料パージを実行する際の動作フローについては、基本的に同じであるが、ステップS104におけるVthは、水素生成器100Aと同等の容量であることが好ましい。これは、水素生成器100A内の残留ガスが原料でパージされた後においても継続的に原料を供給すると、リサイクル経路17を介して水素生成器100Aに流入するガスが水素含有ガスから原料に変わり、変成器8に原料のみが供給され、シフト触媒の温度によっては、シフト触媒が劣化する懸念があるからである。
In the
そして、上記のように構成された本変形例2の水素生成装置であっても、水素生成器100Aの原料パージ時の水素供給動作により、実施の形態1と同様に、従来の水素生成装置に比べて、シフト触媒の触媒性能の劣化を抑制することができる。また、本変形例2の水素生成装置100を備える燃料電池システムについても、上記と同様の効果が得られることは明らかである。
Even in the hydrogen generator of
本発明の水素生成装置、水素生成装置の運転方法及び燃料電池システムは、運転停止時に、シフト触媒の性能劣化をより抑制することができる効果を有し、水素生成装置、水素生成装置の運転方法及び燃料電池システムとして有用である。 The hydrogen generator, the operation method of the hydrogen generator, and the fuel cell system of the present invention have the effect of further suppressing the performance deterioration of the shift catalyst when the operation is stopped, and the hydrogen generator and the operation method of the hydrogen generator And it is useful as a fuel cell system.
1 原料供給器
2 原料供給路
3 水供給器
5 水素発生器
6 改質器
7 温度検知器
8 変成器
10 水素利用機器
11 燃焼器
12 第1開閉弁
13 第2開閉弁
15 第3開閉弁
16 水素貯蔵器
17 リターンガス経路
18 水添脱硫器
31 第1の経路
32 第2の経路
100 水素生成装置
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記改質器に前記原料を供給する原料供給器と、
停止時に、前記原料供給器により前記水素生成器内部を前記原料でパージする際に、前記変成器に流入する前記原料に水素を供給する水素供給器と、を備える、水素生成装置。 A hydrogen generator comprising a reformer for generating a hydrogen-containing gas by reforming a raw material, and a shifter having a shift catalyst for reducing carbon monoxide in the hydrogen-containing gas by a shift reaction;
A raw material supplier for supplying the raw material to the reformer;
A hydrogen supply device, comprising: a hydrogen supply device that supplies hydrogen to the raw material that flows into the shifter when purging the interior of the hydrogen generator with the raw material by the raw material supply device when stopped.
前記水添脱硫器に流入する前記原料に前記水素生成器から送出される水素含有ガスを供給するためのリターンガス流路と、を備え、
前記水素供給器は、前記リターンガス流路に設けられ、前記リターンガス流路を開放する弁である、請求項1記載の水素生成装置。 A hydrodesulfurizer for removing sulfur compounds in the raw material supplied to the reformer;
A return gas flow path for supplying a hydrogen-containing gas sent from the hydrogen generator to the raw material flowing into the hydrodesulfurizer,
The hydrogen generation apparatus according to claim 1, wherein the hydrogen supply unit is a valve that is provided in the return gas channel and opens the return gas channel.
停止時に、前記水素生成器内部を前記原料供給器より供給される前記原料でパージする際に、前記水素供給器より前記変成器に流入する前記原料に水素を供給する、水素生成装置の運転方法。 A hydrogen generator comprising a reformer for reforming a raw material to generate a hydrogen-containing gas, a shifter having a shift catalyst for reducing carbon monoxide in the hydrogen-containing gas by a shift reaction, and the reformer A hydrogen generator operating method comprising: a raw material supplier that supplies the raw material; and a hydrogen supplier that supplies hydrogen to the raw material flowing into the transformer,
A hydrogen generator operating method for supplying hydrogen to the raw material flowing from the hydrogen supply device into the shifter when purging the hydrogen generator interior with the raw material supplied from the raw material supply device when stopping .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010099214A JP2011225410A (en) | 2010-04-22 | 2010-04-22 | Hydrogen generating apparatus, fuel cell system with the same and method of operating hydrogen generating apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010099214A JP2011225410A (en) | 2010-04-22 | 2010-04-22 | Hydrogen generating apparatus, fuel cell system with the same and method of operating hydrogen generating apparatus |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2011225410A true JP2011225410A (en) | 2011-11-10 |
Family
ID=45041288
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2010099214A Pending JP2011225410A (en) | 2010-04-22 | 2010-04-22 | Hydrogen generating apparatus, fuel cell system with the same and method of operating hydrogen generating apparatus |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2011225410A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014234322A (en) * | 2013-05-31 | 2014-12-15 | 株式会社神戸製鋼所 | Hydrogen production apparatus stopping method and hydrogen production apparatus |
| WO2017154138A1 (en) * | 2016-03-09 | 2017-09-14 | 株式会社 東芝 | System for preventing hydrogen leakage, method for preventing hydrogen leakage, system for producing hydrogen, and system for storing electric power |
-
2010
- 2010-04-22 JP JP2010099214A patent/JP2011225410A/en active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014234322A (en) * | 2013-05-31 | 2014-12-15 | 株式会社神戸製鋼所 | Hydrogen production apparatus stopping method and hydrogen production apparatus |
| WO2017154138A1 (en) * | 2016-03-09 | 2017-09-14 | 株式会社 東芝 | System for preventing hydrogen leakage, method for preventing hydrogen leakage, system for producing hydrogen, and system for storing electric power |
| JPWO2017154138A1 (en) * | 2016-03-09 | 2019-02-14 | 株式会社東芝 | Hydrogen leak prevention system, hydrogen leak prevention method hydrogen production system, power storage system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5636001B2 (en) | Hydrogen generator, fuel cell system, and operation method of hydrogen generator | |
| JP5340657B2 (en) | Hydrogen generator, fuel cell system, and operation method of hydrogen generator | |
| WO2012169199A1 (en) | Hydrogen generator, fuel cell system comprising same, and method for operating hydrogen generator | |
| JP5214076B1 (en) | Hydrogen generator and fuel cell system | |
| JP5383667B2 (en) | HYDROGEN GENERATOR AND FUEL CELL SYSTEM INCLUDING THE SAME | |
| JP2011225410A (en) | Hydrogen generating apparatus, fuel cell system with the same and method of operating hydrogen generating apparatus | |
| JP5098073B2 (en) | Energy station | |
| KR101362209B1 (en) | Regeneration method and apparatus for sulfur-poisoned reform catalyst in the fuel processor of fuel cell system | |
| WO2013001753A1 (en) | Hydrogen generation device and fuel cell system | |
| JP2002020103A (en) | Method for starting and method for stopping hydrogen producing device | |
| JP5547994B2 (en) | Desulfurization method, desulfurization apparatus and fuel cell power generation system | |
| JP2014101264A (en) | Operation method of hydrogen generator, and operation method of fuel cell system | |
| JP5869137B2 (en) | Non-catalytic hydrogen generation process for delivery to hydrodesulfurization unit and solid oxide fuel cell system combination in auxiliary power unit applications | |
| JP2013224242A (en) | Hydrogen generator and fuel cell system | |
| JP5809049B2 (en) | Method of using steam reforming catalyst for fuel cell and hydrogen production system | |
| JP2013032238A (en) | Hydrogen generator and fuel cell system | |
| JP2004296102A (en) | Fuel cell system and fuel cell system stopping method | |
| JP2011256059A (en) | Method for operating hydrogen generator and fuel cell system | |
| JP2012030990A (en) | Hydrogen generator, fuel cell system having the same and method for operating hydrogen generator | |
| JP2016130193A (en) | HYDROGEN GENERATOR, FUEL CELL SYSTEM USING SAME, AND METHOD FOR OPERATING THE SAME | |
| JP2005093214A (en) | Method for supplying liquefied petroleum gas to hydrogen production system for fuel cell | |
| JP6618389B2 (en) | Fuel cell system | |
| US9290385B2 (en) | Hydrogen generation apparatus and fuel cell system | |
| JP2016197536A (en) | Desulfurization system, reforming system, fuel cell system, and method for producing desulfurized raw material | |
| JP2014125387A (en) | Hydrogen generator, fuel cell system, operation method of a hydrogen generator, and operation method of a fuel cell system |