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JP2019099419A - Hydrogen generation system and fuel cell system - Google Patents

Hydrogen generation system and fuel cell system Download PDF

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弘将 坂下
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Abstract

【課題】小型で、中温領域にて安定的に水素を生成する水素生成システムを提供する。【解決手段】メタノール水溶液を水溶液改質して水素を生成する水素生成装置と、水素生成装置から排出された水素含有ガスを凝縮して水素ガスと凝縮物とを分離する凝縮分離装置と、凝縮物中の少なくとも未反応のメタノールを、水素生成装置に再供給する再供給手段と、を備え、水素生成装置は、少なくとも一端が開放された筒構造を有し、筒構造の内部に加熱室が配設された基体と、基体の筒構造の外周面の少なくとも一部を覆って配置され、カーボンシートに触媒金属が担持された触媒と、触媒が配置された基体を収容する外装材と、基体の筒の長さ方向における一端の側に配置され、水素ガスを排出する排出口と、基体の筒の長さ方向における他端の側に配置され、基体と外装材との間にメタノール水溶液を供給する供給口と、を備えた水素生成システムである。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small-sized hydrogen generating system which stably generates hydrogen in a medium temperature range. A hydrogen generator for reforming an aqueous solution of methanol to generate hydrogen, a condensation separator for condensing a hydrogen-containing gas discharged from the hydrogen generator to separate a hydrogen gas and a condensate, and a condenser. Re-supplying means for re-supplying at least unreacted methanol in the product to the hydrogen generator, the hydrogen generator has a tubular structure with at least one end opened, and the heating chamber is provided inside the tubular structure. An arranged base body, a catalyst which is arranged so as to cover at least a part of the outer peripheral surface of the cylindrical structure of the base body, and in which a catalytic metal is carried on a carbon sheet, an exterior material which houses the base body on which the catalyst is arranged, Is arranged at one end side in the length direction of the cylinder, and is arranged at the discharge port for discharging hydrogen gas and the other end side in the cylinder length direction of the base body, and the aqueous methanol solution is placed between the base body and the exterior material. And a supply port for supplying the hydrogen. [Selection diagram] Figure 1

Description

本開示は、水素生成システム及び燃料電池システムに関する。   The present disclosure relates to a hydrogen generation system and a fuel cell system.

クリーンなエネルギー源であるメタノールは、改質反応により生成される水素量が多い点で水素供給源として注目されている。水素供給源の用途の一つとして、近年注目されている燃料電池は、実用化する上で特に高純度の水素を製造する方法が求められる。   Methanol, which is a clean energy source, has attracted attention as a hydrogen source in that it has a large amount of hydrogen generated by the reforming reaction. As one of the applications of a hydrogen supply source, a fuel cell that has been attracting attention in recent years is required to have a method for producing hydrogen of particularly high purity for practical use.

メタノールの改質は、気相接触による水蒸気改質法が一般に知られている。水蒸気改質法には、銅触媒もしくは銅に亜鉛等の第二金属を添加した複合触媒が使用されている。
ところが、水蒸気改質法は固気接触方式であるため、メタノール及び水をあらかじめ気体に変えておくための蒸発熱と吸熱反応器における広い固気接触面積とが用意される必要があるので、省エネルギー化及びシステムのコンパクト化の観点から好ましくない。
The reforming of methanol is generally known by vapor phase catalytic steam reforming. In the steam reforming method, a copper catalyst or a composite catalyst obtained by adding a second metal such as zinc to copper is used.
However, since the steam reforming method is a solid-gas contact method, it is necessary to prepare an evaporation heat for converting methanol and water into a gas in advance and a wide solid-gas contact area in the endothermic reactor, so It is not preferable from the viewpoint of system integration and system downsizing.

一方、固体触媒の存在下、メタノール水溶液を液相で改質する水素の製造方法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
また、メタノール水溶液の改質反応として、過熱液膜状態を利用した過熱液膜型脱水素反応を適用することも開示されている(例えば、特許文献2参照)。
On the other hand, there is disclosed a method of producing hydrogen in which a methanol aqueous solution is reformed in a liquid phase in the presence of a solid catalyst (see, for example, Patent Document 1).
Moreover, applying a superheated liquid film type dehydrogenation reaction utilizing a superheated liquid film state as a reforming reaction of a methanol aqueous solution is also disclosed (see, for example, Patent Document 2).

特開平11−157803号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-157803 特許第4213952号公報Patent No. 4213952

上記のように、従来からメタノール水溶液を液相で改質する方法は開示されているが、単に触媒を用いて液相中でメタノールを改質しようとしても、高い水素転化率は期待できず、反応場を大きく確保しなければ、250℃〜350℃程度の温度領域で所望とする水素量を確保することは困難である。   As mentioned above, although the method of reforming methanol aqueous solution by the liquid phase conventionally is disclosed, even if it is going to reform methanol in the liquid phase simply using a catalyst, high hydrogen conversion can not be expected, Unless a large reaction site is secured, it is difficult to secure a desired amount of hydrogen in a temperature range of about 250 ° C. to 350 ° C.

また、改質反応を250℃〜350℃程度の温度領域で行ってCOの生成を低く抑えながら、水素転化率を高めるには、液相触媒反応において過熱液膜状態を形成することが望ましいが、実際の反応場において過熱液膜状態を維持することは難しい。   It is also desirable to form a superheated liquid film state in liquid phase catalysis in order to increase the hydrogen conversion while carrying out the reforming reaction in a temperature range of about 250 ° C to 350 ° C to suppress CO formation low. It is difficult to maintain the superheated liquid film state at the actual reaction site.

本開示は、上記に鑑みなされたものである。
本開示は、小型で、かつ、中温領域(250℃〜350℃)にて安定的に水素生成する水素生成システム、及び需要に応じた電力供給が可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。
The present disclosure has been made in view of the above.
An object of the present disclosure is to provide a small-sized hydrogen generation system that stably generates hydrogen in a medium temperature range (250 ° C. to 350 ° C.), and a fuel cell system capable of supplying electric power according to demand. Do.

上記の目的を達成するために、本開示の第1の態様に係る水素生成システムは、
<1> メタノール水溶液を水溶液改質して水素ガスを生成する水素生成装置と、水素生成装置から排出された水素を含む混合ガスが供給され、供給された混合ガスを凝縮して少なくとも水素ガスと凝縮物とを分離する凝縮分離装置と、凝縮分離装置で分離された凝縮物中の少なくとも未反応のメタノールを、水素生成装置に再供給して水溶液改質に供する再供給手段と、を備え、
前記水素生成装置は、
少なくとも一端が開放された筒構造を有し、前記筒構造の内部に加熱室が配設された基体と、
前記基体の前記筒構造の外周面の少なくとも一部を覆うように配置され、カーボンシートに触媒金属が担持された触媒と、
前記触媒が配置された前記基体を収容する外装材と、
前記基体の筒の長さ方向における前記一端の側に配置され、水素ガスを排出する排出口と、
前記基体の筒の長さ方向における他端の側に配置され、前記基体と前記外装材との間にメタノール水溶液を供給する供給口と、
を備え、供給されたメタノール水溶液を前記触媒により水溶液改質して水素ガスを生成するものである。
In order to achieve the above object, a hydrogen generation system according to a first aspect of the present disclosure is:
<1> A hydrogen generator for producing a hydrogen gas by reforming an aqueous solution of methanol solution, and a mixed gas containing hydrogen discharged from the hydrogen generator are supplied, and the supplied gas is condensed to at least hydrogen gas The condensation separation device for separating from the condensate, and the resupply means for resupplying to the hydrogen generation device and subjecting to at least aqueous solution reforming the at least unreacted methanol in the condensate separated by the condensation separation device;
The hydrogen generator is
A base having a cylindrical structure in which at least one end is open, and in which the heating chamber is disposed inside the cylindrical structure;
A catalyst which is disposed so as to cover at least a part of the outer peripheral surface of the cylindrical structure of the substrate, and in which a catalyst metal is supported on a carbon sheet;
An exterior material that accommodates the base on which the catalyst is disposed;
A discharge port disposed on the side of the one end in the longitudinal direction of the cylinder of the substrate and discharging hydrogen gas;
A supply port disposed on the side of the other end in the longitudinal direction of the cylinder of the substrate, for supplying a methanol aqueous solution between the substrate and the sheathing material;
And reforming the supplied aqueous methanol solution with the catalyst to produce hydrogen gas.

第1の態様に係る水素生成システムは、メタノール水溶液をシート状の触媒を備えた水素生成装置で水溶液改質し、改質生成された水素を含む混合ガスは、凝縮分離装置で凝縮されることにより少なくとも水素ガスと凝縮物とに分離され、分離された水素ガス(好ましくは、水素ガス以外の気相成分から水素分離膜等により精製された水素ガス)は外部の水素使用装置に供給される。一方、分離された凝縮物には、水溶液改質反応に供されていない未反応のメタノール水溶液が含まれており、凝縮分離装置から排出された液相の凝縮物のうち、少なくとも未反応のメタノールは、再供給手段によって同一の又は別の水素生成装置に供給され、水素生成装置での水溶液改質に供されることになる。
この際、水素生成装置は、触媒の加熱機能を担う基体と、基体を収容する外装材の内壁と、の間に形成される空間を反応室とし、反応室を形成している基体の筒構造に、筒構造の周囲の少なくとも一部を覆うように、熱伝達性を有するシート状担体に触媒金属が担持されたシート状の触媒を、例えば巻回して(好ましくは複数回巻回して)配置し、反応室に供給されるメタノール水溶液をシート状の触媒を用いて水溶液改質する。
つまり、加熱室が設けられた基体の筒構造の周囲に亘って、シート状の担体に触媒金属が担持されたシート状の触媒を、例えば巻回して(好ましくは複数回巻回して)配置し、かつ、熱伝達性を有するカーボン系のシート状担体に、供給口から室温のメタノール水溶液を送入してミクロ細孔に毛細管凝縮貯留させ、そこで沸点を超えるまで予熱されるようにメタノール水溶液の流動線速度を設定する。過熱状態のメタノール水溶液は、適度の湿潤状態を維持しつつ、カーボン表面を拡散移動し、核沸騰発泡点にある触媒の金属粒子に到達する。触媒金属の表面に生成した水素、二酸化炭素、及び一酸化炭素の気相生成物と未反応のメタノール水溶液は、沸点を大きく上回る加熱源温度と良好な熱流束を生かして孤立気泡を頻度高く形成し、気泡が離脱すれば直ちに過熱液によって被覆され、メタノール水溶液改質反応が不可逆的に進行する。したがって、急峻な温度勾配と多量の熱移動の下、空いた活性サイトの高密度化の結果として、吸熱反応熱と生成物脱離熱とを触媒に対して効果的に供与することができる。
これにより、小型化を実現しながら、中温領域(250℃〜350℃)で水素ガスの改質生成が行え、かつ、未反応のメタノール水溶液を含む凝集物の循環再利用により改質反応の転化率が飛躍的に改善する。また、メタノール水溶液の供給速度を調整すれば、過熱液膜状態を形成するメタノール水溶液の流動線速度が制御され、燃料電池より要求される水素量(外部の水素需要)に合致した量の水素の供給を実現すると共に、システム全体でのメタノールの完全転化を達成することができる。これにより、生成される水素量を飛躍的に向上させることができる。
In the hydrogen generation system according to the first aspect, an aqueous solution of methanol is reformed in an aqueous solution by a hydrogen generator equipped with a sheet-like catalyst, and a mixed gas containing reformed hydrogen is condensed by a condensation / separation device. Is separated into at least hydrogen gas and condensate, and the separated hydrogen gas (preferably hydrogen gas purified from a gas phase component other than hydrogen gas by a hydrogen separation membrane etc.) is supplied to an external hydrogen using device . On the other hand, the separated condensate contains unreacted methanol aqueous solution which has not been subjected to the aqueous solution reforming reaction, and at least unreacted methanol among the liquid phase condensate discharged from the condensing separator. Is supplied to the same or another hydrogen generator by the resupply means and subjected to aqueous solution reforming in the hydrogen generator.
Under the present circumstances, the hydrogen generation apparatus makes the space formed between the base | substrate which bears the heating function of a catalyst, and the inner wall of the exterior material which accommodates a base | substrate as a reaction chamber, The cylinder structure of the base | substrate which forms the reaction chamber. In order to cover at least a part of the periphery of the cylindrical structure, a sheet-like catalyst in which a catalyst metal is supported on a heat-conductive sheet-like carrier is arranged, for example, by winding (preferably by winding it several times) The aqueous methanol solution supplied to the reaction chamber is reformed using a sheet catalyst.
That is, the sheet-like catalyst having the catalyst metal supported on the sheet-like support is wound, for example, preferably wound (preferably wound several times) around the cylindrical structure of the base provided with the heating chamber. In addition, the methanol aqueous solution at room temperature is fed from a supply port to a carbon-based sheet-like carrier having heat transferability, capillary condensation is stored in the micropores, and the methanol aqueous solution is heated so as to be preheated to a boiling point there. Set the linear flow velocity. The superheated methanol aqueous solution diffuses and moves on the carbon surface while maintaining a proper wet state to reach the metal particles of the catalyst at the nucleate boiling point. The gas phase product of hydrogen, carbon dioxide and carbon monoxide generated on the surface of the catalytic metal and unreacted methanol aqueous solution form solitary bubbles frequently by making use of the heat source temperature and the good heat flux which greatly exceed the boiling point As soon as the bubbles are released, they are immediately coated with the superheated liquid, and the methanol aqueous solution reforming reaction irreversibly proceeds. Therefore, the endothermic reaction heat and the product desorption heat can be effectively donated to the catalyst as a result of the steep temperature gradient and a large amount of heat transfer, as a result of the densification of the vacant active sites.
As a result, while achieving miniaturization, reformation of hydrogen gas can be performed in an intermediate temperature range (250 ° C. to 350 ° C.), and conversion of the reforming reaction is achieved by circulation reuse of aggregates containing unreacted methanol aqueous solution. The rate will improve dramatically. Further, if the supply rate of the aqueous methanol solution is adjusted, the linear flow rate of the aqueous methanol solution forming the superheated liquid film state is controlled, and the amount of hydrogen meeting the amount of hydrogen required from the fuel cell (external hydrogen demand) While providing the feed, complete conversion of methanol can be achieved throughout the system. Thereby, the amount of generated hydrogen can be dramatically improved.

<2> 前記<1>に記載の第1の態様に係る水素生成システムにおいて、前記触媒は、基体の外周面に巻回されて積層構造とされていることが好ましい。
触媒が、基体内部より熱せられる基体の外周を覆うように巻回された積層構造とされると、触媒金属の担持量を増やしつつも、過熱液膜状態を形成するメタノール水溶液中に生成した気泡を効率良く逃がすことができる。これにより、触媒と気液混相との接触が極小化され、固液接触が確保されて熱伝達率を大きく保つことができ、結果、膜沸騰に至らない状態を保持しながら、効率良く水素ガスを生成できる。
<2> In the hydrogen generation system according to the first aspect described in <1>, the catalyst is preferably wound around the outer peripheral surface of the substrate to form a laminated structure.
When the catalyst has a laminated structure wound to cover the outer periphery of the substrate heated from the inside of the substrate, bubbles formed in the aqueous methanol solution forming the superheated liquid film state while increasing the amount of supported catalytic metal. Can be released efficiently. As a result, the contact between the catalyst and the gas-liquid mixed phase is minimized, solid-liquid contact can be secured, and the heat transfer coefficient can be kept large. As a result, hydrogen gas can be efficiently obtained while maintaining a state in which film boiling does not occur. Can be generated.

<3> 前記<1>又は前記<2>に記載の第1の態様に係る水素生成システムにおいて、前記触媒は、前記カーボンシートに担持された触媒金属の担持量が15g/L〜150g/Lであることが好ましい。
カーボンシートに担持された触媒金属の担持量が上記の範囲にあることで、液相触媒反応における発泡点が増え、熱伝達率の大きい核沸騰の状態となりやすく、水素ガス生成効率により優れたものとなる。
<3> In the hydrogen generation system according to the first aspect described in <1> or <2>, the catalyst has a loading amount of the catalyst metal supported on the carbon sheet of 15 g / L to 150 g / L. Is preferred.
When the supported amount of the catalyst metal supported on the carbon sheet is in the above range, the foaming point in the liquid phase catalytic reaction is increased, the state of nuclear boiling with a large heat transfer coefficient is easily obtained, and the hydrogen gas generation efficiency is improved It becomes.

<4> 前記<1>〜前記<3>のいずれか1つに記載の第1の態様に係る水素生成システムにおいて、前記触媒は、供給されたメタノール水溶液を過熱液膜状態で水溶液改質するものであることが好ましい。   <4> In the hydrogen generation system according to the first aspect described in any one of <1> to <3>, the catalyst reforms the supplied aqueous methanol solution in a superheated liquid film state. It is preferred that

過熱液膜状態を利用した脱水素反応を行わせることで、水素ガス生成量をより大きくすることができる。
ここで、「過熱液膜状態」とは、過熱状態(メタノールの沸点を越える温度での加熱)で、かつ、触媒表面がメタノール水溶液によって僅かに湿潤した状態をいう。
By performing the dehydrogenation reaction utilizing the superheated liquid film state, it is possible to further increase the hydrogen gas generation amount.
Here, the "superheated liquid film state" refers to a superheated state (heating at a temperature above the boiling point of methanol) and a state in which the catalyst surface is slightly wet by the aqueous methanol solution.

<5> 前記<1>〜前記<4>のいずれか1つに記載の第1の態様に係る水素生成システムにおいて、前記供給口から供給されたメタノール水溶液は、前記基体の筒の長さ方向に流通されながら予熱され、沸点を超える温度に過熱された状態で前記触媒により水溶液改質されることが好ましい。
触媒温度が、メタノールの沸点を超える高温状態にあることで、反応系の温度を低めに抑えつつ、水素の生成効率に優れたものとなる。
<5> In the hydrogen generation system according to the first aspect described in any one of <1> to <4>, the aqueous methanol solution supplied from the supply port is in the length direction of the cylinder of the substrate. It is preferable that the catalyst is aqueous solution reformed by being preheated while being circulated and being superheated to a temperature above the boiling point.
By the catalyst temperature being in a high temperature state exceeding the boiling point of methanol, the generation efficiency of hydrogen becomes excellent while suppressing the temperature of the reaction system to a lower level.

<6> 前記<1>〜前記<5>のいずれか1つに記載の第1の態様に係る水素生成システムにおいて、前記カーボンシートは、カーボンクロス又はカーボンフェルトであることが好ましい。
カーボンクロス及びカーボンフェルトは、いずれも繊維状のカーボンを用いたシートであるので、ミクロ細孔を有し、表面積が大きい。そのため、過熱状態のメタノール水溶液を保持しやすく、かつ、触媒金属を担持しやすい。
<6> In the hydrogen generation system according to the first aspect described in any one of <1> to <5>, the carbon sheet is preferably carbon cloth or carbon felt.
Since both carbon cloth and carbon felt are sheets using fibrous carbon, they have micropores and a large surface area. Therefore, it is easy to hold | maintain the methanol aqueous solution of a superheated state, and it is easy to carry | support a catalyst metal.

<7> 前記<1>〜前記<6>のいずれか1つに記載の第1の態様に係る水素生成システムにおいて、前記触媒金属が、白金、パラジウム、ルテニウム、ニッケルもしくは銅、又は、白金、パラジウム、ルテニウム、ニッケル及び銅からなる金属群より選ばれる少なくとも一つと前記金属群の金属と異なる他の金属との複合体であることが好ましい。
<8> 前記<7>に記載の第1の態様に係る水素生成システムにおいて、前記他の金属は、マンガン及び亜鉛の少なくとも一方を含むことが好ましい。
上記のように、触媒金属として上記の金属を選択することで、水溶液改質活性により優れたものとなる。
<7> In the hydrogen generation system according to the first aspect described in any one of <1> to <6>, the catalyst metal is platinum, palladium, ruthenium, nickel or copper, or platinum, It is preferable that it is a complex of at least one selected from the metal group consisting of palladium, ruthenium, nickel and copper and another metal different from the metal of the metal group.
<8> In the hydrogen generation system according to the first aspect described in <7>, the other metal preferably contains at least one of manganese and zinc.
As described above, by selecting the above-mentioned metal as the catalyst metal, the aqueous solution reforming activity becomes better.

<9> 前記<1>〜前記<8>のいずれか1つに記載の第1の態様に係る水素生成システムにおいて、前記触媒金属は、少なくとも、白金、ルテニウム及びニッケルの少なくとも一つを含む固溶体であることが好ましい。
上記のように、触媒金属として上記の金属を選択することで、水溶液改質活性により優れたものとなる。
<9> The hydrogen generation system according to the first aspect according to any one of <1> to <8>, wherein the catalyst metal is at least a solid solution containing at least one of platinum, ruthenium and nickel. Is preferred.
As described above, by selecting the above-mentioned metal as the catalyst metal, the aqueous solution reforming activity becomes better.

<10> 前記<1>〜前記<9>のいずれか1つに記載の第1の態様に係る水素生成システムにおいて、前記触媒は、前記触媒金属を含む金属粒子が担持され、前記金属粒子の平均一次粒子径が10nm以下であることが好ましい。
触媒金属が金属粒子として担持され、かつ、担持される金属粒子が小粒径であると、液相触媒反応における発泡点が多くなり、熱伝達性がより向上し、水溶液改質がより進行しやすくなる。
<10> In the hydrogen generation system according to the first aspect described in any one of <1> to <9>, the catalyst supports metal particles including the catalyst metal, and the metal particles of the metal particles. The average primary particle size is preferably 10 nm or less.
When the catalyst metal is supported as metal particles and the supported metal particles have a small particle diameter, the foaming point in the liquid phase catalytic reaction is increased, the heat conductivity is further improved, and the aqueous solution reforming proceeds more It will be easier.

本開示の第2の態様に係る燃料電池システムは、
<11> 前記<1>〜前記<10>のいずれか1つに記載の水素生成システムと、前記水素生成システムで生成された水素ガスにより発電する燃料電池と、を備えたものである。
A fuel cell system according to a second aspect of the present disclosure is
<11> The hydrogen generation system according to any one of <1> to <10>, and a fuel cell that generates electric power using hydrogen gas generated by the hydrogen generation system.

第2の態様に係る燃料電池システムは、上記第1の態様に係る水素生成システムを備えているので、システムの小型化が可能であり、250℃〜350℃の中温領域を維持しながら、外部の水素使用装置での需要に応じて電力供給することが可能である。   The fuel cell system according to the second aspect includes the hydrogen generation system according to the first aspect, so the system can be miniaturized, and the outside is maintained while maintaining a medium temperature range of 250 ° C. to 350 ° C. It is possible to supply power according to the demand of the hydrogen using device.

本開示によれば、小型で、かつ、中温領域(250℃〜350℃)にて安定的に水素を生成する水素生成システム及び需要に応じた電力供給が可能な燃料電池システムが提供される。   According to the present disclosure, it is possible to provide a small-sized hydrogen generation system capable of stably generating hydrogen in an intermediate temperature range (250 ° C. to 350 ° C.) and a fuel cell system capable of supplying electric power according to demand.

本開示の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。1 is a schematic configuration view showing an example of a fuel cell system of the present disclosure. 本開示の水素生成装置の一例を示す概略斜視図である。1 is a schematic perspective view showing an example of a hydrogen generator of the present disclosure. 図2の水素生成装置を分解して示す分解図である。It is an exploded view which decomposes | disassembles and shows the hydrogen generator of FIG. 図2の水素生成装置のA−A線断面図である。It is the sectional view on the AA line of the hydrogen generator of FIG. 基体の筒構造の周囲を覆うように触媒が配置されている状態を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the state in which the catalyst is arrange | positioned so that the circumference | surroundings of the cylinder structure of a base | substrate may be covered. カーボンクロスに白金粒子を担持した単層構造、2層構造又は3層構造の円形触媒を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the round catalyst of the single layer structure which supported platinum particle | grains on carbon cloth, a two-layer structure, or a three-layer structure. 図6の3種の円形触媒を用いて水素生成させた際の、メタノール水溶液供給量と水素生成速度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of the methanol aqueous solution supply rate and hydrogen production rate at the time of making hydrogen production using three types of circular catalysts of FIG. (a)はメタノール水溶液の供給量が少な過ぎて乾固する状態を示し、(b)は過熱液膜状態を示し、(c)はメタノール水溶液の供給量が多過ぎる懸濁状態を示す。(A) shows a state in which the supply amount of the aqueous methanol solution is too small to dry, (b) shows a film state of a superheated liquid, and (c) shows a suspension state in which the supply amount of the aqueous methanol solution is too large. 本開示の燃料電池システムの他の一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows another example of the fuel cell system of this indication.

以下、図1〜図8を参照して、本開示の水素生成システム及び燃料電池システムの実施形態について具体的に説明する。但し、本開示においては、以下に示す実施形態に制限されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the hydrogen generation system and the fuel cell system of the present disclosure will be specifically described with reference to FIGS. 1 to 8. However, the present disclosure is not limited to the embodiments described below.

本開示の一実施形態では、触媒として、シート状のカーボンクロスに触媒金属である白金粒子が担持されたシート状触媒を用いて、供給されたメタノール水溶液を水溶液改質し、水素ガスを生成する態様を一例に詳細に説明する。   In one embodiment of the present disclosure, the supplied aqueous methanol solution is reformed with an aqueous solution using a sheet-like catalyst in which platinum particles as a catalyst metal are supported on a sheet-like carbon cloth as a catalyst, and hydrogen gas is generated. Aspects will be described in detail by way of example.

本開示の一実施形態の燃料電池システム100は、図1に示すように、水素生成装置10と、水素生成装置と接続され、水素ガスを含む混合ガスが送られる凝縮分離装置である凝縮分離器20と、凝縮分離器20で凝縮性のメタノール及び水から分離された水素含有ガスを貯留する水素貯留タンク30と、水素ガスが供給される燃料電池の一例である固体高分子形燃料電池(PEFC)60と、システム動作を制御する制御装置40と、を備えている。   A fuel cell system 100 according to an embodiment of the present disclosure, as shown in FIG. 1, is a condensation separator that is connected to a hydrogen generator 10 and a hydrogen generator, and is a condensing separator to which a mixed gas containing hydrogen gas is sent. 20, a hydrogen storage tank 30 for storing hydrogen-containing gas separated from condensable methanol and water in the condensation separator 20, and a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) which is an example of a fuel cell to which hydrogen gas is supplied And a controller 40 for controlling the system operation.

本開示の一実施形態である燃料電池システム100では、水素生成装置10で水溶液改質により生成された水素を含む混合ガスから凝縮分離器20で水素含有ガスを分離し、水素透過膜を通して水素含有ガスから精製された水素ガスをPEFCに供給することによって、PEFCから外部の水素使用装置に需要に応じた電力を供給するシステムが構築されている。外部の需要に基づくPEFCの要求に応じた水素供給は、メタノール水溶液の流量調節によって調整することが可能である。
また、水素生成装置で一酸化炭素が生成される場合、一酸化炭素は水素と共に水素含有ガスとして一旦貯留されるが、水素含有ガスから水素が選択的に精製されるにしたがい、蓄えられる一酸化炭素は増える。そして、燃焼熱が必要とされる場合に一酸化炭素が燃焼に供され、熱エネルギーとして有効に利用される。
In a fuel cell system 100 according to an embodiment of the present disclosure, a hydrogen-containing gas is separated in a condensation separator 20 from a mixed gas containing hydrogen generated by aqueous solution reforming in a hydrogen generator 10, and hydrogen is contained through a hydrogen permeable membrane. By supplying hydrogen gas purified from gas to the PEFC, a system for supplying power according to demand from the PEFC to an external hydrogen using device has been constructed. Hydrogen supply according to the demand of PEFC based on external demand can be regulated by flow control of aqueous methanol solution.
In addition, when carbon monoxide is generated by the hydrogen generator, carbon monoxide is temporarily stored as a hydrogen-containing gas together with hydrogen, but is stored as hydrogen is selectively purified from the hydrogen-containing gas. Carbon will increase. And when combustion heat is required, carbon monoxide is provided to combustion and is effectively used as thermal energy.

水素生成装置10は、外部から供給されたメタノール水溶液を触媒により水溶液改質して水素ガスを生成する。生成された水素ガスは、水素生成装置10に接続されたガス排出管12を介して、他のガス成分と混合された混合ガスとして凝縮分離器20に送られる。
ここで、水素生成装置から排出される混合ガスには、水溶液改質反応により生成された水素に加え、二酸化炭素、一酸化炭素、水蒸気、及び未反応メタノール等の他のガス成分が含まれる。したがって、水素生成装置に接続されたガス排出管12には、水素を含む混合ガスが流通する。
The hydrogen generator 10 reforms the aqueous solution of methanol supplied from the outside with a catalyst to generate hydrogen gas. The generated hydrogen gas is sent to the condensation separator 20 as a mixed gas mixed with other gas components via the gas discharge pipe 12 connected to the hydrogen generator 10.
Here, the mixed gas discharged from the hydrogen generator contains, in addition to hydrogen generated by the aqueous solution reforming reaction, other gas components such as carbon dioxide, carbon monoxide, water vapor, and unreacted methanol. Therefore, mixed gas containing hydrogen flows through the gas discharge pipe 12 connected to the hydrogen generator.

本開示の水素生成装置について、更に、図2〜図4を参照して詳細に説明する。
本開示の一実施形態は、図2に示す水素生成装置10を備えている。この水素生成装置10は、図3に示すように、一端が開放され、かつ、他端が閉塞された筒構造を有する基体13と、基体13を収容する外装材11と、を備えた二重円筒型改質反応器である。
図2は、本開示の一実施形態に係る水素生成装置を示す概略斜視図であり、図3は、図2の水素生成装置10を分解して示す分解図である。
The hydrogen generator of the present disclosure is further described in detail with reference to FIGS.
One embodiment of the present disclosure includes a hydrogen generator 10 shown in FIG. As shown in FIG. 3, this hydrogen generator 10 has a double structure including a base 13 having a cylindrical structure whose one end is open and the other end is closed, and an exterior material 11 for housing the base 13. It is a cylindrical reforming reactor.
FIG. 2 is a schematic perspective view showing a hydrogen generator according to an embodiment of the present disclosure, and FIG. 3 is an exploded view showing the hydrogen generator 10 of FIG. 2 in an exploded manner.

外装材11は、内部中空で一端が開放された筒構造と、筒構造の上に設けられた水素ガスを排出する排出口12aと水素生成装置にメタノール水溶液を供給する供給口14aとを有し、排出口12aには、生成ガスを排出するガス排出管12の一端が接続されており、供給口14aには、原料供給管14の一端が接続されている。   The exterior material 11 has a hollow cylindrical structure having one end opened, a discharge port 12a provided on the cylindrical structure for discharging hydrogen gas, and a supply port 14a for supplying an aqueous methanol solution to a hydrogen generator. The discharge port 12a is connected to one end of a gas discharge pipe 12 for discharging a generated gas, and the supply port 14a is connected to one end of a raw material supply pipe 14.

ガス排出管12は、水素生成装置10の反応室で生成されたガスを外部へ排出するための配管である。ガス排出管12の他端は、図1に示すように、改質生成された水素ガスを含む混合ガスから水素ガスを分離する凝縮分離器20と接続されており、混合ガスポンプP1を動作させることで、水素生成装置10からガス排出管12を通じて混合ガスが凝縮分離器20に送られるようになっている。   The gas discharge pipe 12 is a pipe for discharging the gas generated in the reaction chamber of the hydrogen generator 10 to the outside. The other end of the gas discharge pipe 12, as shown in FIG. 1, is connected to a condensation separator 20 for separating hydrogen gas from the mixed gas containing reformed hydrogen gas, and operates the mixed gas pump P1. The mixed gas is sent from the hydrogen generator 10 to the condensing separator 20 through the gas discharge pipe 12.

原料供給管14は、原料供給ポンプP2を備え、外部から改質用原料であるメタノール水溶液を水素生成装置10の反応室に供給するための配管である。原料供給管14の他端は、図1に示すように、メタノール水溶液の供給源である原料供給装置50と接続されており、原料供給ポンプP2を動作させることで、原料供給装置50から原料供給管14を通じてメタノール水溶液が水素生成装置の反応室に供給されるようになっている。   The raw material supply pipe 14 includes a raw material supply pump P2, and is a pipe for supplying an aqueous methanol solution, which is a raw material for reforming, to the reaction chamber of the hydrogen generator 10 from the outside. The other end of the raw material supply pipe 14 is connected to a raw material supply device 50 which is a supply source of a methanol aqueous solution as shown in FIG. 1 and supplies raw material from the raw material supply device 50 by operating the raw material supply pump P2. An aqueous methanol solution is supplied to the reaction chamber of the hydrogen generator through a pipe 14.

原料供給管14には、図示しないが、配管途中にメタノール水溶液を予熱するための加熱器が配設された態様に構成されていることが好ましい。
原料供給管14の配管途中に加熱器を配設し、原料供給管14からメタノール水溶液を水素生成装置10の反応室に供給する際、メタノール水溶液が反応室に供給される前に予め沸点まで加熱されることが好ましい。メタノール水溶液が予め沸点まで予熱された状態で反応室に供給されることにより、過熱液膜状態が形成されやすく、水素の生成効率を高める上で有利である。
予熱に必要な熱の付与は、後述するような電気ヒーターを用いて行ってもよいが、予熱に必要な熱には、例えば、バーナーやボイラー等の燃焼機器で得られる燃焼熱を利用することもできる。燃焼熱のうち、目的の温度域の熱以外の例えば中温域(250℃〜350℃程度)の熱を利用することが好ましい。
Although not illustrated, it is preferable that the raw material supply pipe 14 be configured in such a manner that a heater for preheating the methanol aqueous solution is disposed in the middle of the pipe.
When a heater is disposed in the middle of the piping of the raw material supply pipe 14 and the aqueous methanol solution is supplied from the raw material supply pipe 14 to the reaction chamber of the hydrogen generator 10, the methanol aqueous solution is heated to the boiling point in advance before being supplied to the reaction chamber. Preferably. By supplying the aqueous methanol solution to the reaction chamber in a preheated state to the boiling point, a superheated liquid film state is easily formed, which is advantageous in enhancing the generation efficiency of hydrogen.
Although the application of heat necessary for preheating may be performed using an electric heater as described later, for example, using the heat of combustion obtained by combustion equipment such as a burner or a boiler for the heat necessary for preheating You can also. Among the heat of combustion, it is preferable to use, for example, heat of a medium temperature range (about 250 ° C. to 350 ° C.) other than the heat of the target temperature range.

基体13は、一端が開放され、かつ、他端が閉塞された円筒形状の筒構造16と、筒構造の開放された他端を閉塞し、かつ、外装材11に収容された場合に外装材11の他端を閉塞するための蓋材17と、を有しており、筒構造16の外周面には、筒構造16の周囲を覆うようにして触媒(不図示)が配置されるようになっている。   The base 13 has a cylindrical tubular structure 16 whose one end is open and the other end is closed, and the other open end of the cylinder structure is closed, and the case 13 is housed in the case 11 And 11 has a lid member 17 for closing the other end, and a catalyst (not shown) is disposed on the outer peripheral surface of the cylindrical structure 16 so as to cover the periphery of the cylindrical structure 16 It has become.

ここで、外装材11に基体13が収容された状態の水素生成装置10の断面構造を図4に示す。図4は、図2の水素生成装置のA−A線断面図である。
外装材11に基体13が挿入されて収容された状態において、外装材11の内壁面と、基体13の筒構造の表面と、の間には、触媒による改質反応が行われる反応室18が形成されている。反応室18には、基体13の筒構造16の周囲方向に沿って筒構造の外周面を覆うようにして設けられた触媒15が配置されている。
Here, FIG. 4 shows a cross-sectional structure of the hydrogen generator 10 in a state in which the base 13 is accommodated in the exterior material 11. FIG. 4 is a cross-sectional view of the hydrogen generator of FIG. 2 taken along line A-A.
In a state in which the base 13 is inserted into and housed in the outer package 11, a reaction chamber 18 in which a reforming reaction by a catalyst is performed is provided between the inner wall surface of the outer package 11 and the surface of the cylindrical structure of the base 13. It is formed. In the reaction chamber 18, a catalyst 15 provided so as to cover the outer peripheral surface of the cylindrical structure along the circumferential direction of the cylindrical structure 16 of the base 13 is disposed.

基体13の筒構造16は、図5に示すように、円筒形状の周囲の全面に亘ってシート状の触媒15が巻回されて3重の積層構造が形成されている。即ち、基体13には、筒構造16の曲面にシート状の触媒15を巻回し、3回巻き重ねることによって3層からなる触媒層が配置されている。
本実施形態では、触媒を3回巻き重ねた3層からなる触媒層を備えた場合を説明したが、触媒の積層構造は、特に制限されるものではなく、水素生成装置のスケール、供給されるメタノール水溶液の量もしくは流量又は温度、改質生成する水素ガスの量、触媒の担持量もしくは触媒金属の種類などの種々の要求等に応じて適宜選択することができる。
したがって、巻き重ねられる触媒の巻き数は、3以上が好ましく、必要に応じて、5以上でもよいし、10以上でもよい。巻き数の上限値に制限はないが、例えば20以下としてもよい。
As shown in FIG. 5, in the cylindrical structure 16 of the substrate 13, a sheet-like catalyst 15 is wound around the entire surface of the cylindrical shape to form a triple-layered laminated structure. That is, the sheet-like catalyst 15 is wound on the curved surface of the cylindrical structure 16 on the base 13, and a catalyst layer composed of three layers is disposed by being wound three times.
In the present embodiment, the case is described where the catalyst layer is formed by three layers of three layers of catalyst layers, but the laminated structure of the catalyst is not particularly limited, and the scale of the hydrogen generator is supplied. It can be appropriately selected according to various requirements such as the amount or flow rate or temperature of the methanol aqueous solution, the amount of hydrogen gas to be reformed, the supported amount of the catalyst, the type of the catalyst metal and the like.
Therefore, the number of turns of the catalyst to be wound is preferably 3 or more, and may be 5 or more, or 10 or more, as necessary. The upper limit of the number of turns is not limited, but may be, for example, 20 or less.

触媒15は、カーボンシートであるカーボンクロスと、カーボンクロスに担持された触媒金属である白金粒子と、を有している。   The catalyst 15 has carbon cloth, which is a carbon sheet, and platinum particles, which are catalyst metals supported on the carbon cloth.

触媒金属としては、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、ニッケル(Ni)、又は銅(Cu)が好適に挙げられ、触媒金属はこれら金属を含む複合体であってもよい。複合体としては、例えば、白金、パラジウム、ルテニウム、ニッケル及び銅からなる金属群より選ばれる少なくとも一つと、前記金属群の金属と異なる他の金属と、からなる複合体が挙げられる。他の金属としては、亜鉛(Zn)、マンガン(Mn)等が含まれ、好ましくは、亜鉛もしくはマンガン、又は亜鉛及びマンガンを含む。
複合体である触媒金属としては、例えば、Ni−Ru(1:1)、Ni−Cu(1:1)、Cu−Ru(2:1)、Cu−Mn(12:1)等を挙げることができる。カッコ内の数値は、元素のモル比を示す。
複合体としては、過熱液膜方式によるメタノール水溶液改質をより効率良く行える点で、固溶体が好ましく、少なくとも、白金、ルテニウム及びニッケルの少なくとも一つを含む固溶体であることが好ましい。
Preferred examples of the catalyst metal include platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), nickel (Ni), and copper (Cu), and the catalyst metal may be a composite containing these metals. . The composite includes, for example, a composite composed of at least one metal selected from the group consisting of platinum, palladium, ruthenium, nickel and copper, and another metal different from the metal of the metal group. Other metals include zinc (Zn), manganese (Mn) and the like, preferably zinc or manganese, or zinc and manganese.
Examples of the catalyst metal which is a complex include Ni--Ru (1: 1), Ni--Cu (1: 1), Cu--Ru (2: 1), Cu--Mn (12: 1), etc. Can. The numerical values in parentheses indicate the molar ratio of the elements.
The composite is preferably a solid solution in that the aqueous methanol solution can be reformed more efficiently by the superheated liquid film system, and is preferably a solid solution containing at least one of platinum, ruthenium and nickel.

カーボンシートは、触媒金属を担持する担体として用いられる。シート状の担体を用いることで、本実施形態のように、筒構造の外周面を覆い、かつ、重ねて巻回することが可能になる。触媒金属が担持されたカーボンシートを重ねて巻回すると、触媒金属の担持量を増やしつつ、過熱液膜状態がメタノール水溶液中に生成され、触媒粒子の近傍に存在する気液混相中の気相成分を効率良く逃がすのに適している。したがって、固液接触が確保されて熱伝達率を大きくできるので、効率の良い水素生成が可能であり、さらにメタノール水溶液の供給流量を大きくすることで固液接触による反応機会をより増加させると、巻回構造を有しないカーボン担持触媒に比べ、より効率の良い水素生成が可能になる。
但し、メタノール水溶液の供給流量が大きくなり過ぎると、触媒と接触せずに巻回構造の触媒間の隙間を通り抜けて反応に寄与しない液相成分が生じやすくなり(チャンネリング)、結果として転化率が逓減し、水素生成速度を低下させることになる。温度を高めることで熱流束を増大させて水素生成速度を向上させることができる。温度を高めた場合、熱伝達に有利な核沸騰が熱伝達に不利な膜沸騰に転化しないように、膜沸騰に至らない温度域に低く抑えることが望ましい。膜沸騰に至らない温度域に抑えることにより、効率良く水素ガスを生成することが可能になる。
つまり、触媒量と、過熱液膜状態を保持しうるメタノール水溶液(改質用原料)の量と、の関係が固液接触状態を確保する範囲にあることが重要である。これにより、一端側から供給された改質用原料を他端側へ流通させながら、改質用原料の改質反応を効率良く進行させることができる。
The carbon sheet is used as a carrier for supporting the catalyst metal. By using the sheet-like carrier, as in the present embodiment, it is possible to cover the outer peripheral surface of the cylindrical structure and to wind it in an overlapping manner. When carbon sheets on which a catalyst metal is supported are stacked and wound, the superheated liquid film state is generated in the aqueous methanol solution and the gas phase in the gas-liquid mixed phase existing in the vicinity of the catalyst particles while increasing the supported amount of the catalyst metal. It is suitable for efficiently releasing the ingredients. Therefore, solid-liquid contact can be secured and the heat transfer coefficient can be increased, thereby enabling efficient hydrogen generation, and further increasing the supply flow rate of the methanol aqueous solution to further increase the reaction opportunity due to solid-liquid contact, Hydrogen can be generated more efficiently than a carbon-supported catalyst that does not have a wound structure.
However, if the supply flow rate of the methanol aqueous solution becomes too large, liquid phase components that do not contribute to the reaction are likely to be generated through the gaps between the wound catalyst without contact with the catalyst (channeling), resulting in conversion Will reduce the rate of hydrogen production. By raising the temperature, the heat flux can be increased to improve the hydrogen generation rate. When the temperature is raised, it is desirable to keep the temperature in a range that does not lead to film boiling so that nucleate boiling that favors heat transfer does not convert to film boiling that is detrimental to heat transfer. By suppressing the temperature to a level not reaching film boiling, it is possible to efficiently generate hydrogen gas.
That is, it is important that the relationship between the amount of catalyst and the amount of aqueous methanol solution (raw material for reforming) capable of maintaining the superheated liquid film state is in the range where the solid-liquid contact state is secured. As a result, the reforming reaction of the reforming material can be efficiently advanced while flowing the reforming material supplied from one end side to the other end side.

触媒がメタノール水溶液で適度に湿潤した状態(過熱液膜状態)を維持するには、以下の点を考慮することが重要である。
(1)メタノール水溶液改質は、蒸発に並行して液相が気相生成物に変化する反応であるので、供給されるメタノール水溶液の供給量は、メタノール水溶液が蒸発しきらずに過熱液が存在し、触媒量に比べて少な過ぎない範囲、即ち、固液接触が固気接触とならない範囲に調整されることが好ましい。
(2)また、触媒活性サイトが発泡点となって気泡を成長、離脱させることで反応速度が高められるので、供給されるメタノール水溶液の供給量は、触媒量に比べて多過ぎない範囲に調整されることが好ましい。これにより、担体がカーボンシートである場合は適度の湿潤状態を維持でき、担体が顆粒状カーボンである場合は懸濁状態となって固液界面での温度差が失われることが抑えられる。
(3)したがって、触媒がメタノール水溶液で適度に湿潤された状態を保持しつつ、核沸騰条件下に置かれることで、外部の加熱源から過熱液膜に伝えられる熱は気泡の成長と離脱を強く促すことができる。
以上のことから、触媒金属の量〔V;g〕と、過熱液膜状態を維持し得るメタノール水溶液の量〔V;L(リットル)〕と、の関係としては、以下の式1で示す範囲が好ましく、更には以下の式2で示す範囲がより好ましい。
/V=10g/L〜50g/L ・・・式1
/V=15g/L〜20g/L ・・・式2
It is important to consider the following points in order to maintain the catalyst in a state of being moderately wetted by the aqueous methanol solution (superheated liquid film state).
(1) Since the methanol aqueous solution reforming reaction is a reaction in which the liquid phase changes to a gas phase product in parallel with evaporation, the supplied amount of the methanol aqueous solution is such that the methanol aqueous solution does not evaporate completely and the superheated liquid is present It is preferable to adjust to a range that is not too small compared to the amount of catalyst, that is, a range in which solid-liquid contact does not become solid-gas contact.
(2) Also, since the reaction speed is increased by the catalyst active site becoming a foaming point and growing and desorbing air bubbles, the supply amount of the aqueous methanol solution supplied is adjusted to a range that is not too large compared with the catalyst amount. Preferably. Thereby, when the support is a carbon sheet, it is possible to maintain an appropriate wet state, and when the support is granular carbon, it is suspended and loss of the temperature difference at the solid-liquid interface is suppressed.
(3) Therefore, the heat transferred from the external heat source to the superheated liquid film from the external heat source causes the growth and detachment of the bubble by being placed under nucleate boiling conditions while maintaining the catalyst in a state of being properly wetted with the aqueous methanol solution. It can be strongly urged.
From the above, the relationship between the amount of catalytic metal [V 1 ; g] and the amount of aqueous methanol solution capable of maintaining the superheated liquid film state [V 2 ; L (liter)] The range shown is preferable, and the range shown by the following formula 2 is more preferable.
V 2 / V 1 = 10 g / L to 50 g / L ··· Formula 1
V 2 / V 1 = 15 g / L to 20 g / L ··· Formula 2

カーボンシートとしては、カーボンクロス、カーボンフェルトを用いることができる。
カーボンクロスは、例えばアクリル繊維等の炭素繊維を焼成し炭化することにより得られる炭化繊維を紡織したクロスを指し、上市されている市販品(例えば、クラレケミカル社製のカーボンクロス)を使用することができる。
カーボンフェルトは、炭素繊維を織らずに、炭素繊維の短繊維を絡み合わせたシート状の不織布を指し、上市されている市販品(例えば、クラレケミカル社製のカーボンクロス)を使用することができる。
As the carbon sheet, carbon cloth or carbon felt can be used.
The carbon cloth refers to a cloth obtained by, for example, carbonizing fibers obtained by firing and carbonizing carbon fibers such as acrylic fibers, and using commercially available commercial products (for example, carbon cloth manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd.) Can.
Carbon felt refers to a sheet-like non-woven fabric in which short fibers of carbon fibers are intertwined without weaving carbon fibers, and commercially available products (for example, carbon cloth manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd.) can be used. .

触媒としては、触媒金属を含む金属粒子が担持され、かつ、担持されている金属粒子の平均一次粒子径が10nm以下であることが好ましい。即ち、金属粒子の形態で担持されることで、表面積が大きくなり、しかも担持された金属粒子の平均一次粒子径が10nm以下の小粒径であると、液相触媒反応における発泡点が多くなり、熱流束が増大して改質反応性がより向上する。
平均一次粒子径は、改質反応活性の観点から小サイズであるほど良く、5nm以下がより好ましい。平均一次粒子径の下限値は、例えば2nmとしてもよい。
平均一次粒子径は、透過型電子顕微鏡で観察し、任意の金属粒子を20個任意に選択して計測された一次粒子径の平均値として求められる値である。
As the catalyst, metal particles containing a catalyst metal are preferably supported, and the average primary particle diameter of the supported metal particles is preferably 10 nm or less. That is, by being supported in the form of metal particles, the surface area is increased, and when the average primary particle diameter of the supported metal particles is 10 nm or less, the foaming point in the liquid phase catalytic reaction is increased. The heat flux is increased to further improve the reforming reactivity.
The average primary particle size is preferably as small as possible from the viewpoint of reforming reaction activity, and is more preferably 5 nm or less. The lower limit value of the average primary particle diameter may be, for example, 2 nm.
The average primary particle size is a value obtained as an average value of primary particle sizes obtained by observing 20 arbitrary metal particles arbitrarily by observation with a transmission electron microscope.

触媒における触媒金属の担持量は、金属の種類、又は温度等に依存するが、本開示における触媒では、カーボンシートに担持された触媒金属の担持量が15g/L〜150g/Lであることが好ましい。
カーボンシートに担持された触媒金属の担持量が15g/L以上であると、液相触媒反応における発泡点が増え、熱伝達率の大きい核沸騰の状態を維持しやすく、水素ガス生成効率により優れる。また、カーボンシートに担持された 触媒金属の担持量が150g/L以下であると、触媒の金属粒子の粒子径を適切な範囲に調節し、かつ、長期安定性を得やすい点で有利である。
カーボンシートに担持された触媒金属の担持量は、触媒の種類に応じて選択すればよく、例えばPt系触媒の場合は、高活性なため必要量を確保する観点から、15g/m〜100g/mとしてもよいし、例えばCu−Mn系触媒の場合は、安価なため、100g/m〜150g/mとしてもよい。
The loading amount of the catalytic metal in the catalyst depends on the type of metal, temperature or the like, but in the catalyst of the present disclosure, the loading amount of the catalytic metal supported on the carbon sheet is 15 g / L to 150 g / L preferable.
When the supported amount of the catalyst metal supported on the carbon sheet is 15 g / L or more, the bubbling point in liquid phase catalytic reaction is increased, the state of nuclear boiling with a large heat transfer coefficient is easily maintained, and the hydrogen gas generation efficiency is excellent. . In addition, when the amount of the catalyst metal supported on the carbon sheet is 150 g / L or less, the particle diameter of the metal particles of the catalyst is adjusted to an appropriate range, and it is advantageous in that long-term stability can be easily obtained. .
The supported amount of the catalyst metal supported on the carbon sheet may be selected according to the type of the catalyst, and for example, in the case of a Pt-based catalyst, 15 g / m 3 to 100 g from the viewpoint of securing a necessary amount because of high activity. / may be used as the m 3, if for example, the Cu-Mn-based catalysts, for inexpensive, may be 100g / m 3 ~150g / m 3 .

カーボンシートに触媒金属が担持された触媒の作製方法には、特に制限はなく、いずれの方法で作製されてもよい。触媒は、例えば、金属含有液中に担体を含浸させる含浸法により作製されてもよい。
含浸法による場合、例えば以下の方法で作製することができる。即ち、
まず、塩基等で前処理が施されたカーボン材(例えば、細孔を有する高表面積のカーボンシート)を用意する。カーボンシートを、撹拌している塩化白金カリウム(KPtCl)水溶液中に24時間浸漬した後、90℃の水素化ホウ素ナトリウム(NaBH)水溶液を用いて加熱還元して白金金属を生成させ、蒸留水1000mlで洗浄する。洗浄後の白金金属を70℃で10時間真空乾燥させることにより、カーボンシートに白金粒子が担持された白金担持触媒を作製することができる。
There is no restriction | limiting in particular in the preparation method of the catalyst by which the catalyst metal was carry | supported by the carbon sheet, You may produce by any method. The catalyst may be made, for example, by an impregnation method in which the support is impregnated in the metal-containing liquid.
In the case of the impregnation method, for example, it can be produced by the following method. That is,
First, a carbon material (for example, a carbon sheet with high surface area having pores) which has been pretreated with a base or the like is prepared. The carbon sheet is immersed in a stirring aqueous solution of potassium chloride potassium (K 2 PtCl 4 ) for 24 hours and then heat reduced using a 90 ° C. aqueous solution of sodium borohydride (NaBH 4 ) to form platinum metal. , Wash with 1000 ml of distilled water. By vacuum-drying the washed platinum metal at 70 ° C. for 10 hours, a platinum-supported catalyst in which platinum particles are supported on a carbon sheet can be produced.

本開示における触媒は、メタノール水溶液を過熱液膜状態で水溶液改質する。水溶液改質は、液相中で触媒反応させて水素を生成する改質反応であり、水蒸気を用いて水素を生成する水蒸気改質反応とは区別される。
水溶液改質を行う場合、触媒量とメタノール水溶液との量的関係が、気体を生成する液相触媒反応においては重要である。
メタノール水溶液の量が触媒量に対して多過ぎる反応系では、図8(c)のように、顆粒状カーボンに担持した触媒粒子は懸濁状態となって存在することになる。懸濁液の温度は、液相の沸点に等しくなるため、この反応系の脱水素活性は小さい。これに対し、触媒量を増やして、図8(b)のように触媒がメタノール水溶液で適度に湿潤された状態(湿潤状態)が形成される反応系では、触媒温度がメタノール水溶液の沸点よりも高い状態(過熱状態)となる。そして、触媒がメタノール水溶液で湿潤状態にある場合に脱水素活性は最も大きくなる。このような状態を「過熱液膜状態」という。
一方、図8(a)のように、メタノール水溶液の量が触媒量に対して少な過ぎる反応系では、メタノール水溶液が次第に減量して枯渇状態になると、固気接触になるため、脱水素活性は小さくなる。他方、一般に伝熱面の温度を高くし過ぎると、発生した気泡が合一して蒸気膜を形成して伝熱面を覆うため、膜沸騰が起きるが、膜沸騰では、固気接触であるため、伝熱面からの良好な熱伝達性は期待できない。
気体を生成する液相触媒反応においては、熱伝達率の大きい核沸騰によることが好ましい。核沸騰の領域では、固液界面の伝熱境膜に過熱液が生じ、気相生成と蒸発を介して気泡へ物質と熱を液相から供給する。この際、触媒粒子が存在すると、触媒粒子は発泡点の役割を果す。発泡点となる触媒粒子の表面積を増やすためには、触媒粒子は小粒子であることが好ましく、ナノオーダーサイズの粒子が好ましい。これにより、発泡点が増え、孤立気泡の発生を促進することができる。
また、相変化に吸熱反応が加わるので、熱伝達率は向上し、気泡の成長と脱離が有利になる。気泡の離脱によって空いた触媒活性サイトには、過熱液のメタノール分子が直ちに吸着し反応し始める。
高い気泡離脱頻度が大きな熱流束と空サイト表面密度をもたらし、反応速度を向上させることができる。
The catalyst in the present disclosure reforms the aqueous methanol solution in the form of a superheated liquid film. Aqueous solution reforming is a reforming reaction in which a catalytic reaction is performed in a liquid phase to generate hydrogen, and is distinguished from a steam reforming reaction in which hydrogen is generated using steam.
When aqueous solution reforming is performed, the quantitative relationship between the amount of catalyst and the aqueous methanol solution is important in the liquid phase catalytic reaction that generates a gas.
In a reaction system in which the amount of aqueous methanol solution is too large relative to the amount of catalyst, as shown in FIG. 8C, catalyst particles supported on granular carbon will be present in a suspended state. Since the temperature of the suspension is equal to the boiling point of the liquid phase, the dehydrogenation activity of this reaction system is small. On the other hand, in a reaction system in which the amount of catalyst is increased to form a state (wet state) in which the catalyst is appropriately moistened with the aqueous methanol solution as shown in FIG. 8 (b), the catalyst temperature is higher than the boiling point of the aqueous methanol solution It becomes high state (overheated state). And, the dehydrogenation activity is maximized when the catalyst is in a wet state with a methanol aqueous solution. Such a state is called "superheated liquid film state".
On the other hand, as shown in FIG. 8A, in a reaction system in which the amount of aqueous methanol solution is too small relative to the amount of catalyst, when the aqueous methanol solution gradually loses weight and becomes depleted, solid-gas contact occurs. It becomes smaller. On the other hand, generally, when the temperature of the heat transfer surface is increased too much, generated bubbles coalesce to form a vapor film to cover the heat transfer surface, so film boiling occurs, but in film boiling, solid-gas contact is made. Therefore, good heat transfer from the heat transfer surface can not be expected.
In liquid phase catalytic reactions that produce a gas, it is preferable to use nucleate boiling which has a large heat transfer coefficient. In the region of nucleate boiling, a superheated liquid is generated in the heat transfer film at the solid-liquid interface, and the substance and heat are supplied from the liquid phase to the bubbles through gas phase formation and evaporation. At this time, if catalyst particles are present, the catalyst particles serve as a foam point. In order to increase the surface area of the catalyst particles to be the foaming point, the catalyst particles are preferably small particles, and particles of nano order size are preferable. Thereby, the foaming point can be increased and generation of isolated cells can be promoted.
In addition, since the endothermic reaction is added to the phase change, the heat transfer coefficient is improved, and the growth and detachment of the bubble become advantageous. Methanol molecules in the superheated liquid immediately adsorb and react on the catalytically active sites opened by the release of bubbles.
High bubble withdrawal frequency can result in high heat flux and empty site surface density to improve reaction rates.

ここで、シート状の触媒15を3回巻き重ねた3層構造の触媒層について説明する。
液相(メタノール水溶液)中では、シート状の触媒15は、カーボンシートの表面にナノスケールの触媒金属粒子が担持され、カーボンシートのミクロ細孔にはメタノール水溶液(メタノール:水=1:1[モル比])が貯留されて湿潤状態とされる。
沸点近くにまで予熱されたメタノール水溶液は、カーボンシートの細孔に毛管凝縮し、シートの一端から他端に向けて細孔凝縮と表面移動とを繰返し、吸熱的な改質反応と蒸発とが進行する。その際、反応室18は、基体13側と外装材11側との両側から、メタノール水溶液の沸点を上回る温度で加熱されている。
シートの一端では液相のみであったメタノール水溶液は、反応室内を移動する間に気液混相の状態に変化するので、固液接触していた触媒とメタノール水溶液とが固気接触に変化した分、過熱液膜状態に固有の反応速度を維持できなくなる。
このような状況を踏まえ、本開示の一実施形態では、触媒を、触媒金属を担持したカーボンシートを複数回巻き回した積層構造として配置することで、気液混相の気相成分を、シート間の隙間を通じて反応系外に逃がし易くする。これにより、液相中での安定的な核沸騰が進行しやすくなり、触媒での改質反応を良好に進行させるのに有利である。
Here, a catalyst layer having a three-layer structure in which the sheet-like catalyst 15 is wound three times will be described.
In the liquid phase (methanol aqueous solution), catalyst metal particles of nanoscale are supported on the surface of the carbon sheet in the sheet-like catalyst 15, and the micropores of the carbon sheet are methanol aqueous solution (methanol: water = 1: 1 [ The molar ratio] is stored and made wet.
Methanol aqueous solution, which has been preheated to near the boiling point, is capillary-condensed in the pores of the carbon sheet and repeats pore condensation and surface movement from one end of the sheet to the other end, resulting in endothermic reforming reaction and evaporation. proceed. At that time, the reaction chamber 18 is heated from the both sides of the substrate 13 side and the exterior material 11 side at a temperature exceeding the boiling point of the aqueous methanol solution.
The aqueous methanol solution, which was only the liquid phase at one end of the sheet, changes to a gas-liquid mixed phase while moving in the reaction chamber, and thus the catalyst and solid aqueous solution are in solid-gas contact. And the reaction rate specific to the superheated liquid film state can not be maintained.
Based on such a situation, in one embodiment of the present disclosure, the gas phase component of the gas-liquid mixed phase is formed between the sheets by arranging the catalyst as a laminated structure in which a carbon sheet supporting a catalyst metal is wound multiple times. Of the reaction system through the gap between This facilitates stable nucleation boiling in the liquid phase, which is advantageous for promoting the reforming reaction on the catalyst well.

また、シート状の触媒15を複数枚重ねた場合、メタノール水溶液等の基質の供給速度を変えると、水素の生成速度はシート状の触媒の積層数におよそ比例する。即ち、シート状の触媒を重ねることで、過熱液膜状態は維持されつつ、触媒の金属粒子の反応器内における容積密度が高められる。この点で、シート状の触媒を重ねて用いることは有意義である。
例えば図6に示すように、φ4cmのカーボンクロスに白金粒子を12mg担持させた触媒をそのまま又は複数枚重ねて用いることで、単層構造、2層構造又は3層構造の円形触媒を用意し、それぞれ加熱面に接触配置した。そして、加熱面から最も遠い側から円形触媒の円心部に150℃に加熱した2−プロパノール(沸点:82.4℃)を滴下した。結果、図7のように、水素の生成速度は層数におよそ比例するとの知見を得た。
滴下された2−プロパノールは、多層の円形触媒の面内を表面拡散して移動するのに対し、熱は円形触媒の面と直交する方向に外部から伝えられているといえ、過熱液膜状態での改質反応の保持に有効である。
Further, in the case where a plurality of sheet-like catalysts 15 are stacked, the generation rate of hydrogen is approximately proportional to the number of laminated sheet-like catalysts when the feed rate of the substrate such as methanol aqueous solution is changed. That is, by superposing the sheet-like catalyst, the volumetric density of the metal particles of the catalyst in the reactor can be increased while maintaining the superheated liquid film state. In this respect, it is significant to use sheet-like catalysts in piles.
For example, as shown in FIG. 6, a catalyst in which 12 mg of platinum particles are supported on a carbon cloth of φ4 cm is used as it is or a plurality of sheets are stacked to prepare a circular catalyst of single layer structure, two layer structure or three layer structure, Each was placed in contact with the heating surface. Then, 2-propanol (boiling point: 82.4 ° C.) heated to 150 ° C. was dropped to the center of the circular catalyst from the side farthest from the heating surface. As a result, as shown in FIG. 7, it was found that the hydrogen generation rate was approximately proportional to the number of layers.
The dripped 2-propanol moves by surface diffusion in the surface of the multilayer circular catalyst, while heat is transferred from the outside in the direction orthogonal to the surface of the circular catalyst, and the superheated liquid film state It is effective to maintain the reforming reaction in

また、筒構造16の内部には、図4に示すように、筒構造16の表面に配置された触媒を加熱するための加熱室19が設けられている。加熱室19での加熱温度を制御することにより、筒構造の曲面を形成している壁材を介して、触媒を所望の温度域に加熱制御することができる。
加熱室19は、燃料を燃焼させた際の燃焼熱で筒構造を加熱する燃焼室に構成されてもよい。この場合、加熱室に燃料を供給する燃料供給系と燃焼排ガスを排出する排出系とが取り付けられた構成とされてもよい。また、加熱室19は、電気ヒーターが配置された加熱室とされてもよい。電気ヒーターには、発熱ヒーター、輻射熱ヒーター等のいずれを用いてもよい。
Further, as shown in FIG. 4, a heating chamber 19 for heating a catalyst disposed on the surface of the cylindrical structure 16 is provided inside the cylindrical structure 16. By controlling the heating temperature in the heating chamber 19, the catalyst can be heated and controlled to a desired temperature range through the wall material forming the curved surface of the cylindrical structure.
The heating chamber 19 may be configured as a combustion chamber that heats the cylindrical structure with the heat of combustion when the fuel is burned. In this case, a fuel supply system for supplying the fuel to the heating chamber and an exhaust system for discharging the combustion exhaust gas may be attached. The heating chamber 19 may be a heating chamber in which an electric heater is disposed. As the electric heater, any of a heating heater, a radiation heater and the like may be used.

更に、筒構造16を収容する外装材11の外側に、外装材を介して触媒を加熱するための加熱器であるテープヒーターが配設されている。これにより、図4に示すように、反応室18中の触媒15は、基体13側と外装材11側との両側から加熱される。
加熱器としては、テープヒーター以外に、燃焼排熱を利用して加熱する燃焼排熱伝熱装置を用いてもよい。
Furthermore, a tape heater, which is a heater for heating the catalyst via the sheathing material, is disposed outside the sheathing material 11 that accommodates the cylindrical structure 16. Thereby, as shown in FIG. 4, the catalyst 15 in the reaction chamber 18 is heated from both sides of the base 13 side and the exterior material 11 side.
As the heater, in addition to the tape heater, a combustion exhaust heat transfer device that heats using combustion exhaust heat may be used.

触媒の加熱に必要な熱の付与は、例えばバーナー等の燃焼機器70で得られる燃焼熱の一部を利用することが好ましい。本開示では、燃焼機器で得られる燃焼熱のうち、本来目的とする温度域の熱は所期の目的に利用し、目的の温度域の熱以外の例えば中温域(250℃〜350℃程度)の熱を水素生成装置の加熱に利用する態様とすることができる。具体的には、燃焼排熱で加熱するいわゆる燃焼排熱伝熱装置を用い、システム始動時に水素生成装置で要求される熱量を、バーナー等の燃焼機器70で得られる燃焼排熱で賄う構成が好ましい。この場合、燃焼熱は、反応室の加熱に利用してもよいし、反応室に供給されるメタノール水溶液の予熱に利用してもよい。   For the application of heat necessary for heating the catalyst, it is preferable to use a part of the heat of combustion obtained by the combustion device 70 such as a burner, for example. In the present disclosure, among the combustion heat obtained by the combustion device, the heat of the originally intended temperature range is used for the intended purpose, and for example, the middle temperature range (about 250 ° C. to 350 ° C.) other than the heat of the intended temperature range. The heat of the above can be used to heat the hydrogen generator. Specifically, using a so-called combustion exhaust heat transfer device that heats with combustion exhaust heat, the amount of heat required by the hydrogen generator at system startup is covered by the combustion exhaust heat obtained by the combustion equipment 70 such as a burner. preferable. In this case, the heat of combustion may be used to heat the reaction chamber, or may be used to preheat the aqueous methanol solution supplied to the reaction chamber.

基体13及び外装材11は、触媒を昇温させるための加熱が行えるように、熱伝達性の材質で形成されていることが好ましい。熱伝達性の材質としては、金属が好ましい。金属としては、特に制限はなく、耐熱性又は腐食等の観点から、例えば、ステンレス合金(いわゆるSUS材)が好ましい。   It is preferable that the base 13 and the package 11 be formed of a heat transfer material so that heating for raising the temperature of the catalyst can be performed. As a heat transfer material, metal is preferable. The metal is not particularly limited, and in view of heat resistance or corrosion, for example, a stainless alloy (so-called SUS material) is preferable.

触媒の加熱温度としては、150℃〜350℃が好ましく、250℃〜350℃がより好ましい。   As a heating temperature of a catalyst, 150 ° C-350 ° C is preferred, and 250 ° C-350 ° C is more preferred.

凝縮分離装置である凝縮分離器20は、ガス排出管12により水素生成装置10と接続されている。
水素生成装置10で水素が生成されると、水素は他のガス成分と混合された混合ガスとしてガス排出管12に排出され、ガス排出管12に取り付けられた混合ガスポンプP1を作動させることにより、混合ガスはガス排出管12を介して凝縮分離器20に送られる。混合ガスには、水素ガス、二酸化炭素、一酸化炭素、水蒸気、及び未反応メタノールが含まれる。
A condensation separator 20, which is a condensation separation device, is connected to the hydrogen generator 10 by a gas discharge pipe 12.
When hydrogen is generated in the hydrogen generator 10, the hydrogen is discharged to the gas discharge pipe 12 as a mixed gas mixed with other gas components, and the mixed gas pump P1 attached to the gas discharge pipe 12 is operated, The mixed gas is sent to the condenser separator 20 via the gas discharge pipe 12. The mixed gas includes hydrogen gas, carbon dioxide, carbon monoxide, water vapor, and unreacted methanol.

凝縮分離装置は、水素生成装置で生成された水素ガスを含む混合ガスを凝縮させ、沸点の違いを利用して水素ガス等のガス成分(水素含有ガス)と凝縮性成分(凝縮物)とを分離、精製する。
この際、ガス成分には、水素、二酸化炭素及び一酸化炭素が含まれる。したがって、凝縮によって、混合ガスから水素、二酸化炭素及び一酸化炭素のガス成分を分離することができる。
凝縮分離装置としては、未反応のメタノール及び水から、水素及び二酸化炭素の混合ガス、又は水素、二酸化炭素及び一酸化炭素の混合ガスを凝縮によって分離することができる機器を任意に選択して使用することができる。凝縮分離装置として、例えば蒸留装置を用いてもよい。
The condensation separation device condenses a mixed gas containing hydrogen gas generated by a hydrogen generator, and utilizes a difference in boiling point to generate a gas component (hydrogen-containing gas) such as hydrogen gas and a condensable component (condensate). Separate and purify.
At this time, gas components include hydrogen, carbon dioxide and carbon monoxide. Thus, condensation can separate hydrogen, carbon dioxide and carbon monoxide gas components from the mixed gas.
As a condensation separation device, an apparatus capable of separating a mixed gas of hydrogen and carbon dioxide or a mixed gas of hydrogen, carbon dioxide and carbon monoxide from unreacted methanol and water by condensation is arbitrarily selected and used can do. As a condensation separation device, for example, a distillation device may be used.

凝縮分離器20には、凝集物を水素生成装置10での水溶液改質反応に供するための再供給手段である戻し配管24の一端が接続されている。凝縮分離器20において、水素ガス等のガス成分と分離された凝集物は、戻し配管24を通じて凝縮分離器20から排出される。   Connected to the condensation separator 20 is one end of a return pipe 24 which is a resupply means for subjecting the aggregate to an aqueous solution reforming reaction in the hydrogen generator 10. The aggregates separated from gas components such as hydrogen gas in the condensing separator 20 are discharged from the condensing separator 20 through the return pipe 24.

戻し配管24は、他端が水素生成装置と接続された原料供給管14のメタノール水溶液流通方向上流側に接続されている。これにより、水素生成装置10と凝縮分離器20とは戻し配管によって互いに連通されている。戻し配管24を流通する凝縮物は、原料供給管14に戻され、原料供給ポンプP2を動作させることで水素生成装置の反応室に供給される。反応室に供給された凝縮物は、水溶液改質反応に再利用される。そして、水溶液改質反応に供されたメタノール水溶液と同量のメタノール及び水は、原料供給装置50から新たにメタノール水溶液として水素生成装置に供給される。
このように、水素ガスが分離された後の凝縮物中に残存する未反応のメタノール及び水が循環経路を通じて水溶液改質反応に再利用されることで、供給されたメタノールの完全転化が可能になる。
The return pipe 24 is connected to the upstream side of the flow direction of the aqueous methanol solution of the raw material supply pipe 14 whose other end is connected to the hydrogen generator. Thus, the hydrogen generator 10 and the condenser separator 20 are in communication with each other by the return pipe. The condensate flowing through the return pipe 24 is returned to the raw material supply pipe 14 and supplied to the reaction chamber of the hydrogen generator by operating the raw material supply pump P2. The condensate supplied to the reaction chamber is recycled to the aqueous solution reforming reaction. Then, the same amount of methanol and water as the aqueous methanol solution subjected to the aqueous solution reforming reaction is newly supplied from the raw material supply device 50 to the hydrogen generator as an aqueous methanol solution.
In this way, the unreacted methanol and water remaining in the condensate after hydrogen gas separation is recycled to the aqueous solution reforming reaction through the circulation path, allowing complete conversion of the supplied methanol Become.

戻し配管24には、図示していないが、必要に応じて液相の凝縮物を、配管内を良好に流通させるための駆動ポンプが設置されていてもよい。   Although not shown, a drive pump may be installed in the return pipe 24 for allowing the liquid phase condensate to flow well through the pipe as necessary.

凝縮分離器20には、水素流通管22により水素貯留タンク30が接続されている。
凝縮分離器20において、水素生成装置10で生成された混合ガスからガス成分(水素含有ガス)が分離された後、分離された水素含有ガスは一旦水素貯留タンク30に貯留される。水素含有ガスには、水素のほか二酸化炭素等が含まれていてもよい。
水素生成装置で生成された水素含有ガスは、直接燃料電池に供給することもできるが、一旦水素貯留タンク30に貯留され、燃料電池システムの運転状況に応じて必要量が燃料電池に供給されることが好ましい。
A hydrogen storage tank 30 is connected to the condensation separator 20 by a hydrogen flow pipe 22.
After the gas component (hydrogen-containing gas) is separated from the mixed gas generated by the hydrogen generator 10 in the condensation separator 20, the separated hydrogen-containing gas is temporarily stored in the hydrogen storage tank 30. The hydrogen-containing gas may contain carbon dioxide and the like in addition to hydrogen.
The hydrogen-containing gas generated by the hydrogen generator can be directly supplied to the fuel cell, but it is temporarily stored in the hydrogen storage tank 30, and the necessary amount is supplied to the fuel cell according to the operating condition of the fuel cell system. Is preferred.

固体高分子形燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)60は、水素供給管26により水素貯留タンク30と接続されている。PEFC60は、電極間に電解質としてイオン伝導性を有する高分子膜(イオン交換膜)を用いた燃料電池であり、従来公知とされている一般的なPEFCを用いることができる。また、固体高分子形燃料電池(PEFC)以外の燃料電池を用いてもよい。   A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 60 is connected to a hydrogen storage tank 30 by a hydrogen supply pipe 26. The PEFC 60 is a fuel cell using a polymer membrane (ion exchange membrane) having ion conductivity as an electrolyte between the electrodes, and a general PEFC that has been conventionally known can be used. In addition, fuel cells other than the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) may be used.

水素供給管26は、バルブV1を備えており、バルブV1の開度が制御装置40からの信号を受けて制御されることで、水素貯留タンク30からPEFC60の要求量に応じた水素(水素含有ガス)が供給されるようになっている。   The hydrogen supply pipe 26 is provided with a valve V1, and the degree of opening of the valve V1 is controlled in response to a signal from the control device 40 to control hydrogen from the hydrogen storage tank 30 according to the required amount of PEFC 60 (hydrogen containing Gas) is supplied.

また、水素供給管26には、水素透過膜28が取り付けられている。水素透過膜28は、水素含有ガス中の水素を選択的に通過させることができる膜であり、例えば、パラジウム(Pd)を含む合金薄膜等を用いることができる。これにより、水素供給管26を流通するガス中の水素濃度が高められ、水素濃度の高い水素ガス(好ましくは純水素ガス)をPEFC60に供給することができる。   Further, a hydrogen permeable membrane 28 is attached to the hydrogen supply pipe 26. The hydrogen permeable film 28 is a film capable of selectively passing hydrogen in the hydrogen-containing gas, and for example, an alloy thin film containing palladium (Pd) or the like can be used. Thus, the hydrogen concentration in the gas flowing through the hydrogen supply pipe 26 can be increased, and hydrogen gas (preferably pure hydrogen gas) having a high hydrogen concentration can be supplied to the PEFC 60.

水素貯留タンク30には、バルブV2を備えた可燃ガス配管32が接続されている。
上記のように、水素透過膜28により水素含有ガスから水素が選択的に分離されると、水素貯留タンク30内における水素以外のガス成分(特に一酸化炭素、水素等の可燃性ガス)の濃度は高くなる。そのため、バルブV2を動作させることで、可燃ガス配管32を通じて水素以外のガス成分(可燃性ガス)を外部に排出できるようになっている。バルブV2の開度は、例えば水素貯留タンク30にタンク中の例えば水素濃度を検出する水素検知センサを設けておき、水素検知センサの検出値に基づく制御装置40からの信号を受けて制御されてもよい。
可燃ガス配管32には、燃焼機器の一例であるバーナー70が接続されており、可燃性ガスは、可燃ガス配管32を通じてバーナーに供給されて燃焼に供されるようになっている。バーナーで得られる燃焼熱は、水素生成装置における触媒の加熱や、水素生成装置に供給されるメタノール水溶液の予熱に利用することができる。これにより、エネルギーの有効利用も図られる。
以上のように、バルブV2の開度が制御装置40からの信号を受けて制御されることで、水素貯留タンク30内の水素以外のガス成分の濃度が所期の範囲に保たれ、また水素以外のガス成分をも有効に利用することができる。
なお、ここでは、燃焼機器としてバーナーを用いた例を説明したが、バーナー以外の燃焼機器が接続されても同様の効果が期待できる。
A combustible gas pipe 32 provided with a valve V2 is connected to the hydrogen storage tank 30.
As described above, when hydrogen is selectively separated from the hydrogen-containing gas by the hydrogen permeable membrane 28, the concentration of gas components other than hydrogen (in particular, combustible gases such as carbon monoxide and hydrogen) in the hydrogen storage tank 30. Will be higher. Therefore, by operating the valve V2, gas components (flammable gas) other than hydrogen can be discharged to the outside through the combustible gas piping 32. The opening degree of the valve V2 is controlled, for example, by providing a hydrogen detection sensor for detecting, for example, hydrogen concentration in the hydrogen storage tank 30 and receiving a signal from the control device 40 based on the detection value of the hydrogen detection sensor It is also good.
A burner 70, which is an example of a combustion device, is connected to the combustible gas pipe 32, and the combustible gas is supplied to the burner through the combustible gas pipe 32 and is provided for combustion. The heat of combustion obtained by the burner can be used to heat the catalyst in the hydrogen generator and to preheat the aqueous methanol solution supplied to the hydrogen generator. This also enables effective use of energy.
As described above, by controlling the opening degree of the valve V2 in response to the signal from the control device 40, the concentration of the gas component other than hydrogen in the hydrogen storage tank 30 is maintained within the expected range, and hydrogen Other gas components can also be used effectively.
In addition, although the example which used the burner as a combustion apparatus was demonstrated here, even if combustion apparatuses other than a burner are connected, the same effect can be anticipated.

上記のように、凝縮分離器20で分離された水素含有ガスは、一旦水素貯留タンク30に貯留された後、水素透過膜28を通して精製され、PEFCの要求量に応じた水素ガスがPEFC60に供給される。   As described above, the hydrogen-containing gas separated by the condensation separator 20 is temporarily stored in the hydrogen storage tank 30, and then purified through the hydrogen permeable membrane 28. Hydrogen gas according to the required amount of PEFC is supplied to the PEFC 60 Be done.

制御装置40は、水素生成システムを備えた燃料電池システムの動作を制御する。
制御装置40には、図1に示すように、混合ガスポンプP1、原料供給ポンプP2、及び凝縮分離装置等と電気的に接続されており、水素生成システム及びこれを備えた燃料電池システムの動作を制御している。
The controller 40 controls the operation of a fuel cell system provided with a hydrogen generation system.
As shown in FIG. 1, the control device 40 is electrically connected to the mixed gas pump P1, the raw material supply pump P2, the condensation separation device, etc., and operates the hydrogen generation system and the fuel cell system including the same. I have control.

次に、本開示の一実施形態に係る燃料電池システムでの水素生成及び電力の外部供給について略説する。
まず、原料供給ポンプP2を作動させると、原料供給装置50の供給口から原料供給管14を通じて液体の改質用原料(メタノール水溶液)が水素生成装置10に供給される。具体的に説明すると、供給口14aから水素生成装置10に供給された改質用原料は、図4に示すように、外装材11の内壁と、外装材に収容された基体13の筒構造の外周面と、の間に形成されている反応室18に導入される。反応室18には、基体13の筒構造の周囲全体を覆うように触媒15が配置されている。
Next, hydrogen generation and external supply of power in the fuel cell system according to an embodiment of the present disclosure will be outlined.
First, when the raw material supply pump P2 is operated, a liquid reforming raw material (methanol aqueous solution) is supplied to the hydrogen generator 10 from the supply port of the raw material supply device 50 through the raw material supply pipe 14. Specifically, as shown in FIG. 4, the reforming raw material supplied from the supply port 14 a to the hydrogen generator 10 has an inner wall of the outer package 11 and a cylindrical structure of the base 13 housed in the outer package. It is introduced into a reaction chamber 18 formed between the outer peripheral surface and the outer peripheral surface. A catalyst 15 is disposed in the reaction chamber 18 so as to cover the entire periphery of the cylindrical structure of the base 13.

供給口14aから反応室18に供給された液体のメタノール水溶液は、基体13の筒構造の長手方向に筒構造の表面に沿って流通し、排出口12aが設けられている側へ反応室内を移動する。メタノール水溶液は、反応室内を移動しながら予熱され、沸点を超える温度に過熱された状態で触媒の金属粒子と接触することにより水溶液改質される。
この際、触媒15の触媒金属は、カーボンシートに担持されており、そこでメタノール水溶液によって適度に湿潤された状態(湿潤状態)が形成される。この際、触媒金属は伝熱境膜の中にあって、温度はメタノール水溶液の沸点よりも高い状態(過熱状態)となり、脱水素活性は最も大きくなる。即ち、この際、「過熱液膜状態」にある。
The aqueous methanol solution of liquid supplied from the supply port 14a to the reaction chamber 18 flows along the surface of the cylindrical structure in the longitudinal direction of the cylindrical structure of the base 13 and moves to the side where the discharge port 12a is provided. Do. The aqueous methanol solution is preheated while moving in the reaction chamber, and is reformed in an aqueous solution by contacting with the metal particles of the catalyst in a state of being heated to a temperature above the boiling point.
At this time, the catalyst metal of the catalyst 15 is supported on a carbon sheet, and there is formed a state (wet state) appropriately wetted by an aqueous methanol solution. At this time, the catalytic metal is in the heat transfer film, the temperature is higher than the boiling point of the aqueous methanol solution (superheated state), and the dehydrogenation activity is maximized. That is, at this time, it is in the "superheated liquid film state".

また、上記したように、熱伝達性に優れた高表面積活性炭にナノスケールの触媒金属粒子が担持され、触媒金属粒子が液相中の発泡点となるので、核沸騰が進行する。核沸騰の領域では、固液界面の伝熱境膜に過熱液が生じ、加熱温度と沸点との温度差が適切であれば液相から気泡へ物質と熱を供給する。相変化に吸熱反応が加わるので、熱伝達率は向上し、気泡の成長と脱離が有利になる。気泡の脱離によって空いた触媒活性サイトには、過熱液のメタノール分子が直ちに吸着し反応し始めるので、反応速度が向上する。   In addition, as described above, the nanoscale catalyst metal particles are supported on the high surface area activated carbon having excellent heat transferability, and the catalyst metal particles become the foaming point in the liquid phase, so that the nuclear boiling progresses. In the region of nuclear boiling, a superheated liquid is generated in the heat transfer film at the solid-liquid interface, and if the temperature difference between the heating temperature and the boiling point is appropriate, the substance and heat are supplied from the liquid phase to the bubbles. Since the endothermic reaction is added to the phase change, the heat transfer coefficient is improved, and the growth and detachment of the bubbles become advantageous. The reaction speed is improved because the methanol molecules of the superheated liquid immediately adsorb and react to the catalytically active sites which are freed by the desorption of the bubbles.

触媒15では、下記反応式に示すように、メタノールの水溶液改質反応(式3)が進行し、水素が生成される。また、触媒によっては、式3の水溶液改質反応とメタノール分解反応(式4)とが進行し、水素が生成される。
CHOH + HO → 3H + CO ・・・式3
CHOH → 2H + CO ・・・式4
In the catalyst 15, as shown in the following reaction formula, an aqueous solution reforming reaction of methanol (Formula 3) proceeds to generate hydrogen. Further, depending on the catalyst, the aqueous solution reforming reaction of Formula 3 and the methanolysis reaction (Formula 4) proceed to generate hydrogen.
CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 ··· Formula 3
CH 3 OH → 2H 2 + CO formula 4

生成された気体の水素は、副生される二酸化炭素又は二酸化炭素及び一酸化炭素と未反応のメタノール等とともに反応室内を移動し、混合ガスとして排出口12aから排出され、ガス排出管12に取り付けられた混合ガスポンプP1を作動させることで、混合ガスは凝縮分離器20へ送られる。
凝縮分離器20では、供給された混合ガスに含まれる、凝縮性成分であるメタノール及び水と、非凝縮性成分である水素、二酸化炭素、及び場合により副生する一酸化炭素を含む水素含有ガスと、を分離し、分離された水素含有ガスは水素貯留タンク30に貯留される。その後、水素含有ガスを水素透過膜に通すことによって精製水素を生成する。精製水素の利用目的がPEFCでの発電用燃料である場合、一酸化炭素は、PEFCの燃料として利用され得ないため、例えば水素生成システムでの改質に必要とされる熱を得るための燃焼機器の燃料として利用すべく、水素貯留タンク30に一時的に貯留される。
凝縮分離器20で分離された水素含有ガスは、凝縮分離器20の一端に接続された水素流通管22を通じて一旦水素貯留タンク30に送られる。その後、水素供給管26に取り付けられた水素透過膜28によって一酸化炭素等を含まない精製水素とされ、PEFC60に送られる。精製された水素ガスが供給されることで、PEFC60は発電を行うことができる。
一方、凝縮分離器20で水素ガスが分離された後の凝縮性成分(凝縮物)は、凝縮分離器20の他端に接続された排出管を通じて排出除去され、メタノール水溶液として再利用することができる。
The generated gaseous hydrogen moves in the reaction chamber together with by-produced carbon dioxide or carbon dioxide and carbon monoxide and unreacted methanol, etc., is discharged as a mixed gas from the exhaust port 12a, and is attached to the gas exhaust pipe 12 The mixed gas is sent to the condensing separator 20 by operating the mixed gas pump P1.
In the condensation separator 20, a hydrogen-containing gas including the condensable components methanol and water, the non-condensable components hydrogen, carbon dioxide, and optionally by-product carbon monoxide contained in the supplied mixed gas And the separated hydrogen-containing gas is stored in the hydrogen storage tank 30. Thereafter, purified hydrogen is produced by passing the hydrogen-containing gas through the hydrogen permeable membrane. If the purpose of using purified hydrogen is to fuel PEFC power generation, carbon monoxide can not be used as fuel for PEFC, for example, combustion to obtain the heat needed for reforming in a hydrogen generation system It is temporarily stored in the hydrogen storage tank 30 so as to be used as fuel for the device.
The hydrogen-containing gas separated by the condensation separator 20 is once sent to the hydrogen storage tank 30 through the hydrogen flow pipe 22 connected to one end of the condensation separator 20. Thereafter, the hydrogen-permeable membrane 28 attached to the hydrogen supply pipe 26 makes it into purified hydrogen containing no carbon monoxide and the like, and is sent to the PEFC 60. By supplying the purified hydrogen gas, the PEFC 60 can generate power.
On the other hand, the condensable component (condensate) after the hydrogen gas is separated in the condensation separator 20 can be discharged and removed through the discharge pipe connected to the other end of the condensation separator 20 and reused as a methanol aqueous solution it can.

次に、本開示の燃料電池システムの変形例を図9を参照して説明する。
なお、図9において、図1〜図8に示す既述の水素生成システムと同一の構成には同じ符号を付し、その説明を省略する。
Next, a modification of the fuel cell system of the present disclosure will be described with reference to FIG.
In FIG. 9, the same components as those of the above-described hydrogen generation system shown in FIGS. 1 to 8 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

図9に示す燃料電池システム200は、2つの水素生成システムを備えることにより、2基の水素生成装置を備える。燃料電池システム200は、2基の水素生成装置が直列に接続されて配設されていることで、上流側の水素生成装置において水溶液改質に使用されずに残存する未反応のメタノールを下流側の水素生成装置に供給し、これによりメタノール水溶液の転化効率を高め、水素生成量を向上させる態様である。本態様では、水素生成装置に供給されたメタノール水溶液のうち、未反応のメタノールが別の水素生成装置に供される点で、未反応のメタノールが同一の水素生成装置に戻されて水溶液改質に供される図1に示す既述の水素生成システムと異なる。   The fuel cell system 200 shown in FIG. 9 includes two hydrogen generation systems by including two hydrogen generation systems. The fuel cell system 200 has two hydrogen generators connected in series, so that the unreacted hydrogen remaining on the upstream hydrogen generator without being used for aqueous solution reforming can be reduced. It is an aspect of improving the conversion efficiency of methanol aqueous solution by this to the hydrogen generator of the above, and improving the amount of hydrogen generation. In this embodiment, the unreacted methanol is returned to the same hydrogen generator and the aqueous solution is reformed in that the unreacted methanol is supplied to another hydrogen generator among the methanol aqueous solution supplied to the hydrogen generator. This is different from the previously described hydrogen generation system shown in FIG.

図9に示すように、本態様の水素生成システムでは、2基の水素生成装置10、10Aを備えており、上流側の水素生成装置10で生成した水素ガスを含む水素含有ガスと凝縮物とが凝縮分離器20で分離された後、分離後の凝縮物中の未反応のメタノール水溶液は、再供給手段である再供給配管34を通じて下流側の水素生成装置10Aに供給される。   As shown in FIG. 9, the hydrogen generation system of the present embodiment includes two hydrogen generators 10 and 10A, and a hydrogen-containing gas containing a hydrogen gas generated by the hydrogen generator 10 on the upstream side and a condensate. Is separated by the condensation separator 20, and the unreacted methanol aqueous solution in the separated condensate is supplied to the hydrogen generator 10A on the downstream side through the resupply pipe 34 which is a resupply means.

再供給配管34は、凝縮分離器20と水素生成装置10Aとを連通している。再供給配管34には、原料供給ポンプP2Aが取り付けられており、原料供給ポンプP2Aを動作させることで凝縮分離器20から排出された凝縮物を水素生成装置に供給し、水溶液改質反応に供する。この場合、凝縮分離器20から排出された凝縮物からメタノール及び水を分離し、メタノール及び水を選択的に再供給配管34に流通させるようにしてもよい。この場合、例えば凝縮分離器20から排出された凝縮物の組成を分析する等して、メタノール及び水が改質反応に適した組成(例えばメタノール:水=1:1(モル比))となるように混合比を調整した上で、メタノール及び水を再供給配管34に流通させてもよい。混合比の調整は、例えばメタノール等の不足成分を外部より補って行うようにしてもよい。
再供給配管34を通じて再供給されたメタノールは、水素生成装置10Aで水溶液改質されて水素が生成され、水素は水素含有ガスとして凝縮分離器20Aに送られる。凝縮分離器20Aでは、凝縮分離器20と同様に、水素含有ガスと凝縮物とに分離される。水素含有ガスは、水素流通管22Aを通じて一旦水素貯留タンク30に貯留される。水素含有ガスには、水素のほか二酸化炭素等が含まれていてもよい。
水素生成装置で生成された水素含有ガスは、直接燃料電池に供給することもできるが、一旦水素貯留タンク30に貯留され、燃料電池システムの運転状況に応じて必要量が燃料電池に供給されることが好ましい。
水素貯留タンク30には、バルブV1を備えた水素供給管26が接続されており、水素供給管26を介してPEFC60と連通され、水素貯留タンク30からPEFC60の要求量に応じた水素(水素含有ガス)が供給されるようになっている。水素が供給されたPEFC60は、発電を行うことができる。凝縮分離器20Aで分離された凝縮物は、メタノールの残存量が少ない状況であるので、凝縮分離器20Aから外部に排出されるようになっている。
The resupply pipe 34 connects the condensation separator 20 and the hydrogen generator 10A. A raw material supply pump P2A is attached to the resupply pipe 34, and by operating the raw material supply pump P2A, the condensate discharged from the condensation separator 20 is supplied to a hydrogen generator and subjected to an aqueous solution reforming reaction. . In this case, methanol and water may be separated from the condensate discharged from the condensation separator 20, and methanol and water may be selectively circulated to the re-supplying pipe. In this case, methanol and water have a composition suitable for the reforming reaction (for example, methanol: water = 1: 1 (molar ratio)), for example, by analyzing the composition of the condensate discharged from the condensation separator 20. Methanol and water may be passed through the resupply pipe 34 after adjusting the mixing ratio as described above. The adjustment of the mixing ratio may be performed, for example, by compensating for the deficient component such as methanol from the outside.
The methanol re-supplied through the re-supply pipe 34 is reformed in an aqueous solution by the hydrogen generator 10A to generate hydrogen, and the hydrogen is sent to the condensation separator 20A as a hydrogen-containing gas. In the condensation separator 20A, the hydrogen-containing gas and the condensate are separated in the same manner as the condensation separator 20. The hydrogen-containing gas is temporarily stored in the hydrogen storage tank 30 through the hydrogen flow pipe 22A. The hydrogen-containing gas may contain carbon dioxide and the like in addition to hydrogen.
The hydrogen-containing gas generated by the hydrogen generator can be directly supplied to the fuel cell, but it is temporarily stored in the hydrogen storage tank 30, and the necessary amount is supplied to the fuel cell according to the operating condition of the fuel cell system. Is preferred.
A hydrogen supply pipe 26 having a valve V1 is connected to the hydrogen storage tank 30, and is communicated with the PEFC 60 through the hydrogen supply pipe 26, and hydrogen from the hydrogen storage tank 30 according to the required amount of PEFC 60 (hydrogen-containing Gas) is supplied. The PEFC 60 supplied with hydrogen can generate electricity. The condensate separated by the condensation separator 20A is discharged from the condensation separator 20A to the outside because the residual amount of methanol is small.

本態様の水素生成システムでは、下流側の水素生成装置10Aにおいて凝縮物中に残存する未反応のメタノールを(好ましくは、未反応のメタノール及び水の組成を調整した上で)水溶液改質するので、システム全体におけるメタノール水溶液の転化効率を高めることができる。これにより、水素生成量をより向上させることが可能である。   In the hydrogen generation system of this embodiment, since the unreacted hydrogen remaining in the condensate is reformed in an aqueous solution (preferably after adjusting the composition of the unreacted methanol and water) in the hydrogen generator 10A on the downstream side. And the conversion efficiency of the aqueous methanol solution in the whole system can be enhanced. Thereby, it is possible to further improve the hydrogen production amount.

本態様の水素生成システムでは、水素生成装置及び凝縮分離装置をそれぞれ2基ずつ配設した構成を中心に説明したが、水素生成装置は2基に限らず、未反応のメタノールの残存割合に応じて3基以上を直列に及び/又は並列に配設した構成にしてもよい。
他の変形例として、2基の水素生成装置を並列に配設し、この2基の水素生成装置から排出されて凝縮分離装置で凝縮分離された凝縮物を、2基の水素生成装置の双方に対して直列に配設された下流の1基の水素生成装置に供給し、未反応のメタノールを水溶液改質してもよい。これによっても、メタノール水溶液の転化効率を高め、水素生成量を向上させることが可能である。
また、凝縮分離装置も2基に限らず、図示しないが、例えば、2基の水素生成装置に対して1基の凝縮分離装置を配設し、水素含有ガスを一ヶ所に集約して一括して凝縮分離する構成にしてもよいし、水素生成装置の配設数に対応させて3基以上を配設した構成にしてもよい。
In the hydrogen generation system of the present embodiment, the configuration in which two hydrogen generators and two condensing separators are disposed is mainly described, but the number of hydrogen generators is not limited to two, and it is determined according to the remaining ratio of unreacted methanol. Three or more units may be disposed in series and / or in parallel.
As another modification, two hydrogen generators are disposed in parallel, and the condensate discharged from the two hydrogen generators and condensed and separated by the condensing separator is used as both of the two hydrogen generators. Alternatively, the unreacted methanol may be reformed in an aqueous solution by supplying it to a downstream hydrogen generator disposed in series with the above. Also by this, it is possible to enhance the conversion efficiency of the methanol aqueous solution and to improve the hydrogen production amount.
Moreover, although not shown in the figure, the condensing separation apparatus is not limited to two, but for example, one condensing separation apparatus is disposed for two hydrogen generation apparatuses, and hydrogen-containing gases are collectively collected at one place. It may be configured to perform condensation and separation, or three or more units may be disposed to correspond to the number of disposed hydrogen generators.

上記の実施形態では、一端が閉塞した基体が外装材に収容された水素生成装置を一例に説明したが、基体は、基体の長手方向の両端部がともに開放されて例えば熱風が流通する筒形に構成されたものでもよい。
また、上記では、触媒金属として白金を用いた場合を説明したが、白金以外の触媒金属を用いた場合にも同等以上の効果が奏される。
さらに、上記の実施形態では、触媒金属が担持されたカーボンシートを3回巻き重ねることによって3層からなる触媒層が配置された構造を一例に説明したが、水素生成装置の反応室のスケール等、即ち水素ガスの生成量等に応じて、4回以上巻き重ねることによって多層の触媒層が配置された構造としても、同様の効果が奏される。
In the above embodiment, the hydrogen generator in which the base whose one end is closed is accommodated in the outer covering material is described as an example, but the base is open at both ends in the longitudinal direction of the base and has, for example, a cylindrical shape through which hot air flows. It may be configured.
Further, although the case where platinum is used as the catalyst metal has been described above, the same or more effect can be obtained also when using a catalyst metal other than platinum.
Furthermore, in the above embodiment, the structure in which the catalyst layer composed of three layers is disposed by winding the carbon sheet supporting the catalyst metal three times has been described as an example, but the scale of the reaction chamber of the hydrogen generator That is, the same effect can be obtained even when the multilayer catalyst layer is disposed by winding four or more times depending on the amount of generated hydrogen gas and the like.

10,10A・・・水素生成装置
11・・・外装材
12,12A・・・ガス排出管
12a・・・排出口
13・・・基体
14,14A・・・原料供給管
14a・・・供給口
15・・・触媒
16・・・筒構造
17・・・蓋材
18・・・反応室
19・・・加熱室
20,20A・・・凝縮分離装置
22,22A・・・水素流通管
24・・・戻し配管(再供給手段)
26・・・水素供給管
28・・・水素透過膜
30・・・水素貯留タンク
32・・・可燃ガス配管
34・・・再供給配管(再供給手段)
40・・・制御装置
50・・・原料供給装置
60・・・固体高分子形燃料電池(PEFC)
70・・・バーナー(燃焼機器)
100,200・・・燃料電池システム
P1,P1A・・・混合ガスポンプ
P2,P2A・・・原料供給ポンプ
V1,V2・・・バルブ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 10A ... Hydrogen production apparatus 11 ... Exterior material 12, 12A ... Gas discharge pipe 12a ... Discharge port 13 ... Base 14, 14A ... Raw material supply pipe 14a ... Supply port 15 ... catalyst 16 ... cylinder structure 17 ... lid 18 ... reaction chamber 19 ... heating chamber 20, 20A ... condensation separation device 22, 22A ... hydrogen circulation pipe 24 ... · Return piping (resupply means)
26 · · · Hydrogen supply pipe 28 · · · hydrogen permeable membrane 30 · · · hydrogen storage tank 32 · · · flammable gas piping 34 · · · re-supply piping (re-supply means)
40: Control device 50: Raw material supply device 60: Solid polymer fuel cell (PEFC)
70 ・ ・ ・ Burner (combustion equipment)
100, 200 ... fuel cell system P1, P1A ... mixed gas pump P2, P2A ... raw material supply pump V1, V2 ... valve

Claims (11)

メタノール水溶液を水溶液改質して水素ガスを生成する水素生成装置と、
前記水素生成装置から排出された水素を含む混合ガスが供給され、供給された混合ガスを凝縮して少なくとも水素ガスと凝縮物とを分離する凝縮分離装置と、
前記凝縮分離装置で分離された凝縮物中の少なくとも未反応のメタノールを、水素生成装置に再供給して水溶液改質に供する再供給手段と、
を備え、前記水素生成装置は、
少なくとも一端が開放された筒構造を有し、前記筒構造の内部に加熱室が配設された基体と、
前記基体の前記筒構造の外周面の少なくとも一部を覆うように配置され、カーボンシートに触媒金属が担持された触媒と、
前記触媒が配置された前記基体を収容する外装材と、
前記基体の筒の長さ方向における前記一端の側に配置され、水素ガスを排出する排出口と、
前記基体の筒の長さ方向における他端の側に配置され、前記基体と前記外装材との間にメタノール水溶液を供給する供給口と、
を備え、供給されたメタノール水溶液を前記触媒により水溶液改質して水素ガスを生成する、水素生成システム。
A hydrogen generator for reforming the aqueous methanol solution to produce hydrogen gas;
A condensing separation device which is supplied with a mixed gas containing hydrogen discharged from the hydrogen generator and condenses the supplied mixed gas to separate at least hydrogen gas and a condensate;
Resupplying means for resupplying a hydrogen generator with at least unreacted methanol in the condensate separated by the condensing separator and supplying it to an aqueous solution reforming;
And the hydrogen generator comprises
A base having a cylindrical structure in which at least one end is open, and in which the heating chamber is disposed inside the cylindrical structure;
A catalyst which is disposed so as to cover at least a part of the outer peripheral surface of the cylindrical structure of the substrate, and in which a catalyst metal is supported on a carbon sheet;
An exterior material that accommodates the base on which the catalyst is disposed;
A discharge port disposed on the side of the one end in the longitudinal direction of the cylinder of the substrate and discharging hydrogen gas;
A supply port disposed on the side of the other end in the longitudinal direction of the cylinder of the substrate, for supplying a methanol aqueous solution between the substrate and the sheathing material;
A hydrogen generation system for reforming the supplied aqueous methanol solution with the catalyst to produce hydrogen gas.
前記触媒は、前記基体の外周面に巻回されて積層構造とされている、請求項1に記載の水素生成システム。   The hydrogen generation system according to claim 1, wherein the catalyst is wound around the outer peripheral surface of the substrate to form a laminated structure. 前記触媒は、前記カーボンシートに担持された触媒金属の担持量が15g/L〜150g/Lである請求項1又は請求項2に記載の水素生成システム。   3. The hydrogen generation system according to claim 1, wherein a loading amount of the catalyst metal supported on the carbon sheet is 15 g / L to 150 g / L for the catalyst. 前記触媒は、供給されたメタノール水溶液を過熱液膜状態で水溶液改質する請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の水素生成システム。   The hydrogen generation system according to any one of claims 1 to 3, wherein the catalyst reforms the supplied aqueous methanol solution in a superheated liquid film state. 前記供給口から供給されたメタノール水溶液は、前記基体の筒の長さ方向に流通されながら予熱され、沸点を超える温度に過熱された状態で前記触媒により水溶液改質される請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の水素生成システム。   The aqueous methanol solution supplied from the supply port is preheated while being circulated in the length direction of the cylinder of the substrate, and the aqueous solution is reformed by the catalyst in a state of being heated to a temperature exceeding the boiling point. The hydrogen generation system according to any one of 4. 前記カーボンシートが、カーボンクロス又はカーボンフェルトである請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の水素生成システム。   The hydrogen generation system according to any one of claims 1 to 5, wherein the carbon sheet is carbon cloth or carbon felt. 前記触媒金属が、白金、パラジウム、ルテニウム、ニッケルもしくは銅、又は、白金、パラジウム、ルテニウム、ニッケル及び銅からなる金属群より選ばれる少なくとも一つと前記金属群の金属と異なる他の金属との複合体である請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の水素生成システム。   A complex of at least one selected from the group consisting of platinum, palladium, ruthenium, nickel or copper, or platinum, palladium, ruthenium, nickel and copper with other metals different from the metals of the above metal group. The hydrogen generation system according to any one of claims 1 to 6, which is 前記他の金属が、マンガン及び亜鉛の少なくとも一方を含む請求項7の記載の水素生成システム。   The hydrogen generation system according to claim 7, wherein the other metal contains at least one of manganese and zinc. 前記触媒金属が、少なくとも、白金、ルテニウム及びニッケルの少なくとも一つを含む固溶体である請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の水素生成システム。   The hydrogen generation system according to any one of claims 1 to 8, wherein the catalyst metal is a solid solution containing at least one of platinum, ruthenium and nickel. 前記触媒は、前記触媒金属を含む金属粒子が担持され、前記金属粒子の平均一次粒子径が10nm以下である請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の水素生成システム。   The hydrogen generation system according to any one of claims 1 to 9, wherein the catalyst supports metal particles containing the catalyst metal, and the average primary particle diameter of the metal particles is 10 nm or less. 請求項1〜請求項10のいずれか1項に記載の水素生成システムと、
前記水素生成装置で生成された水素ガスにより発電する燃料電池と、
を備えた燃料電池システム。
A hydrogen generation system according to any one of claims 1 to 10;
A fuel cell that generates electricity from hydrogen gas generated by the hydrogen generator;
Fuel cell system equipped with
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