JP2000323164A - 改質装置とその起動方法及び燃料電池発電装置 - Google Patents
改質装置とその起動方法及び燃料電池発電装置Info
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Abstract
改質装置において、触媒の酸化やシンタリングによる改
質器の性能低下を防止し、性能の安定化と耐久性の向上
を図る。 【解決手段】 部分酸化反応と水蒸気改質反応とを併用
する改質器5と、改質原料を改質器に供給する改質原料
供給系50と、酸素または空気を改質器に供給する酸素
供給系60とを備えた改質装置において、改質器5から
排出される改質ガスの一部を,改質器5の改質触媒層に
再循環するための改質ガスリサイクル用配管71を備え
たものとする。また、上記とは異なる解決手段として、
装置起動時に、改質器5に改質原料が供給されたことを
改質原料供給検出器により検出した後に、酸素供給系6
0から酸素または空気を改質器に供給することとする。
Description
ノール等の炭化水素改質原燃料と水とからなる改質原料
を,酸素または空気とともに改質触媒層に通流して,部
分酸化反応と水蒸気改質反応とにより水素リッチの改質
ガスにする改質装置とその起動方法,及び燃料電池発電
装置に関する。
して水素を用いる工業用装置や燃料電池発電装置などに
使用される。以下に、燃料電池発電装置への適用例に関
し、従来の技術を述べる。
としては、電解質の種類、改質原料の種類等によって異
なる種々のタイプがあるが、実用的なものとして、リン
酸高濃度水溶液を電解質として用いたリン酸型燃料電池
や、固体高分子型燃料電池がよく知られている。
は、天然ガスやメタノール等の炭化水素改質原燃料を、
水蒸気改質して得られた改質ガス中の水素と、空気中の
酸素とを、燃料電池の燃料極および空気極にそれぞれ供
給し、電気化学反応に基づいて発電を行うもので、原燃
料を燃料ガスに改質する改質装置としては、原燃料に水
を加えて加熱し、水蒸気と原燃料を触媒を用いて改質す
る水蒸気改質反応を利用したものがよく知られている。
燃料改質装置以外に、装置のコンパクト性や短時間起動
を要求される電気自動車用や可搬型の燃料電池発電装置
を主対象として、部分酸化反応を水蒸気改質反応と併用
するタイプの改質装置が開発されている。
気改質反応とを併用した改質器を備えた燃料電池発電装
置の従来の構成の一例を示し、改質原燃料として、メタ
ノールを用いた例を示す。
要素は、燃料電池本体10と、改質器5と、改質原料供
給系50と、酸素供給系60と、改質ガス供給系70で
あり、その他に、オフ水素の系統およびオフ空気の系統
がある。改質原料供給系50は、メタノール1の供給源
と、水2の供給源と、改質原料ポンプ20と、加熱器3
と、蒸発器4と各接続配管とから構成される。また、酸
素供給系60は、空気または酸素6の供給源と、圧縮機
21とからなる。その他の部材については、以下の本装
置の動作説明と共に述べる。
用の水2とを、予め所定の割合で混合した改質原料を、
改質原料ポンプ20により加熱器3に通流して予熱す
る。予熱された改質原料は、蒸発器4に導かれてさらに
加熱,気化され、改質触媒が充填された改質触媒層を備
えた改質器5に導入される。改質触媒としては、銅−亜
鉛(Cu-Zn)系触媒やNi系の触媒などが使用される。
して空気6を改質器5に供給し、改質器5内部におけ
る、部分酸化反応(下記、化1)と、水蒸気改質反応
(下記、化2)とにより、水素リッチな改質ガスを生成
する。
KJ/mol(発熱反応)
mol (吸熱反応)
えなければならない吸熱反応であるのに対し、部分酸化
反応(化1)は、発熱反応である。従って、部分酸化反
応を同一反応器内にて併用することにより、水蒸気改質
反応に必要な熱を賄って反応を行うようにすることがで
き、外部加熱装置が不要となるので、装置がコンパクト
になりかつ、改質器の起動時間が短縮できる。
電池本体10で必要な水素を生成する。この生成ガス中
には、燃料電池本体10の被毒物質となる一酸化炭素C
Oが含まれるため、選択酸化触媒が充填された選択酸化
反応器としてのCO変換器7において、COをCO2に変換
除去しCO濃度をPPMレベルまで低減し、水冷の冷却器9
によりガス温度を下げた後、燃料電池本体10に改質ガ
スを供給して発電を行う。
水素(燃料電池排ガス水素)は、水蒸気として含まれる
水分を凝縮器12にて除去し、一方、燃料電池本体の空
気極から排出されるオフ空気は、水分を凝縮器14にて
除去する。その後、前記オフ水素をオフ空気と共に、排
水素燃焼器13において燃焼させ、その熱を蒸発器4の
熱源として利用する。また、冷却器9で水が得た熱は、
加熱器3において利用する。
化反応と水蒸気改質反応とを併用した改質器を備えた改
質装置においては、部分酸化反応用に供給される空気中
の酸素が、部分酸化反応に供されると同時に、改質器内
の触媒、とりわけメタノールを原燃料とする場合に使用
される銅−亜鉛系触媒においては、特に触媒層入口部に
充填された触媒が酸化されて、触媒機能が失われる問題
があり、部分酸化反応と水蒸気改質反応とを併用する場
合、耐久性に課題を残していた。
るため、微量の酸素存在下にあっても、高温の温度履歴
によっては、触媒のシンタリングを招き、短時間のうち
に触媒性能が失われていく問題があった。そのため、従
来装置とその運転方法においては、時間の経過ととも
に、触媒の劣化に伴う改質器の性能低下が生ずる問題が
あった。
器内の触媒に改質原料が供給される前に空気が供給され
てしまい、触媒が酸化して、触媒性能を著しく低下させ
てしまう恐れがあった。
なされたもので、この発明の課題は、部分酸化反応と水
蒸気改質反応とを併用した改質装置及び同改質装置を備
えた燃料電池発電装置において、触媒の酸化やシンタリ
ングによる改質器の性能低下を防止し、性能の安定化と
耐久性の向上を図ることにある。
めに、この発明の改質装置は、天然ガスやメタノール等
の炭化水素改質原燃料と水とからなる改質原料を,酸素
または空気とともに改質触媒層に通流して,部分酸化反
応と水蒸気改質反応とにより水素リッチの改質ガスにす
る改質器と、前記改質原料を改質器に供給する改質原料
供給系と、前記酸素または空気を改質器に供給する酸素
供給系とを備えた改質装置において、前記改質ガスの一
部を前記改質器の改質触媒層に再循環(以下、リサイク
ルともいう。)するように構成したものとする(請求項
1)、または、天然ガスやメタノール等の炭化水素改質
原燃料と水とからなる改質原料を,酸素または空気とと
もに改質触媒層に通流して,部分酸化反応と水蒸気改質
反応とにより水素リッチの改質ガスにして,この改質ガ
スを燃料電池本体に供給する改質器と、前記改質原料を
改質器に供給する改質原料供給系と、前記酸素または空
気を改質器に供給する酸素供給系とを備えた改質装置に
おいて、前記燃料電池本体から排出されるオフ水素の一
部を,前記改質器の改質触媒層に再循環するように構成
したものとする(請求項2)。さらに上記のものにおい
て、改質触媒は、銅−亜鉛(Cu−Zn)系触媒とする
(請求項3)。
然ガスやメタノール等の炭化水素改質原燃料と水とから
なる改質原料を,酸素または空気とともに改質触媒層に
通流して,部分酸化反応と水蒸気改質反応とにより水素
リッチの改質ガスにして,この改質ガスを燃料電池本体
に供給する改質器と、前記改質原料を改質器に供給する
改質原料供給系と、前記酸素または空気を改質器に供給
する酸素供給系とを有する改質装置と、前記燃料電池本
体とを備えた燃料電池発電装置において、前記改質ガス
の一部又は前記燃料電池本体から排出されるオフ水素の
一部を,前記改質器の改質触媒層に再循環するための再
循環用配管を備えたものとする(請求項4)。
部を,改質触媒層に再循環(リサイクル)することによ
り、酸化雰囲気を還元剤となる水素で和らげることがで
きるので、触媒、特に触媒層入口部分における触媒の酸
化を防止できる。さらに、リサイクルされた水素自体も
燃焼するため、この燃焼熱は、吸熱反応に寄与する。ま
た、水素の燃焼によって生成する水が、そのまま水蒸気
改質に使用され、反応器内部におけるスチーム/カーボ
ン比(S/C)が高くなり、CO濃度も下がり、良好な
改質性能が維持できる。
装置の起動方法として、この発明は、天然ガスやメタノ
ール等の炭化水素改質原燃料と水とからなる改質原料
を,酸素または空気とともに改質触媒層に通流して,部
分酸化反応と水蒸気改質反応とにより水素リッチの改質
ガスにする改質器と、前記改質原料を改質器に供給する
改質原料供給系と、前記酸素または空気を改質器に供給
する酸素供給系とを備えた改質装置の起動方法におい
て、起動時に前記改質器に改質原料が供給されたことを
検出した後に、前記酸素供給系から酸素または空気を改
質器に供給することとする(請求項5)。上記方法にお
ける検出方法としては、改質原料供給系の改質器直近に
設けた圧力計により、改質原料が改質器に供給されたこ
とを検出する方法(請求項6)もしくは、改質原料供給
系の改質器直近に設けた温度計により、改質原料が改質
器に供給されたことを検出する方法(請求項7)があ
る。
料が触媒層入口に到達前に、空気または酸素のみの雰囲
気に触媒がさらされることがなくなるので、改質触媒の
酸化が防止できる。
−Zn)系触媒に限定されるものではなく、また、原燃
料もメタノールに限定されるものではなく、システム構
成も含めてこの発明の技術思想の範囲内で、各種の変形
が可能である。
態について以下にのべる。
置の実施例を示す図である。また、図2は、請求項2お
よび4に関わる本発明の改質装置および同改質装置を備
えた燃料電池発電装置の実施例を示す図である。図1お
よび2において、図5と同じ構成部材には同一の番号を
付して説明を省略する。図1の改質装置が図5に記載さ
れた改質装置と異なる点は、図1においては、改質ガス
リサイクル用配管71を設けた点である。また、図2が
図5と異なる点は、図2においては、オフ水素リサイク
ル用配管15を設けた点である。
素の一部を,改質触媒層にリサイクルすることにより、
酸化雰囲気を還元剤となる水素で和らげることができ、
触媒、特に触媒層入口部分における触媒の酸化を防止で
きる。
消費されないまま残ったオフ水素は、凝縮器12におい
て余剰の水分を除去された後、その一部(例えば10
%)が、オフ水素リサイクル用配管15を通って、改質
器に戻される。このようにして、触媒の酸化を防止でき
るが、また、上記構成によれば、オフ水素の全量が排水
素燃焼器13および蒸発器4に通流されないので、これ
らの機器はその分小型化できる。
実験結果の一例を示し、原燃料としてはメタノールを用
い、銅−亜鉛(Cu−Zn)系触媒により、部分酸化反
応と水蒸気改質反応とを併用して連続的に改質を行った
際の、改質器の性能評価の指標となるガス組成の推移を
示す。
い状態で運転すると、運転開始後、水素濃度が徐々に低
下し、CO濃度が増加するのが分かる。また、時間経過
に伴い、副反応生成物と思われるCH4の生成が確認さ
れた。以上の結果から、オフ水素リサイクル無しの場
合、改質器の性能が経時的に低下することが明白であ
る。
サイクルを実施したところ、触媒層入口部での発熱反応
が確認されており、触媒の酸化が運転中に起こっていた
ことが確認された。一旦リサイクルを中断し、その後リ
サイクル有りで運転を継続したところ、水素,CO濃度
共に安定した濃度推移を示した。また、副反応生成物と
思われるCH4の生成も抑制できた。
ていた部分酸化反応と水蒸気改質反応とを併用した改質
器においても、安定した燃料改質が可能であることが確
認された。元来、部分酸化反応は、メタノールの一部を
酸化させてしまうので、水素への変換効率が低下し、改
質ガス中の水素濃度も、空気により希釈されて低くなる
が、上記のシステム構成により、水素への変換効率を向
上することができ、また、改質原料の蒸発器の小型化も
可能となった。
求項5ないし7に関わる発明の実施例を示す。図4にお
いて、図5と同じ構成部材には同一の番号を付して説明
を省略する。図4の改質装置が図5に記載された改質装
置と異なる点は、図4においては、改質原料供給検出器
30を設けた点およびその検出信号に基づき圧縮機21
を駆動する制御装置31を設けた点である。
力計もしくは温度計が好適である。改質原料は、改質原
料ポンプ20,加熱器3および蒸発器4により、加圧お
よび加熱されるので、改質器5の直近に設けた圧力計も
しくは温度計により、改質原料の改質器への供給が、い
ずれの場合にも、容易に検知できる。この信号に基づ
き、圧縮機21を駆動して空気を供給すれば、装置の起
動時に、触媒がいきなり酸素にさらされることはない。
天然ガスやメタノール等の炭化水素改質原燃料と水とか
らなる改質原料を,酸素または空気とともに改質触媒層
に通流して,部分酸化反応と水蒸気改質反応とにより水
素リッチの改質ガスにする改質器と、前記改質原料を改
質器に供給する改質原料供給系と、前記酸素または空気
を改質器に供給する酸素供給系とを備えた改質装置にお
いて、改質ガスの一部を前記改質器の改質触媒層に再循
環するようにした。あるいは、この発明の燃料電池発電
装置は、燃料電池本体から排出されるオフ水素の一部
を,前記改質器の改質触媒層に再循環するように構成し
たので、触媒、特に触媒層入口部分における触媒の酸化
を防止できる。
明は、起動時に改質器に改質原料が供給されたことを検
出した後に、酸素供給系から酸素または空気を改質器に
供給することとしたので、改質原料が触媒層入口に到達
前に、空気または酸素のみの雰囲気に触媒がさらされる
ことがなり、改質触媒の酸化が防止でき、装置の性能の
安定性と耐久性を向上することができる。
である。
検証する実験結果の一例を示す図である。
を示す図である。
例を示す図である。
5:改質器、6:空気、7:CO変換器、9:冷却器、
10:燃料電池本体、12,14:凝縮器、13:排水
素燃焼器、15:オフ水素リサイクル用配管、20:改
質原料ポンプ、21:圧縮機、30:改質原料供給検出
器、31:制御装置、50:改質原料供給系、60:酸
素供給系、70:改質ガス供給系、71:改質ガスリサ
イクル用配管。
Claims (7)
- 【請求項1】 天然ガスやメタノール等の炭化水素改質
原燃料と水とからなる改質原料を,酸素または空気とと
もに改質触媒層に通流して,部分酸化反応と水蒸気改質
反応とにより水素リッチの改質ガスにする改質器と、前
記改質原料を改質器に供給する改質原料供給系と、前記
酸素または空気を改質器に供給する酸素供給系とを備え
た改質装置において、前記改質ガスの一部を前記改質器
の改質触媒層に再循環するように構成したことを特徴と
する改質装置。 - 【請求項2】 天然ガスやメタノール等の炭化水素改質
原燃料と水とからなる改質原料を,酸素または空気とと
もに改質触媒層に通流して,部分酸化反応と水蒸気改質
反応とにより水素リッチの改質ガスにして,この改質ガ
スを燃料電池本体に供給する改質器と、前記改質原料を
改質器に供給する改質原料供給系と、前記酸素または空
気を改質器に供給する酸素供給系とを備えた改質装置に
おいて、前記燃料電池本体から排出されるオフ水素の一
部を,前記改質器の改質触媒層に再循環するように構成
したことを特徴とする改質装置。 - 【請求項3】請求項1または2のいずれかに記載のもの
において、改質触媒層における改質触媒は、銅−亜鉛
(Cu−Zn)系触媒であることを特徴とする改質装
置。 - 【請求項4】 天然ガスやメタノール等の炭化水素改質
原燃料と水とからなる改質原料を,酸素または空気とと
もに改質触媒層に通流して,部分酸化反応と水蒸気改質
反応とにより水素リッチの改質ガスにして,この改質ガ
スを燃料電池本体に供給する改質器と、前記改質原料を
改質器に供給する改質原料供給系と、前記酸素または空
気を改質器に供給する酸素供給系とを有する改質装置
と、前記燃料電池本体とを備えた燃料電池発電装置にお
いて、前記改質ガスの一部又は前記燃料電池本体から排
出されるオフ水素の一部を,前記改質器の改質触媒層に
再循環するための再循環用配管を備えたことを特徴とす
る燃料電池発電装置。 - 【請求項5】 天然ガスやメタノール等の炭化水素改質
原燃料と水とからなる改質原料を,酸素または空気とと
もに改質触媒層に通流して,部分酸化反応と水蒸気改質
反応とにより水素リッチの改質ガスにする改質器と、前
記改質原料を改質器に供給する改質原料供給系と、前記
酸素または空気を改質器に供給する酸素供給系とを備え
た改質装置の起動方法において、起動時に前記改質器に
改質原料が供給されたことを検出した後に、前記酸素供
給系から酸素または空気を改質器に供給することを特徴
とする改質装置の起動方法。 - 【請求項6】請求項5に記載の方法において、改質原料
供給系の改質器直近に設けた圧力計の圧力測定値に基づ
き,改質器に改質原料が供給されたことを検出すること
を特徴とする改質装置の起動方法。 - 【請求項7】請求項5に記載の方法において、改質原料
供給系の改質器直近に設けた温度計の温度測定値に基づ
き,改質器に改質原料が供給されたことを検出すること
を特徴とする改質装置の起動方法。
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