JP2001146405A - 燃料改質装置とその運転方法 - Google Patents
燃料改質装置とその運転方法Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
(57)【要約】
【課題】 改質ガス中の水素濃度の向上および反応熱の
損失の低減と、アンモニア生成の防止を図った水蒸気改
質反応と部分酸化改質反応とを併用する燃料改質装置と
その運転方法を提供する。 【解決手段】 炭化水素系原燃料ガスを酸化剤ガスとと
もに改質触媒層に通流し、水蒸気改質反応と部分酸化改
質反応との併用によって水素リッチな改質ガスを生成す
るための改質器５と、前記原燃料ガスを改質器に供給す
るための原燃料ガス供給系５１と、前記酸化剤ガスを改
質器に供給するための酸化剤ガス供給系６０とを備えた
燃料改質装置において、酸化剤ガス供給系６０は、空気
６を酸素と窒素とに分離するための酸素・窒素分離器１
５と、分離窒素排出系２５とを備えたものとし、部分酸
化改質反応のための酸化剤ガスとして、酸素リッチなガ
スを供給する。
損失の低減と、アンモニア生成の防止を図った水蒸気改
質反応と部分酸化改質反応とを併用する燃料改質装置と
その運転方法を提供する。 【解決手段】 炭化水素系原燃料ガスを酸化剤ガスとと
もに改質触媒層に通流し、水蒸気改質反応と部分酸化改
質反応との併用によって水素リッチな改質ガスを生成す
るための改質器５と、前記原燃料ガスを改質器に供給す
るための原燃料ガス供給系５１と、前記酸化剤ガスを改
質器に供給するための酸化剤ガス供給系６０とを備えた
燃料改質装置において、酸化剤ガス供給系６０は、空気
６を酸素と窒素とに分離するための酸素・窒素分離器１
５と、分離窒素排出系２５とを備えたものとし、部分酸
化改質反応のための酸化剤ガスとして、酸素リッチなガ
スを供給する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、メタンガスやメ
タノール，エタノール，ガソリン等の液状の炭化水素と
水との混合物を気化した原燃料ガスを酸化剤ガスととも
に改質触媒層に通流し、水蒸気改質反応と部分酸化改質
反応との併用によって水素リッチな改質ガスを生成する
燃料改質装置とその運転方法に関する。
タノール，エタノール，ガソリン等の液状の炭化水素と
水との混合物を気化した原燃料ガスを酸化剤ガスととも
に改質触媒層に通流し、水蒸気改質反応と部分酸化改質
反応との併用によって水素リッチな改質ガスを生成する
燃料改質装置とその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】上記のような燃料改質装置は、一般の化
学プラントにおける使用以外に、燃料電池発電装置など
の燃料ガス供給装置として、広く利用されている。
学プラントにおける使用以外に、燃料電池発電装置など
の燃料ガス供給装置として、広く利用されている。
【０００３】燃料電池は、燃料の有する化学エネルギー
を、機械エネルギーや熱エネルギーを経由することなく
直接電気エネルギーに変換する装置であり、高いエネル
ギー効率が実現可能である。良く知られた燃料電池の形
態としては、電解質層を挟んで一対の電極を配置し、一
方の電極（アノード）側に水素を含有する燃料ガスを供
給するとともに他方の電極（カソード）側に酸素を含有
する酸化剤ガスを供給するものであり、両極間で起きる
電気化学反応を利用して起電力を得る。以下に、燃料電
池で起きる電気化学反応を表す式を示す。（１）式はア
ノード側に於ける反応、（２）式はカソード側に於ける
反応を表し、燃料電池全体では（３）式に表す反応が進
行する。
を、機械エネルギーや熱エネルギーを経由することなく
直接電気エネルギーに変換する装置であり、高いエネル
ギー効率が実現可能である。良く知られた燃料電池の形
態としては、電解質層を挟んで一対の電極を配置し、一
方の電極（アノード）側に水素を含有する燃料ガスを供
給するとともに他方の電極（カソード）側に酸素を含有
する酸化剤ガスを供給するものであり、両極間で起きる
電気化学反応を利用して起電力を得る。以下に、燃料電
池で起きる電気化学反応を表す式を示す。（１）式はア
ノード側に於ける反応、（２）式はカソード側に於ける
反応を表し、燃料電池全体では（３）式に表す反応が進
行する。
【０００４】
【化１】 Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- ………（１）
【０００５】
【化２】 １／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ ………（２）
【０００６】
【化３】 Ｈ2＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ ………（３） 燃料電池発電装置は、使用する電解質の種類により分類
されるが、これらの燃料電池の中で、固体高分子型燃料
電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池等で
は、その電解質の性質から、二酸化炭素を含んだ酸化ガ
スや炭酸ガスを使用することが可能である。そこで通常
これらの燃料電池では、空気を酸化ガスとして用い、メ
タノールや天然ガス等の炭化水素系の原燃料を水蒸気改
質して生成した水素を含むガスを燃料ガスとして用いて
いる。
されるが、これらの燃料電池の中で、固体高分子型燃料
電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池等で
は、その電解質の性質から、二酸化炭素を含んだ酸化ガ
スや炭酸ガスを使用することが可能である。そこで通常
これらの燃料電池では、空気を酸化ガスとして用い、メ
タノールや天然ガス等の炭化水素系の原燃料を水蒸気改
質して生成した水素を含むガスを燃料ガスとして用いて
いる。
【０００７】そのため、この様な燃料電池を備える燃料
電池システムには改質装置が設けられており、この改質
装置において原燃料の改質を行ない燃料ガスを生成して
いる。
電池システムには改質装置が設けられており、この改質
装置において原燃料の改質を行ない燃料ガスを生成して
いる。
【０００８】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。
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。
【０００９】最近では、上記水蒸気改質反応を利用した
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。また上記のよ
うな燃料電池発電装置の場合、原燃料としては、メタノ
ール，エタノール，ガソリン等の液状の炭化水素と水と
を混合してなる液体燃料を気化したものが用いられる。
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。また上記のよ
うな燃料電池発電装置の場合、原燃料としては、メタノ
ール，エタノール，ガソリン等の液状の炭化水素と水と
を混合してなる液体燃料を気化したものが用いられる。
【００１０】以下に改質器に於ける原燃料の改質反応に
ついて説明する。例えば、まずメタノールを原燃料とし
てこれを水蒸気改質する場合について説明する。
ついて説明する。例えば、まずメタノールを原燃料とし
てこれを水蒸気改質する場合について説明する。
【００１１】
【化４】 CH3OH→CO+2H2 +90.13 KJ/mol ………（４）
【００１２】
【化５】 CO+H2O→CO2+H2 -41.17 KJ/mol ………（５）
【００１３】
【化６】 CH3OH+H2O→CO2+3H2 +48.96 KJ/mol ………（６） メタノールを水蒸気改質するときの反応では（４）式で
示したメタノールの分解反応と（５）式で示した一酸化
炭素の変成反応とが同時に進行し、全体として（６）式
の反応が起こる。このように、原燃料をただ単に水蒸気
改質させる反応は吸熱反応であるため、改質に必要な熱
量を外から供給する必要がある。
示したメタノールの分解反応と（５）式で示した一酸化
炭素の変成反応とが同時に進行し、全体として（６）式
の反応が起こる。このように、原燃料をただ単に水蒸気
改質させる反応は吸熱反応であるため、改質に必要な熱
量を外から供給する必要がある。
【００１４】一方、メタノールの水蒸気改質と部分酸化
反応を併用して行なう改質方法について以下に説明す
る。
反応を併用して行なう改質方法について以下に説明す
る。
【００１５】
【化７】 CH3OH+H2O →CO2+3H2 +48.96 KJ/mol ………（７）
【００１６】
【化８】 CH3OH+1/2O2 →CO2+2H2 -192.86 KJ/mol ……（８）
【００１７】
【化９】 CH3OH+1/4O2+1/2H2O→CO2+2/5H2 -71.95 KJ/mol ………（９） メタノールの部分酸化改質反応は（８）式に示すように
発熱反応である。これを、（７）式の水蒸気改質反応と
半々に行なわせると全体として（９）式の反応となり、
発熱反応となる。どちらをどの位の割合で行なわせるか
は、部分酸化用の酸素の供給量で調節して、実際には吸
熱と発熱がバランスする程度(メタノール１モルに対し
て０．１１モル程度)の酸素を含む空気を供給して触媒
層入口の温度を３００〜４００℃程度に保ちながら改質
反応を継続させる。この方法は、水蒸気改質反応のみを
行なわせる場合と異なり、改質に必要な熱量を外から供
給する必要がなく、改質器の構造が簡単になるという利
点がある。
発熱反応である。これを、（７）式の水蒸気改質反応と
半々に行なわせると全体として（９）式の反応となり、
発熱反応となる。どちらをどの位の割合で行なわせるか
は、部分酸化用の酸素の供給量で調節して、実際には吸
熱と発熱がバランスする程度(メタノール１モルに対し
て０．１１モル程度)の酸素を含む空気を供給して触媒
層入口の温度を３００〜４００℃程度に保ちながら改質
反応を継続させる。この方法は、水蒸気改質反応のみを
行なわせる場合と異なり、改質に必要な熱量を外から供
給する必要がなく、改質器の構造が簡単になるという利
点がある。
【００１８】改質器は、通常、粒状触媒を充填した容器
であって、水蒸気改質反応のみを行なわせるタイプの改
質器は一般に多重円筒型であり、その中心には反応に必
要な熱を供給するためのバーナと炉体があり、その周囲
を囲むように円筒上の触媒充填層がある。一方、水蒸気
改質と部分酸化改質を併用する改質器においては、上述
の理由で、外側から熱を与える必要がないために、触媒
充填層は比較的任意の構造とすることができる。
であって、水蒸気改質反応のみを行なわせるタイプの改
質器は一般に多重円筒型であり、その中心には反応に必
要な熱を供給するためのバーナと炉体があり、その周囲
を囲むように円筒上の触媒充填層がある。一方、水蒸気
改質と部分酸化改質を併用する改質器においては、上述
の理由で、外側から熱を与える必要がないために、触媒
充填層は比較的任意の構造とすることができる。
【００１９】なお、原燃料であるメタノールは水蒸気改
質用の水と一定の割合で混合した状態で蒸発器ヘと供給
され、ここでガス化させたものが燃料改質器へと供給さ
れる。この蒸発器の加熱側のエネルギー源には一般に燃
料電池のアノード側出口から出る未反応ガス（排水素）
を排水素燃焼器で燃焼させて得た燃焼ガスを用いてい
る。
質用の水と一定の割合で混合した状態で蒸発器ヘと供給
され、ここでガス化させたものが燃料改質器へと供給さ
れる。この蒸発器の加熱側のエネルギー源には一般に燃
料電池のアノード側出口から出る未反応ガス（排水素）
を排水素燃焼器で燃焼させて得た燃焼ガスを用いてい
る。
【００２０】また、メタノールを原燃料とした改質器
は、その反応温度が３００〜４００℃と低いために、吸
熱反応である水蒸気改質反応を適度に行なわせることに
よって出口温度を２００℃程度まで低下させることがで
き、これによって同一容器内でＣＯ変成反応を行なわ
せ、改質ガス中のＣＯ濃度を１％程度にまで低下させる
事ができる。従って、別にＣＯ変成器を設置せずに、こ
のガスを、ＣＯをさらにｐｐｍオーダまで低下させるＣ
Ｏ除去器へと供給している。
は、その反応温度が３００〜４００℃と低いために、吸
熱反応である水蒸気改質反応を適度に行なわせることに
よって出口温度を２００℃程度まで低下させることがで
き、これによって同一容器内でＣＯ変成反応を行なわ
せ、改質ガス中のＣＯ濃度を１％程度にまで低下させる
事ができる。従って、別にＣＯ変成器を設置せずに、こ
のガスを、ＣＯをさらにｐｐｍオーダまで低下させるＣ
Ｏ除去器へと供給している。
【００２１】図２は、上記のような部分酸化反応と水蒸
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（以下、改質
原料ともいう。）として、メタノール・水混合液体を用
いた例を示す。
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（以下、改質
原料ともいう。）として、メタノール・水混合液体を用
いた例を示す。
【００２２】図２における燃料電池発電装置の主な構成
要素は、燃料電池本体１０と、改質器５と、原燃料ガス
供給系５１と、酸化剤ガス供給系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。原燃料ガス供給系５１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、酸化剤ガス供給系６０は、空気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。
要素は、燃料電池本体１０と、改質器５と、原燃料ガス
供給系５１と、酸化剤ガス供給系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。原燃料ガス供給系５１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、酸化剤ガス供給系６０は、空気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。
【００２３】液体燃料であるメタノール１と水蒸気改質
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，気化され原燃料ガスとなって、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，貴金属系触媒
やNi系の触媒などが使用される。
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，気化され原燃料ガスとなって、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，貴金属系触媒
やNi系の触媒などが使用される。
【００２４】原燃料ガス導入と同時に、圧縮機２１を駆
動して空気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（前記（８）式）と、水蒸気改質反応
（前記（７）式）とにより、水素リッチな改質ガスを生
成する。
動して空気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（前記（８）式）と、水蒸気改質反応
（前記（７）式）とにより、水素リッチな改質ガスを生
成する。
【００２５】水蒸気改質反応（（７）式）は、外から熱
を与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（（８）式）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。
を与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（（８）式）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。
【００２６】上記反応により、改質器５において、燃料
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。
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。
【００２７】燃料電池本体１０にて消費しなかったオフ
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。
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。
【００２８】ところで、燃料改質器を起動する際には、
前記（７）〜（９）式に示すように、同じ改質器内にて
触媒上でメタノールの７９％を水蒸気改質反応で、残り
の２１％を酸化反応させることができれば、理論上は吸
熱量と発熱量がつりあうことになる。このときの前記二
つの改質反応により改質されるメタノールに対する部分
酸化改質反応により改質されるメタノールの割合、即ち
部分酸化率を２１％と定義する。（７）〜（９）式の反
応が行われている状態の部分酸化率は、５０％である。
前記（７）〜（９）式に示すように、同じ改質器内にて
触媒上でメタノールの７９％を水蒸気改質反応で、残り
の２１％を酸化反応させることができれば、理論上は吸
熱量と発熱量がつりあうことになる。このときの前記二
つの改質反応により改質されるメタノールに対する部分
酸化改質反応により改質されるメタノールの割合、即ち
部分酸化率を２１％と定義する。（７）〜（９）式の反
応が行われている状態の部分酸化率は、５０％である。
【００２９】従来の燃料改質器の運転方法としては、設
計された改質器の放熱量を考慮して、部分酸化率を、触
媒温度を検知しながら２１％〜３０％となるように酸化
剤ガスとしての空気流量を圧縮器２１にて調整してい
た。
計された改質器の放熱量を考慮して、部分酸化率を、触
媒温度を検知しながら２１％〜３０％となるように酸化
剤ガスとしての空気流量を圧縮器２１にて調整してい
た。
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】前述のような水蒸気改
質反応と部分酸化改質反応との併用によって水素リッチ
な改質ガスを生成する燃料改質装置の運転方法において
は、以下のよう問題点がある。
質反応と部分酸化改質反応との併用によって水素リッチ
な改質ガスを生成する燃料改質装置の運転方法において
は、以下のよう問題点がある。
【００３１】燃料改質装置の運転方法において、なるべ
く改質率を上げて多量の水素を生成するためには、触媒
の耐熱温度が許される限り高温で運転することが望まし
い。ところで、圧縮器により空気を直接改質器内部に導
入した場合、反応に寄与しない空気中の窒素分により、
改質ガス中の水素濃度が希釈されることになる。前述の
ように改質率を高くするには、触媒の反応温度を上げる
ことが有効であるが、部分酸化改質反応では触媒温度を
上げる唯一の手段が導入される酸化剤の量である。温度
を上げるために、酸化剤である空気の流量を増やして部
分酸化率を高くすると、触媒温度を上げることができ改
質率は高くなるが、改質ガス中の水素濃度が希釈され水
素分圧が小さくなる問題がある。
く改質率を上げて多量の水素を生成するためには、触媒
の耐熱温度が許される限り高温で運転することが望まし
い。ところで、圧縮器により空気を直接改質器内部に導
入した場合、反応に寄与しない空気中の窒素分により、
改質ガス中の水素濃度が希釈されることになる。前述の
ように改質率を高くするには、触媒の反応温度を上げる
ことが有効であるが、部分酸化改質反応では触媒温度を
上げる唯一の手段が導入される酸化剤の量である。温度
を上げるために、酸化剤である空気の流量を増やして部
分酸化率を高くすると、触媒温度を上げることができ改
質率は高くなるが、改質ガス中の水素濃度が希釈され水
素分圧が小さくなる問題がある。
【００３２】また、未反応の窒素ガスによって、酸化反
応熱の一部が反応器系外へと持ち去られてしまうエネル
ギー損失の問題がある。
応熱の一部が反応器系外へと持ち去られてしまうエネル
ギー損失の問題がある。
【００３３】さらに、メタンなどの天然ガスを同様な方
法にて改質する場合には、反応温度が７００℃前後と高
くなるために、窒素分によりアンモニアが生成する問題
がある。
法にて改質する場合には、反応温度が７００℃前後と高
くなるために、窒素分によりアンモニアが生成する問題
がある。
【００３４】この発明は、上記問題点に鑑みてなされた
もので、この発明の課題は、改質ガス中の水素濃度の向
上および反応熱の損失の低減と、アンモニア生成の防止
を図った水蒸気改質反応と部分酸化改質反応とを併用す
る燃料改質装置とその運転方法を提供することにある。
もので、この発明の課題は、改質ガス中の水素濃度の向
上および反応熱の損失の低減と、アンモニア生成の防止
を図った水蒸気改質反応と部分酸化改質反応とを併用す
る燃料改質装置とその運転方法を提供することにある。
【００３５】
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、この発明は、メタンガスやメタノール，エタノー
ル，ガソリン等の液状の炭化水素と水との混合物を気化
した原燃料ガスを酸化剤ガスとともに改質触媒層に通流
し、水蒸気改質反応と部分酸化改質反応との併用によっ
て水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質装置の運転
方法において、前記部分酸化改質反応のための酸化剤ガ
スとして、少なくとも空気よりは酸素成分割合が大きい
酸素リッチなガスを供給することとする（請求項１）。
めに、この発明は、メタンガスやメタノール，エタノー
ル，ガソリン等の液状の炭化水素と水との混合物を気化
した原燃料ガスを酸化剤ガスとともに改質触媒層に通流
し、水蒸気改質反応と部分酸化改質反応との併用によっ
て水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質装置の運転
方法において、前記部分酸化改質反応のための酸化剤ガ
スとして、少なくとも空気よりは酸素成分割合が大きい
酸素リッチなガスを供給することとする（請求項１）。
【００３６】また、上記請求項１に記載の方法におい
て、前記酸素リッチなガスは、空気から変換した酸素富
化空気とする（請求項２）。
て、前記酸素リッチなガスは、空気から変換した酸素富
化空気とする（請求項２）。
【００３７】上記のように、酸素リッチなガスまたは、
予め改質器に導入される空気中の窒素分を減らして酸化
剤ガスを導入することにより、改質ガス中の水素分圧が
高まり、余分な未反応ガスにより改質反応熱を反応器系
外に持ち去られなくて済む。また、アンモニアなどの副
生成物を減らすことが可能となる。
予め改質器に導入される空気中の窒素分を減らして酸化
剤ガスを導入することにより、改質ガス中の水素分圧が
高まり、余分な未反応ガスにより改質反応熱を反応器系
外に持ち去られなくて済む。また、アンモニアなどの副
生成物を減らすことが可能となる。
【００３８】上記の方法を実施するための装置として
は、請求項３の発明のように、炭化水素系原燃料ガスを
酸化剤ガスとともに改質触媒層に通流し、水蒸気改質反
応と部分酸化改質反応との併用によって水素リッチな改
質ガスを生成するための改質器と、前記原燃料ガスを改
質器に供給するための原燃料ガス供給系と、前記酸化剤
ガスを改質器に供給するための酸化剤ガス供給系とを備
えた燃料改質装置において、前記酸化剤ガス供給系は、
空気を酸素と窒素とに分離するための酸素・窒素分離器
と、分離窒素排出系とを備えたものとするのが好適であ
る。
は、請求項３の発明のように、炭化水素系原燃料ガスを
酸化剤ガスとともに改質触媒層に通流し、水蒸気改質反
応と部分酸化改質反応との併用によって水素リッチな改
質ガスを生成するための改質器と、前記原燃料ガスを改
質器に供給するための原燃料ガス供給系と、前記酸化剤
ガスを改質器に供給するための酸化剤ガス供給系とを備
えた燃料改質装置において、前記酸化剤ガス供給系は、
空気を酸素と窒素とに分離するための酸素・窒素分離器
と、分離窒素排出系とを備えたものとするのが好適であ
る。
【００３９】また、前記請求項３に記載のものにおい
て、前記酸素・窒素分離器は、分離膜を備えたものとす
る（請求項４）。これにより、圧縮機からの空気の押し
込み圧のみで、酸素・窒素分離が可能となり、構成がシ
ンプルとなる。
て、前記酸素・窒素分離器は、分離膜を備えたものとす
る（請求項４）。これにより、圧縮機からの空気の押し
込み圧のみで、酸素・窒素分離が可能となり、構成がシ
ンプルとなる。
【００４０】さらに、請求項３または４に記載のものに
おいて、前記改質触媒層に充填される改質触媒は、銅・
亜鉛系触媒とするのが好適である。
おいて、前記改質触媒層に充填される改質触媒は、銅・
亜鉛系触媒とするのが好適である。
【００４１】
【発明の実施の形態】図面に基づき、本発明の実施の形
態について以下にのべる。図１は、この発明の実施例に
関わる燃料改質装置のシステム構成を示し、図２と同様
に燃料電池に適用した場合の構成を示す。図１におい
て、図２と同一の構成部材には、同一の記号を付して説
明を省略する。
態について以下にのべる。図１は、この発明の実施例に
関わる燃料改質装置のシステム構成を示し、図２と同様
に燃料電池に適用した場合の構成を示す。図１におい
て、図２と同一の構成部材には、同一の記号を付して説
明を省略する。
【００４２】図１においては、酸化剤ガス供給系６０
が、空気を酸素と窒素とに分離するための酸素・窒素分
離器１５と、分離窒素排出系２５とを備えている点が、
図２の構成とは異なる。
が、空気を酸素と窒素とに分離するための酸素・窒素分
離器１５と、分離窒素排出系２５とを備えている点が、
図２の構成とは異なる。
【００４３】ここで使用される酸素・窒素分離器１５は
圧縮機２１による空気６の押し込み圧のみで利用できる
膜分離方式が最適である。使用される膜としては、気体
選択透過膜からなる中空糸膜、平板膜が利用し易く、特
に、形状を限定するものではない。気体選択透過膜の材
料としては、公知のポリオルガノシロキサン系やポリア
セチレン系の高分子膜を用いることができる。
圧縮機２１による空気６の押し込み圧のみで利用できる
膜分離方式が最適である。使用される膜としては、気体
選択透過膜からなる中空糸膜、平板膜が利用し易く、特
に、形状を限定するものではない。気体選択透過膜の材
料としては、公知のポリオルガノシロキサン系やポリア
セチレン系の高分子膜を用いることができる。
【００４４】酸素・窒素分離器１５により、窒素分を分
離したあとの酸素富化空気のみを酸素ガス供給系６０を
通して改質器５へ導入し、分離された窒素は、分離窒素
排出系２５から系外へと排出される。なお、酸化剤ガス
の供給は、少なくとも空気よりは酸素成分割合が大きい
酸素リッチなガスが容易に供給できる環境に適用される
プラントの場合には、酸素・窒素分離器１５を使用せず
に、直接、酸素リッチなガス供給を行うことができる。
離したあとの酸素富化空気のみを酸素ガス供給系６０を
通して改質器５へ導入し、分離された窒素は、分離窒素
排出系２５から系外へと排出される。なお、酸化剤ガス
の供給は、少なくとも空気よりは酸素成分割合が大きい
酸素リッチなガスが容易に供給できる環境に適用される
プラントの場合には、酸素・窒素分離器１５を使用せず
に、直接、酸素リッチなガス供給を行うことができる。
【００４５】
【発明の効果】上記のとおり、この発明によれば、メタ
ンガスやメタノール，エタノール，ガソリン等の液状の
炭化水素と水との混合物を気化した原燃料ガスを酸化剤
ガスとともに改質触媒層に通流し、水蒸気改質反応と部
分酸化改質反応との併用によって水素リッチな改質ガス
を生成する燃料改質装置の運転方法において、前記部分
酸化改質反応のための酸化剤ガスとして、少なくとも空
気よりは酸素成分割合が大きい酸素リッチなガスを供給
することとしたので、生成される改質ガス中の水素濃度
を高くすることが可能となった。また、未反応窒素分に
より反応器内部から熱を系外へ持ち去られなくなり、従
来の同一部分酸化率で触媒温度に比較して、反応温度を
若干高く維持することが可能となり、改質率の向上に寄
与した。更に、未反応窒素分より生成するアンモニアの
生成を低減できる効果が確認された。
ンガスやメタノール，エタノール，ガソリン等の液状の
炭化水素と水との混合物を気化した原燃料ガスを酸化剤
ガスとともに改質触媒層に通流し、水蒸気改質反応と部
分酸化改質反応との併用によって水素リッチな改質ガス
を生成する燃料改質装置の運転方法において、前記部分
酸化改質反応のための酸化剤ガスとして、少なくとも空
気よりは酸素成分割合が大きい酸素リッチなガスを供給
することとしたので、生成される改質ガス中の水素濃度
を高くすることが可能となった。また、未反応窒素分に
より反応器内部から熱を系外へ持ち去られなくなり、従
来の同一部分酸化率で触媒温度に比較して、反応温度を
若干高く維持することが可能となり、改質率の向上に寄
与した。更に、未反応窒素分より生成するアンモニアの
生成を低減できる効果が確認された。
【図１】この発明の燃料改質装置の実施例に関わるシス
テム系統図
テム系統図
【図２】従来の燃料改質装置の一例に関わるシステム系
統図
統図
１：メタノール、２：水、３：加熱器、４：蒸発器、
５：改質器、６：空気、１５：酸素・窒素分離器、２
５：分離窒素排出系、２１：圧縮器、３０：改質原料供
給検出器、３１：制御装置、５０：改質原料供給系、５
１：原燃料ガス供給系、６０：酸素ガス供給系、７０：
改質ガス供給系。
５：改質器、６：空気、１５：酸素・窒素分離器、２
５：分離窒素排出系、２１：圧縮器、３０：改質原料供
給検出器、３１：制御装置、５０：改質原料供給系、５
１：原燃料ガス供給系、６０：酸素ガス供給系、７０：
改質ガス供給系。
Claims (5)
- 【請求項１】 メタンガスやメタノール，エタノール，
ガソリン等の液状の炭化水素と水との混合物を気化した
原燃料ガスを酸化剤ガスとともに改質触媒層に通流し、
水蒸気改質反応と部分酸化改質反応との併用によって水
素リッチな改質ガスを生成する燃料改質装置の運転方法
において、前記部分酸化改質反応のための酸化剤ガスと
して、少なくとも空気よりは酸素成分割合が大きい酸素
リッチなガスを供給することを特徴とする燃料改質装置
の運転方法。 - 【請求項２】 請求項１に記載の方法において、前記酸
素リッチなガスは、空気から変換した酸素富化空気であ
ることを特徴とする燃料改質装置の運転方法。 - 【請求項３】 炭化水素系原燃料ガスを酸化剤ガスとと
もに改質触媒層に通流し、水蒸気改質反応と部分酸化改
質反応との併用によって水素リッチな改質ガスを生成す
るための改質器と、前記原燃料ガスを改質器に供給する
ための原燃料ガス供給系と、前記酸化剤ガスを改質器に
供給するための酸化剤ガス供給系とを備えた燃料改質装
置において、前記酸化剤ガス供給系は、空気を酸素と窒
素とに分離するための酸素・窒素分離器と、分離窒素排
出系とを備えたものとすることを特徴とする燃料改質装
置。 - 【請求項４】 請求項３に記載のものにおいて、前記酸
素・窒素分離器は、分離膜を備えたものとすることを特
徴とする燃料改質装置。 - 【請求項５】 請求項３または４に記載のものにおい
て、前記改質触媒層に充填される改質触媒は、銅・亜鉛
系触媒とすることを特徴とする燃料改質装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32880699A JP2001146405A (ja) | 1999-11-18 | 1999-11-18 | 燃料改質装置とその運転方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32880699A JP2001146405A (ja) | 1999-11-18 | 1999-11-18 | 燃料改質装置とその運転方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001146405A true JP2001146405A (ja) | 2001-05-29 |
Family
ID=18214317
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32880699A Pending JP2001146405A (ja) | 1999-11-18 | 1999-11-18 | 燃料改質装置とその運転方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001146405A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006073150A1 (ja) * | 2005-01-07 | 2006-07-13 | Nippon Oil Corporation | 固体酸化物形燃料電池システムの起動方法 |
| JP2006244873A (ja) * | 2005-03-03 | 2006-09-14 | Cosmo Oil Co Ltd | 燃料電池用水素の製造方法 |
| KR100786462B1 (ko) | 2006-05-17 | 2007-12-17 | 삼성에스디아이 주식회사 | 산소 공급기를 사용하는 개질기 및 이를 포함하는 연료전지시스템 |
| CN107302100A (zh) * | 2017-07-31 | 2017-10-27 | 北京理工大学 | 一种基于乙醇重整制氢的氢燃料电池系统及其发电方法 |
-
1999
- 1999-11-18 JP JP32880699A patent/JP2001146405A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006073150A1 (ja) * | 2005-01-07 | 2006-07-13 | Nippon Oil Corporation | 固体酸化物形燃料電池システムの起動方法 |
| KR101102804B1 (ko) | 2005-01-07 | 2012-01-05 | 제이엑스 닛코닛세키에너지주식회사 | 고체산화물형 연료전지 시스템의 기동 방법 |
| US8623563B2 (en) | 2005-01-07 | 2014-01-07 | Nippon Oil Corporation | Method for starting-up solid oxide fuel cell system |
| JP2006244873A (ja) * | 2005-03-03 | 2006-09-14 | Cosmo Oil Co Ltd | 燃料電池用水素の製造方法 |
| KR100786462B1 (ko) | 2006-05-17 | 2007-12-17 | 삼성에스디아이 주식회사 | 산소 공급기를 사용하는 개질기 및 이를 포함하는 연료전지시스템 |
| CN107302100A (zh) * | 2017-07-31 | 2017-10-27 | 北京理工大学 | 一种基于乙醇重整制氢的氢燃料电池系统及其发电方法 |
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