JP2002208425A - Fuel reformer for fuel cell - Google Patents

Fuel reformer for fuel cell

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JP2002208425A
JP2002208425A JP2001003054A JP2001003054A JP2002208425A JP 2002208425 A JP2002208425 A JP 2002208425A JP 2001003054 A JP2001003054 A JP 2001003054A JP 2001003054 A JP2001003054 A JP 2001003054A JP 2002208425 A JP2002208425 A JP 2002208425A
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Japan
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fuel
reforming
catalyst layer
reforming catalyst
steam
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JP2001003054A
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Japanese (ja)
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Yukitaka Kato
之貴 加藤
Yoshio Yoshizawa
善男 吉澤
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Rikogaku Shinkokai
Original Assignee
Rikogaku Shinkokai
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel reformer which can generate high-purity hydrogen or even, does not need outer heating. SOLUTION: The fuel reformer generates hydrogen from fuel and steam, and is equipped with a fuel reforming catalyst layer filled with steam reforming catalyst of fuel, a reforming fuel gas supply means introducing fuel and reforming fuel gas containing steam to the fuel reforming catalyst layer, a reforming fuel gas exhausting means exhausting hydrogen principal component gas generated by steam reforming from the fuel reforming catalyst layer, and a metal oxide layer provided at downstream of the fuel reforming catalyst layer to absorb carbon dioxide contained in the reforming fuel.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用燃料改
質器に関し、さらに詳しくは金属酸化物を利用した燃料
電池用の燃料改質器ならびにそれを用いた燃料改質方法
に関する。
The present invention relates to a fuel reformer for a fuel cell, and more particularly to a fuel reformer for a fuel cell using a metal oxide and a fuel reforming method using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】メタンやメタノール等の燃料と水(水蒸
気)から水素および二酸化炭素を生成する燃料改質装置
は、燃料電池に燃料ガスを供給するための装置として知
られている。燃料電池は、水素を含有する燃料ガスを陰
極側に供給され、酸素を含有する酸化ガスを陽極側に供
給されて、両極で生じる電気化学反応により起電力が得
られる。
2. Description of the Related Art A fuel reformer for producing hydrogen and carbon dioxide from a fuel such as methane or methanol and water (steam) is known as a device for supplying a fuel gas to a fuel cell. In a fuel cell, a fuel gas containing hydrogen is supplied to a cathode side, and an oxidizing gas containing oxygen is supplied to an anode side, and an electromotive force is obtained by an electrochemical reaction occurring at both electrodes.

【0003】まず、メタン含有ガスと水蒸気を用いた燃
料改質装置においては、一般的に以下のメタン改質反応
が行なわれ水素と二酸化炭素が製造される。 CH4+2H2O→CO2+4H2 ΔH=+164.8KJ/mol(1 ) この反応は吸熱反応であり、通常ニッケル触媒が入った
充填層反応器を用い、外部からガス燃料加熱しながら約
800℃で反応が行なわれる。反応により、水素が4モ
ル、二酸化炭素が1モルの割合で燃料が改質され、この
混合ガスが燃料電池で燃料として用いられる。
First, in a fuel reformer using methane-containing gas and steam, the following methane reforming reaction is generally performed to produce hydrogen and carbon dioxide. CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2 ΔH = + 164.8 KJ / mol (1) This reaction is an endothermic reaction, and is usually carried out at about 800 ° C. while using a packed bed reactor containing a nickel catalyst and heating gas fuel from the outside. The reaction reforms the fuel at a ratio of 4 moles of hydrogen and 1 mole of carbon dioxide, and this mixed gas is used as a fuel in a fuel cell.

【0004】一方、メタノールと水蒸気を用いた燃料改
質装置においては、一般的に以下のメタノール改質反応
が行なわれ水素と二酸化炭素が製造される。 CH3OH(g)+H2O(g)→CO2+3H2 ΔH=+49.5KJ/m ol(2) この反応は吸熱反応であり、メタンの場合と同様に通常
ニッケル触媒が入った充填層反応器を用い、外部からガ
ス燃料加熱しながら反応が行なわれる。この場合反応は
約200〜300℃で行われ、水素が3モル、二酸化炭
素が1モルの割合で燃料が改質され、この混合ガスが燃
料電池で燃料として用いられる
On the other hand, in a fuel reformer using methanol and steam, the following methanol reforming reaction is generally performed to produce hydrogen and carbon dioxide. CH3OH (g) + H2O (g) → CO2 + 3H2 ΔH = + 49.5 KJ / mol (2) This reaction is an endothermic reaction, and similarly to the case of methane, a packed bed reactor containing a nickel catalyst is used. The reaction is performed while heating the gaseous fuel. In this case, the reaction is carried out at about 200 to 300 ° C., the fuel is reformed at a ratio of 3 mol of hydrogen and 1 mol of carbon dioxide, and this mixed gas is used as a fuel in a fuel cell.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】このように上記改質反
応が吸熱反応であるため、改質反応を進行させるために
熱エネルギーを供給させる必要があり,たとえばバーナ
ーやヒーターを設けて外部加熱を行なう方法が通常行な
われており、さらには二酸化炭素が併せて生成されるの
で、燃料電池の性能を向上させるため高濃度水素が望ま
れている。
As described above, since the above-mentioned reforming reaction is an endothermic reaction, it is necessary to supply thermal energy to make the reforming reaction proceed. For example, a burner or a heater is provided to perform external heating. Since this method is usually performed, and furthermore, carbon dioxide is generated together, high-concentration hydrogen is desired to improve the performance of the fuel cell.

【0006】そこで、本発明者は、高純度の水素が生成
でき、もしくはそのうえに外部加熱を必要としない燃料
改質器を得るべく種々検討を行い、本発明に到達した。
Accordingly, the present inventors have conducted various studies in order to obtain a fuel reformer which can produce high-purity hydrogen or which does not require external heating, and arrived at the present invention.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明における第1の態
様の燃料電池用燃料改質器は,燃料と水蒸気から水素を
製造する燃料改質器であって,燃料の水蒸気改質用触媒
を充てんした燃料改質触媒層、燃料および水蒸気を含む
改質用燃料ガスを該燃料改質触媒層に導入する改質用燃
料ガス供給手段、水蒸気改質により生成する水素主成分
ガスを該燃料改質触媒層から排出する改質燃料ガス排出
手段、ならびに該改質燃料に含まれる二酸化炭素を吸収
するために、該燃料改質触媒層の下流に設けられた金属
酸化物層、を備えてなる燃料電池用燃料改質器を要旨と
する。
A fuel reformer for a fuel cell according to a first aspect of the present invention is a fuel reformer for producing hydrogen from fuel and steam, and comprises a catalyst for steam reforming of fuel. A filled fuel reforming catalyst layer, a reforming fuel gas supply means for introducing a reforming fuel gas containing fuel and steam into the fuel reforming catalyst layer, and a hydrogen-containing gas generated by steam reforming into the fuel reforming catalyst layer. Means for discharging reformed fuel gas from the reformed catalyst layer, and a metal oxide layer provided downstream of the fuel reformed catalyst layer for absorbing carbon dioxide contained in the reformed fuel. The gist is a fuel reformer for a fuel cell.

【0008】本発明において、改質される燃料は、メタ
ン、天然ガス等のメタン含有ガス、ガソリン、ナフサ、
軽油およびLPガス、等の炭化水素類ならびにメタノール
が一般的であるが、以下の説明においてはメタンおよび
メタノールの場合について説明する。また、上記金属酸
化物としては、二酸化炭素と反応して金属炭酸塩を生成
するものが使用され、カルシウム、マグネシウム、銅、
鉄およびニッケル等の酸化物が好適である。その選択
は、燃料の種類等によるが、外部加熱を必要としない燃
料改質器を得るために、メタンの場合には酸化カルシウ
ム、そしてメタノールの場合には酸化マグネシウムが特
に好適である。
In the present invention, the fuel to be reformed includes methane-containing gas such as methane and natural gas, gasoline, naphtha,
Although hydrocarbons such as light oil and LP gas, and methanol are common, the case of methane and methanol will be described below. Further, as the metal oxide, those that react with carbon dioxide to generate a metal carbonate are used, and calcium, magnesium, copper,
Oxides such as iron and nickel are preferred. The choice depends on the type of fuel and the like, but calcium oxide for methane and magnesium oxide for methanol are particularly suitable for obtaining a fuel reformer that does not require external heating.

【0009】以上のように構成された燃料改質器におい
ては、メタンおよび水蒸気を該メタン改質触媒層に導入
すると、約800℃で水素および二酸化炭素が生成され
る。ついでこれらを酸化カルシウム層に導入すると80
0℃付近で酸化カルシウムが二酸化炭素と反応して炭酸
カルシウムを生成する。 CaO+CO2→CaCO3 ΔH=−178.1kJ/mol(3) このように二酸化炭素は酸化カルシウム層に選択的に吸
収され、該カルシウム層からは水素が流出する。したが
って、高濃度の水素が得られるので、燃料電池の性能が
向上する。さらには、二酸化炭素を大気に放出すること
なく回収し得る。一方、メタノールおよび水蒸気を該メ
タノール改質触媒層に導入すると、実用レベルの反応速
度とするために好適な約200℃〜300℃で水素およ
び二酸化炭素が生成される(メタノール改質反応自体は
反応平衡的には100℃以下でも進行する)。ついでこ
れらを酸化マグネシウム層に導入すると300℃〜45
0℃付近で酸化マグネシウムが二酸化炭素と反応して炭
酸マグネシウムを生成する。
In the fuel reformer configured as described above, when methane and steam are introduced into the methane reforming catalyst layer, hydrogen and carbon dioxide are generated at about 800.degree. Then, when these are introduced into the calcium oxide layer, 80
At around 0 ° C., calcium oxide reacts with carbon dioxide to produce calcium carbonate. CaO + CO2 → CaCO3 ΔH = −178.1 kJ / mol (3) As described above, carbon dioxide is selectively absorbed by the calcium oxide layer, and hydrogen flows out of the calcium layer. Therefore, a high concentration of hydrogen is obtained, and the performance of the fuel cell is improved. Furthermore, carbon dioxide can be recovered without releasing it to the atmosphere. On the other hand, when methanol and water vapor are introduced into the methanol reforming catalyst layer, hydrogen and carbon dioxide are generated at about 200 ° C. to 300 ° C., which is suitable for achieving a practical level of reaction rate. Equilibrium proceeds even at 100 ° C. or less). Then, when these are introduced into the magnesium oxide layer, 300 ° C. to 45 ° C.
At around 0 ° C., magnesium oxide reacts with carbon dioxide to produce magnesium carbonate.

【0010】 MgO+CO2→MgCO3 ΔH=−118.2kJ/mol(4) このように二酸化炭素は酸化マグネシウム層に選択的に
吸収され、該マグネシウム層からは水素が流出する。し
たがって、高濃度の水素が得られるので、燃料電池の性
能が向上する。さらには、二酸化炭素を大気に放出する
ことなく回収し得る。本発明における第2の態様の燃料
電池用燃料改質器は、燃料と水蒸気から水素を製造する
燃料改質器であって,燃料の水蒸気改質用触媒を充てん
した燃料改質触媒層、燃料および水蒸気を含む改質用燃
料ガスを該燃料改質触媒層に導入する改質用燃料ガス供
給手段、水蒸気改質により生成する水素主成分ガスを該
燃料改質触媒層から排出する改質燃料ガス排出手段、な
らびに該改質燃料に含まれる二酸化炭素を吸収するため
に、該燃料改質触媒層の下流に設けられた金属酸化物
層、を備え、該燃料改質触媒層および該金属酸化物層を
交互に少なくとも2組以上積層させてなる、燃料電池用
燃料改質器を要旨とする。以上のように構成された燃料
改質器においては、メタンおよび水蒸気を該メタン改質
触媒層に導入すると、約800℃で水素および二酸化炭
素が生成される。該触媒層はその下流の酸化カルシウム
層と交互に積層されているので,生成した二酸化炭素は
下流の酸化カルシウム層で吸収される。このとき、上記
のように炭酸化の発熱反応熱(178.1kJ/mo
l)が生成する。この生成熱はメタン改質吸熱反応の所
要熱量(−164.8kJ/mol)より大きいので、
炭酸化熱で後続の改質反応熱を供給し得る。層内全体に
おいては,以下の反応式が成立する。
MgO + CO 2 → MgCO 3 ΔH = −118.2 kJ / mol (4) As described above, carbon dioxide is selectively absorbed by the magnesium oxide layer, and hydrogen flows out of the magnesium layer. Therefore, a high concentration of hydrogen is obtained, and the performance of the fuel cell is improved. Furthermore, carbon dioxide can be recovered without releasing it to the atmosphere. A fuel reformer for a fuel cell according to a second aspect of the present invention is a fuel reformer for producing hydrogen from fuel and steam, and a fuel reforming catalyst layer filled with a catalyst for steam reforming of fuel; Fuel gas supply means for introducing a reforming fuel gas containing water and steam into the fuel reforming catalyst layer, and a reformed fuel discharging hydrogen main component gas generated by steam reforming from the fuel reforming catalyst layer A gas exhaust means, and a metal oxide layer provided downstream of the fuel reforming catalyst layer for absorbing carbon dioxide contained in the reformed fuel, wherein the fuel reforming catalyst layer and the metal oxidation A gist of the present invention is a fuel reformer for a fuel cell, in which at least two sets of material layers are alternately stacked. In the fuel reformer configured as described above, when methane and steam are introduced into the methane reforming catalyst layer, hydrogen and carbon dioxide are generated at about 800 ° C. Since the catalyst layer is alternately stacked with the downstream calcium oxide layer, the generated carbon dioxide is absorbed by the downstream calcium oxide layer. At this time, as described above, the exothermic reaction heat of carbonation (178.1 kJ / mo)
1) is generated. Since this heat of formation is larger than the required calorie (-164.8 kJ / mol) of the methane reforming endothermic reaction,
The heat of carbonation may provide the heat of the subsequent reforming reaction. The following reaction formula is satisfied in the whole layer.

【0011】 CaO+CH4+2H2O→CaCO3+4H2O ΔH=−13.3kJ/m ol(5) すなわち、13.3kJ/molの発熱があり、この反
応は外部からの熱供給なしで進行する。このように、こ
の燃料改質器は外部からの加熱なしに、必要な熱を自己
供給しうることを実現し得る。一方、メタノールおよび
水蒸気を該メタノール改質触媒層に導入すると、好適に
は約200℃〜300℃で水素および二酸化炭素が生成
される。該触媒層はその下流の酸化マグネシウム層と交
互に積層されているので,生成した二酸化炭素は下流の
酸化マグネシウム層で吸収される。このとき、上記のよ
うに炭酸化の発熱反応熱(118.2kJ/mol)が
生成する。この生成熱はメタノール改質吸熱反応の所要
熱量(−49.5kJ/mol)より大きいので、炭酸
化熱で後続の改質反応熱を供給し得る。層内全体におい
ては,以下の反応式が成立する。
CaO + CH4 + 2H2O → CaCO3 + 4H2O ΔH = −13.3 kJ / mol (5) That is, there is an exotherm of 13.3 kJ / mol, and this reaction proceeds without external heat supply. In this way, it is possible to realize that the fuel reformer can supply necessary heat by itself without external heating. On the other hand, when methanol and steam are introduced into the methanol reforming catalyst layer, hydrogen and carbon dioxide are preferably generated at about 200 ° C. to 300 ° C. Since the catalyst layer is alternately stacked with the magnesium oxide layer on the downstream side, the generated carbon dioxide is absorbed by the magnesium oxide layer on the downstream side. At this time, the exothermic heat of carbonation (118.2 kJ / mol) is generated as described above. Since the heat of formation is larger than the required heat of the endothermic methanol reforming reaction (-49.5 kJ / mol), the heat of reforming can be supplied by the heat of carbonation. The following reaction formula is satisfied in the whole layer.

【0012】 MgO+CH3OH+H2O→MgCO3+3H2 ΔH=−68.7kJ/mo l(6) すなわち、68.7kJ/molの発熱があり、この反
応は外部からの熱供給なしで進行する。このように、こ
の燃料改質器は外部からの加熱なしに、必要な熱を自己
供給しうることを実現し得る。
MgO + CH3OH + H2O → MgCO3 + 3H2 ΔH = −68.7 kJ / mol (6) That is, there is a heat generation of 68.7 kJ / mol, and this reaction proceeds without external heat supply. In this way, it is possible to realize that the fuel reformer can supply necessary heat by itself without external heating.

【0013】さらに、本発明における第3の態様の燃料
電池用燃料改質器は、燃料と水蒸気から水素を製造する
燃料改質器であって,燃料の水蒸気改質用触媒および金
属酸化物を充てんした燃料改質触媒層、燃料および水蒸
気を含む改質用燃料ガスを該燃料改質触媒層に導入する
改質用燃料ガス供給手段、ならびに水蒸気改質により生
成する水素主成分ガスを該燃料改質触媒層から排出する
改質燃料ガス排出手段、を備えてなる燃料電池用燃料改
質器を要旨とする。この態様においては、メタン改質触
媒層に、触媒および酸化カルシウムが混合されて充てん
されているのでより速やかな反応熱自己供給型の燃料改
質が可能となる。この態様においては、メタノール改質
触媒層に、触媒および酸化マグネシウムが混合されて充
てんされているのでより速やかな反応熱自己供給型の燃
料改質が可能となる。
Further, a fuel reformer for a fuel cell according to a third aspect of the present invention is a fuel reformer for producing hydrogen from fuel and steam, which comprises a catalyst for steam reforming of fuel and a metal oxide. A filled fuel reforming catalyst layer, a reforming fuel gas supply means for introducing a reforming fuel gas containing fuel and steam into the fuel reforming catalyst layer, and a hydrogen-containing gas produced by steam reforming. A gist of the present invention is a fuel cell fuel reformer including a reformed fuel gas discharging unit that discharges gas from a reforming catalyst layer. In this embodiment, since the catalyst and calcium oxide are mixed and filled in the methane reforming catalyst layer, the reaction heat self-supply type fuel reforming can be performed more quickly. In this embodiment, since the catalyst and the magnesium oxide are mixed and filled in the methanol reforming catalyst layer, the reaction heat self-supply type fuel reforming can be performed more quickly.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、まず本発明において燃料ガ
スとしてメタン含有ガスを用いる場合について図面とと
もに説明する。図1は,本発明における上記第1〜3の
3つの態様の改質器を示す模式図である。aは加熱を要
する二酸化炭素吸収型の改質器であり、メタン含有ガス
としてメタンが水蒸気とともに反応管(1)に導入され
る。反応管(1)は加熱炉(4)で所定温度に保持されて
おり,触媒層(2)には水蒸気改質用触媒としてNi担
持アルミナが充てんされている。この触媒層において約
800℃で改質反応されて、水素および二酸化炭素を含
む生成ガスが流出し、下流の酸化カルシウムを充填され
た金属酸化物層(3)に導入される。そこでは二酸化炭素
が選択的に吸収され、金属酸化物層からは高濃度の水素
が流出する。上記触媒は,上記の、Niに限定されるも
のではなく、さらに担体もアルミナに代えてシリカ等を
使用しうる。bはNi担持触媒層(2)と酸化カルシウ
ム充填された金属酸化物層(3)を交互に2組以上積層
した積層型改質器を示し、cはNi担持アルミナと酸化
カルシウムを混合した触媒/金属酸化物混合層(5)を
有する混合型改質器を示す。b、cは、いずれも反応熱
自己供給型であり、基本的に加熱を必要とせず、スター
ト時のための予熱器(図示せず)を備えるにすぎない。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION First, the case where a methane-containing gas is used as a fuel gas in the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view showing a reformer according to the first to third embodiments of the present invention. Reference numeral a denotes a carbon dioxide absorption type reformer requiring heating, in which methane is introduced into the reaction tube (1) together with steam as a methane-containing gas. The reaction tube (1) is maintained at a predetermined temperature in a heating furnace (4), and the catalyst layer (2) is filled with Ni-supported alumina as a steam reforming catalyst. In the catalyst layer, a reforming reaction is performed at about 800 ° C., and a product gas containing hydrogen and carbon dioxide flows out and is introduced into a downstream metal oxide layer (3) filled with calcium oxide. There, carbon dioxide is selectively absorbed, and a high concentration of hydrogen flows out of the metal oxide layer. The catalyst is not limited to Ni, and the carrier may be silica or the like instead of alumina. b indicates a stacked reformer in which two or more sets of Ni-supported catalyst layers (2) and metal oxide layers (3) filled with calcium oxide are alternately stacked, and c indicates a catalyst obtained by mixing Ni-supported alumina and calcium oxide. 5 shows a mixed reformer having a / metal oxide mixed layer (5). Both b and c are self-supplying types of reaction heat, basically do not require heating, and only have a preheater (not shown) for starting.

【0015】本発明の燃料改質においても従来の燃料改
質と同様に微量の一酸化炭素が発生する。この一酸化炭
素は触媒を被毒させ悪影響を与えるのでこれを二酸化炭
素に転換する必要がある。そのため改質器下流に設けた
転換器で二酸化炭素に転換される。本発明の改質器にお
いては,Ni触媒層で生成する二酸化炭素は炭酸化で吸
収されその濃度が減少するために、平衡論的に一酸化炭
素の二酸化炭素化の反応がより良く進行する。このため
に一酸化炭素の発生が抑制される。一酸化炭素は燃料電
池の電極触媒(白金系)を被毒し電池特性を低下させる
ので通常、改質器の下流に一酸化炭素変成器が設けられ
ているが、本発明によればこの変成器への負荷を減少な
いしはそれを不要にしうる。
In the fuel reforming of the present invention, a small amount of carbon monoxide is generated as in the conventional fuel reforming. This carbon monoxide poisons the catalyst and has an adverse effect, so it is necessary to convert it to carbon dioxide. Therefore, it is converted to carbon dioxide by a converter provided downstream of the reformer. In the reformer of the present invention, carbon dioxide generated in the Ni catalyst layer is absorbed by carbonation and its concentration decreases, so that the reaction of carbon monoxide to carbon dioxide proceeds more equilibrium theoretically. For this reason, generation of carbon monoxide is suppressed. Since carbon monoxide poisons the electrode catalyst (platinum-based) of the fuel cell and lowers the cell characteristics, a carbon monoxide converter is usually provided downstream of the reformer. The load on the vessel may be reduced or eliminated.

【0016】図2は,本発明の燃料改質器における主要
反応の進行性を化学反応平衡線により示すものであり、
酸化カルシウム/二酸化炭素、酸化カルシウム/水およ
び燃料改質反応の平衡関係を示す。酸化カルシウム/二
酸化炭素系は当該の反応であり,酸化カルシウム/水系
は使用するガスから予想される競合反応である。縦軸の
圧力Pは、各反応における二酸化炭素圧力,水蒸気圧力
を示し,分解度(左方向反応)の進行度合いを示す(Pが
大きいほど良く分解する)。改質反応のみは反応平衡定
数Kを示す。たとえば、700℃付近では炭酸カルシウム
はほとんど分解しない。すなわち酸化カルシウムの炭酸
化が良く進む。また、燃料改質反応は右方向(水素生成
側)に進行することがわかる。一方,水酸化カルシウムは
ほとんど分解して酸化カルシウムとなるため、酸化カル
シウムへの水の吸収はほとんど起こらない。このことか
らこの温度域では改質反応が良く進み、生成した二酸化
炭素は酸化カルシウムと炭酸化反応を行なうことが熱力
学的に確認できる。
FIG. 2 shows the progress of the main reaction in the fuel reformer of the present invention by a chemical reaction equilibrium line.
3 shows an equilibrium relationship between calcium oxide / carbon dioxide, calcium oxide / water, and a fuel reforming reaction. The calcium oxide / carbon dioxide system is the reaction of interest, and the calcium oxide / water system is a competitive reaction expected from the gas used. The pressure P on the vertical axis indicates the carbon dioxide pressure and the water vapor pressure in each reaction, and indicates the degree of progress of the degree of decomposition (leftward reaction) (the larger the P, the better the decomposition). Only the reforming reaction shows a reaction equilibrium constant K. For example, at around 700 ° C., calcium carbonate hardly decomposes. That is, carbonation of calcium oxide proceeds well. Further, it can be seen that the fuel reforming reaction proceeds rightward (on the hydrogen generation side). On the other hand, calcium hydroxide is almost completely decomposed into calcium oxide, so that absorption of water into calcium oxide hardly occurs. From this, it can be thermodynamically confirmed that the reforming reaction proceeds well in this temperature range, and the generated carbon dioxide undergoes a carbonation reaction with calcium oxide.

【0017】さらに図3は、反応初期温度650℃にお
いて、炭酸化圧力の変動に伴う反応層温度変化を示す。
すなわち、酸化カルシウム反応試料約1kgの充てん層型
反応器において、初期650℃の反応層に反応時間0分
に二酸化炭素を導入すると速やかに反応が進行する。そ
して、反応熱により反応層は急激に900〜1000℃
に温度上昇する。このことから、約700〜800℃付
近での二酸化炭素の酸化カルシウムへの吸収(炭酸化)
は十分に進行し,自己反応熱供給が可能であることが示
される。
FIG. 3 shows a change in the temperature of the reaction layer due to a change in the carbonation pressure at an initial reaction temperature of 650 ° C.
That is, in a packed-bed reactor of about 1 kg of a calcium oxide reaction sample, when carbon dioxide is introduced into the reaction layer at an initial temperature of 650 ° C. at a reaction time of 0 minutes, the reaction proceeds promptly. Then, the reaction layer is rapidly heated to 900 to 1000 ° C. by the reaction heat.
Temperature rises. From this, absorption of carbon dioxide into calcium oxide at about 700 to 800 ° C. (carbonation)
Progressed sufficiently, indicating that self-reaction heat supply was possible.

【0018】一方、本発明においてメタノール燃料を用
いる場合には、上述のとおりメタン/酸化カルシウムに
かえてメタノール/酸化マグネシウムにかわり反応温度
が異なるが、上記図1a、bおよびcはそのまま該当す
る。図4は, メタノール燃料を用いる場合において、本
発明の燃料改質器における主要反応の進行性を化学反応
平衡線により示すものであり、酸化マグネシウム/二酸
化炭素、酸化マグネシウム/水および燃料改質反応の平
衡関係を示す。酸化マグネシウム/二酸化炭素系は当該
の反応であり,酸化マグネシウム/水系は使用するガス
から予想される競合反応である。縦軸の圧力Pは、各反
応における二酸化炭素圧力,水蒸気圧力を示し,分解度
(左方向反応)の進行度合いを示す(Pが大きいほど良く
分解する)。改質反応のみは反応平衡定数Kを示す。た
とえば、300℃付近では炭酸マグネシウムはほとんど分
解しない。すなわち酸化マグネシウムの炭酸化が良く進
む。また、燃料改質反応は右方向(水素生成側)に進行す
ることがわかる。一方,水酸化マグネシウムはほとんど
分解して酸化マグネシウムとなるため、酸化マグネシウ
ムへの水の吸収はほとんど起こらない。このことからこ
の温度域では改質反応が良く進み、生成した二酸化炭素
は酸化マグネシウムと炭酸化反応を行なうことが熱力学
的に確認できる。
On the other hand, when methanol fuel is used in the present invention, the reaction temperature is different in place of methanol / magnesium oxide instead of methane / calcium oxide as described above, but the above-mentioned FIGS. FIG. 4 shows the progress of the main reaction in the fuel reformer of the present invention using a chemical reaction equilibrium line when methanol fuel is used, and shows the relationship between magnesium oxide / carbon dioxide, magnesium oxide / water and the fuel reforming reaction. Shows the equilibrium relationship of The magnesium oxide / carbon dioxide system is the relevant reaction, and the magnesium oxide / water system is a competitive reaction expected from the gas used. The pressure P on the vertical axis indicates the carbon dioxide pressure and water vapor pressure in each reaction,
The degree of progress (leftward reaction) is shown (the larger the P, the better the decomposition). Only the reforming reaction shows a reaction equilibrium constant K. For example, at around 300 ° C., magnesium carbonate hardly decomposes. That is, the carbonation of magnesium oxide proceeds well. Further, it can be seen that the fuel reforming reaction proceeds rightward (on the hydrogen generation side). On the other hand, magnesium hydroxide is almost completely decomposed into magnesium oxide, so that almost no water is absorbed into magnesium oxide. From this, it can be thermodynamically confirmed that the reforming reaction proceeds well in this temperature range, and the generated carbon dioxide undergoes a carbonation reaction with magnesium oxide.

【0019】式(6)で生成した炭酸マグネシウムは加
熱により常圧で分解して酸化マグネシウムに戻るので、
再度の燃料改質に用いることができる。なお、式(2)
であらわされる反応熱は、反応原料の相により異なる。
たとえば、メタノールが液相の場合、 CH3OH(L)+H2O(g)→CO2+3H2 ΔH=+87.0KJ/m ol(2−2)、 メタノール、水がともに液相の場合、CH3OH(L)+
H2O(L)→CO2+3H2 ΔH=+131.0K
J/mol(2−3)である。式(6)であらわされるMg
O炭酸化での発熱量は、式(2)の反応に必要な熱量より
も大きく、発熱温度も約300℃である。したがって、
式(2)の改質反応熱は十分に供給可能であり、外部加熱
を必要としない自力反応も可能である。さらに、式(6)
の発熱量は式(2−2)の反応に必要な熱量よりも大きい
ため、その余剰熱は、メタノールの気化に利用できる。
一方、水の気化熱も含む式(2−3)の反応には、式
(6)の熱量は不十分であるが、燃料電池(たとえば自動
車用燃料電池)からの廃熱を併用することで式(2−
3)の自力進行も可能となる。
Since the magnesium carbonate produced by the formula (6) is decomposed at normal pressure by heating and returns to magnesium oxide,
It can be used again for fuel reforming. Equation (2)
Is different depending on the phase of the reaction raw material.
For example, when methanol is in the liquid phase, CH3OH (L) + H2O (g) → CO2 + 3H2 ΔH = + 87.0 KJ / mol (2-2), and when both methanol and water are in the liquid phase, CH3OH (L) +
H2O (L) → CO2 + 3H2 ΔH = + 131.0K
J / mol (2-3). Mg represented by formula (6)
The calorific value in O-carbonation is larger than the calorific value required for the reaction of the formula (2), and the exothermic temperature is about 300 ° C. Therefore,
The reforming reaction heat of the formula (2) can be sufficiently supplied, and a self-reaction that does not require external heating is also possible. Furthermore, equation (6)
Is larger than the amount of heat required for the reaction of the formula (2-2), and the excess heat can be used for vaporization of methanol.
On the other hand, the reaction of the formula (2-3) including the heat of vaporization of water is represented by the formula
Although the calorific value of (6) is insufficient, by using waste heat from a fuel cell (for example, a fuel cell for an automobile) together, the expression (2-
3) Self-progression is also possible.

【0020】上記のとおり、本発明によれば高純度の水
素が生成でき、もしくはそのうえに外部加熱を必要とし
ない燃料改質器を提供しうる。
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a fuel reformer that can produce high-purity hydrogen or that does not require external heating.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の燃料改質器の実施態様を模式的に示す
図である。
FIG. 1 is a diagram schematically showing an embodiment of a fuel reformer of the present invention.

【図2】本発明の燃料改質器における主要反応の化学反
応平衡線を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a chemical reaction equilibrium line of a main reaction in the fuel reformer of the present invention.

【図3】本発明の燃料改質器において、炭酸化圧力の変
動に伴う反応層温度の変化を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a change in a reaction layer temperature accompanying a change in carbonation pressure in the fuel reformer of the present invention.

【図4】本発明の燃料改質器における主要反応の化学反
応平衡線を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a chemical reaction equilibrium line of a main reaction in the fuel reformer of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…反応管 2…触媒層 3…金属酸化物層 4…加熱炉 5…触媒/金属酸化物混合層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Reaction tube 2 ... Catalyst layer 3 ... Metal oxide layer 4 ... Heating furnace 5 ... Catalyst / metal oxide mixed layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C10K 3/04 C10K 3/04 Fターム(参考) 4G040 EA02 EA03 EA06 EB23 EC07 FA02 FB04 FC02 FD07 FE03 4G140 EA02 EA03 EA06 EB23 EC07 FA02 FB04 FC02 FD07 FE03 4H060 AA01 AA02 BB22 BB33 DD02 EE03 FF03 GG02 5H027 AA02 BA01 BA08 BA16 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI Theme coat ゛ (Reference) C10K 3/04 C10K 3/04 F term (Reference) 4G040 EA02 EA03 EA06 EB23 EC07 FA02 FB04 FC02 FD07 FE03 4G140 EA02 EA03 EA06 EB23 EC07 FA02 FB04 FC02 FD07 FE03 4H060 AA01 AA02 BB22 BB33 DD02 EE03 FF03 GG02 5H027 AA02 BA01 BA08 BA16

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 燃料と水蒸気から水素を製造する燃料改
質器であって,燃料の水蒸気改質用触媒を充てんした燃
料改質触媒層、燃料および水蒸気を含む改質用燃料ガス
を該燃料改質触媒層に導入する改質用燃料ガス供給手
段、水蒸気改質により生成する水素主成分ガスを該燃料
改質触媒層から排出する改質燃料ガス排出手段、ならび
に該改質燃料に含まれる二酸化炭素を吸収するために、
該燃料改質触媒層の下流に設けられた金属酸化物層、を
備えてなる燃料電池用燃料改質器。
1. A fuel reformer for producing hydrogen from a fuel and steam, comprising: a fuel reforming catalyst layer filled with a fuel steam reforming catalyst; and a fuel gas for reforming containing fuel and steam. Reforming fuel gas supply means for introducing into the reforming catalyst layer, reformed fuel gas discharging means for discharging hydrogen main component gas generated by steam reforming from the fuel reforming catalyst layer, and contained in the reformed fuel In order to absorb carbon dioxide,
A fuel reformer for a fuel cell, comprising: a metal oxide layer provided downstream of the fuel reforming catalyst layer.
【請求項2】 燃料と水蒸気から水素を製造する燃料改
質器であって,燃料の水蒸気改質用触媒を充てんした燃
料改質触媒層、燃料および水蒸気を含む改質用燃料ガス
を該燃料改質触媒層に導入する改質用燃料ガス供給手
段、水蒸気改質により生成する水素主成分ガスを該燃料
改質触媒層から排出する改質燃料ガス排出手段、ならび
に該改質燃料に含まれる二酸化炭素を吸収するために、
該燃料改質触媒層の下流に設けられた金属酸化物層、を
備え、該燃料改質触媒層および該金属酸化物層を交互に
少なくとも2組以上積層させてなる、燃料電池用燃料改
質器。
2. A fuel reformer for producing hydrogen from a fuel and steam, comprising: a fuel reforming catalyst layer filled with a steam reforming catalyst for fuel; and a fuel gas for reforming containing fuel and steam. Reforming fuel gas supply means for introducing into the reforming catalyst layer, reformed fuel gas discharging means for discharging hydrogen main component gas generated by steam reforming from the fuel reforming catalyst layer, and contained in the reformed fuel In order to absorb carbon dioxide,
A metal oxide layer provided downstream of the fuel reforming catalyst layer, wherein at least two or more sets of the fuel reforming catalyst layer and the metal oxide layer are alternately laminated. vessel.
【請求項3】 燃料と水蒸気から水素を製造する燃料改
質器であって,燃料の水蒸気改質用触媒および金属酸化
物を充てんした燃料改質触媒層、燃料および水蒸気を含
む改質用燃料ガスを該燃料改質触媒層に導入する改質用
燃料ガス供給手段、ならびに水蒸気改質により生成する
水素主成分ガスを該燃料改質触媒層から排出する改質燃
料ガス排出手段、を備えてなる燃料電池用燃料改質器。
3. A fuel reformer for producing hydrogen from a fuel and steam, comprising a fuel reforming catalyst layer filled with a fuel steam reforming catalyst and a metal oxide, a fuel and a reforming fuel containing steam. A reforming fuel gas supply means for introducing gas into the fuel reforming catalyst layer, and a reformed fuel gas discharging means for discharging hydrogen-based gas generated by steam reforming from the fuel reforming catalyst layer. A fuel reformer for fuel cells.
【請求項4】 燃料と水蒸気から水素を製造する燃料の
改質方法において,燃料改質触媒層の下流に金属酸化物
層を設け、燃料と水蒸気を該燃料改質触媒層に導入し、
ついで生成した水素および二酸化炭素を該金属酸化物層
に導入して二酸化炭素を選択的に吸収させ、該金属酸化
物層から水素を流出させることを特徴とする燃料の改質
方法。
4. In a fuel reforming method for producing hydrogen from fuel and steam, a metal oxide layer is provided downstream of the fuel reforming catalyst layer, and the fuel and steam are introduced into the fuel reforming catalyst layer.
A method for reforming a fuel, comprising: introducing generated hydrogen and carbon dioxide into the metal oxide layer to selectively absorb carbon dioxide and allowing hydrogen to flow out of the metal oxide layer.
【請求項5】 燃料と水蒸気から水素を製造する燃料の
改質方法において、燃料改質触媒層およびその下流の金
属酸化物層を交互に少なくとも2組以上積層させて、燃
料と水蒸気を該燃料改質触媒層に導入し、ついで生成し
た水素および二酸化炭素を該金属酸化物層に導入して二
酸化炭素を選択的に吸収させ、該金属酸化物層から水素
を流出させるとともに、該吸収の際に発生する反応熱を
さらに下流の該改質触媒層に改質反応熱として供給する
ことを特徴とする燃料の改質方法。
5. In a fuel reforming method for producing hydrogen from fuel and steam, at least two or more sets of a fuel reforming catalyst layer and a metal oxide layer downstream thereof are alternately stacked to convert the fuel and steam into the fuel. Introduced to the reforming catalyst layer, then, the generated hydrogen and carbon dioxide are introduced into the metal oxide layer to selectively absorb carbon dioxide, allow hydrogen to flow out of the metal oxide layer, and A method for reforming a fuel, characterized in that reaction heat generated in the fuel is supplied to the reforming catalyst layer further downstream as reforming reaction heat.
【請求項6】 燃料と水蒸気から水素を製造する燃料の
改質方法において、触媒に金属酸化物を混合した燃料改
質触媒層を設け、燃料と水を該改質触媒層に導入し、実
質的に水素のみを該燃料改質触媒層から流出させること
を特徴とする燃料の改質方法。
6. A fuel reforming method for producing hydrogen from fuel and water vapor, wherein a fuel reforming catalyst layer in which a metal oxide is mixed with a catalyst is provided, and fuel and water are introduced into the reforming catalyst layer. A fuel reforming method, characterized in that only hydrogen is discharged from the fuel reforming catalyst layer.
【請求項7】 請求項6において、反応終了後に該燃料
改質触媒層を外部より加熱して、生成した金属炭酸塩の
脱炭酸反応を進行させて、二酸化炭素を回収し、金属酸
化物を再生させることを特徴とする燃料の改質方法。
7. The fuel reforming catalyst layer according to claim 6, wherein after the reaction is completed, the fuel reforming catalyst layer is heated from the outside, a decarboxylation reaction of the generated metal carbonate proceeds, carbon dioxide is recovered, and the metal oxide is removed. A fuel reforming method characterized by regenerating.
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