JP2004292293A - Apparatus for generating hydrogen and method of its operation - Google Patents

Apparatus for generating hydrogen and method of its operation Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the working efficiency by reducing the time and energy needed for starting and stopping by suppressing complication of the system constitution. <P>SOLUTION: A starting catalytic combustor 25 is packed with a combustion catalyst inside and burns an off-gas containing combustible gases such as hydrogen and carbon monoxide, which are supplied from an off-gas tank 36 of a pressure-swing adsorption (PSA) apparatus 12, with the air supplied from an air blower 26 in starting the operation of the apparatus 10 for generating hydrogen. The resulting combustion heat is supplied through the combustion gas to a reformer 22 to warm up the reformer 22. When the operation of the apparatus 10 for generating hydrogen is stopped, the operations of the reforming apparatus 11 and the PSA apparatus 12 are stopped after the pressure corresponding to the quantity of the off-gas needed for starting the reformer 22 and an evaporator 21 up to the operational conditions required in the next starting is secured in the off-gas tank 36. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素発生装置および水素発生装置の運転方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、例えば固体高分子電解質膜を燃料極(アノード)と酸素極(カソード)とで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックを備える固体高分子膜型燃料電池のように、燃料極に燃料として水素が供給され、酸素極に酸化剤として空気が供給されて、燃料極で触媒反応により発生した水素イオンが固体高分子電解質膜を通過して酸素極まで移動し、酸素極で酸素と電気化学反応を起こして発電する燃料電池が知られている。
そして、このような燃料電池に燃料として供給する水素を、炭化水素を含む液体燃料(例えば、メタノールやガソリン等)や気体燃料(例えば、メタンやエタン等)から生成する改質器を備えた燃料電池システムが知られている。
【0003】
そして、このような燃料電池システムの起動時において、改質器に具備される改質触媒を所定の触媒活性温度まで昇温させる暖機動作として、例えば始動燃焼器においてメタノール等の始動用燃料を燃焼させ、この燃焼熱を燃焼ガスを介して改質器に供給する方法(例えば、特許文献1参照)が知られている。
また、燃料電池システムの起動動作として、例えば改質器の上流側に配置された触媒燃焼器に空気と、例えばメタノール等の燃料とを所定の理論混合比で供給し、自己着火により触媒燃焼を開始させ、次いで、過剰量の液体燃料を触媒燃焼器に供給して蒸発させ、さらに、水蒸気を混合して得た改質用原料ガスを改質器に供給する方法(例えば、特許文献2参照)が知られている。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−323163号公報
【特許文献2】
特開2000−191304号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術に係る方法において、例えばメタノール等の始動用燃料を直接的に燃焼させると、燃焼温度が過剰に高温となって窒素酸化物(NO)の生成量が増大してしまうという問題が生じる。
また、触媒燃焼器において、メタノール等の燃料に対する触媒燃焼は常温では生じないため、上述したように空気と燃料とを所定の理論混合比で混合させるための装置や、触媒の温度を昇温させるための電気ヒータ等の特別な装置が必要となり、装置構成が複雑化すると共に、装置構成に要する費用や電力消費量が嵩むという問題が生じる。しかも、触媒燃焼器の触媒の温度が適切に上昇していない状態では、未燃焼の燃料や一酸化炭素が排出されてしまうという問題が生じる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、装置構成が複雑化することを抑制しつつ、始動および停止に要する時間やエネルギを削減して作動効率を向上させることが可能な水素発生装置および水素発生装置の運転方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項1に記載の本発明の水素発生装置は、水素を含む原燃料を改質反応によって水素リッチな改質ガスに改質する改質装置と、前記改質装置にて生成された前記改質ガスから圧力スイング吸着法によって精製水素ガスを分離精製する圧力スイング吸着装置とを備える水素発生装置であって、前記圧力スイング吸着装置は、前記改質ガス中の水素以外の不純物を吸着する吸着塔と、前記改質装置にて生成された前記改質ガスを加圧して前記吸着塔に供給する改質ガス供給手段(例えば、後述する実施の形態でのPSAコンプレッサ31)と、前記吸着塔にて吸着された前記不純物を前記精製水素ガス中に脱着させてなるオフガスを貯溜するオフガスタンクとを備え、前記オフガスタンクから供給される前記オフガスを燃焼可能な燃焼触媒を具備し、前記水素発生装置の始動時に前記改質装置を暖機する始動触媒燃焼器(例えば、後述する実施の形態での始動触媒燃焼器25)を備えることを特徴としている。
【0007】
上記構成の水素発生装置によれば、オフガスタンクから始動触媒燃焼器に供給されるオフガスは水素や一酸化炭素等の可燃性ガスを含み、例えば始動触媒燃焼器を暖機するための電気ヒータ等の特別な装置を必要とせずに、オフガスの触媒燃焼を生じさせることができ、装置構成が複雑化することを防止しつつ、確実に改質装置を暖機することができる。
これにより、例えば水素発生装置の始動当初から始動触媒燃焼器においてメタノール等の炭化水素燃料を燃焼させる場合に比べて、例えば窒素酸化物(NO)の生成量や、未燃焼の燃料や一酸化炭素の排出量を低減することができる。
しかも、例えばメタノール等の炭化水素燃料に比べて、空気との混合比に対する燃焼可能範囲が相対的に広くなることから、空気とオフガスとの混合においてオフガスの含有率を相対的に高くしたオフガスリッチの状態で触媒燃焼を行うことによって還元性ガスを容易に生成することができる。
なお、改質装置の所定の作動開始状態とは、例えば所定量の改質ガスの排出が可能となる状態等とされている。
【0008】
さらに、請求項2に記載の本発明の水素発生装置は、前記始動触媒燃焼器に前記燃焼触媒にて触媒燃焼可能な燃料を供給する燃料供給手段(例えば、後述する実施の形態での燃料供給装置40)を備えることを特徴としている。
【0009】
上記構成の水素発生装置によれば、例えばオフガスの触媒燃焼によって始動触媒燃焼器の暖機が完了した時点でオフガスの供給を停止し、燃料供給手段から始動触媒燃焼器へ燃料を供給することができる。すなわち、始動触媒燃焼器の燃焼触媒が、例えば液体燃料(例えば、メタノールやガソリン等)や気体燃料(例えば、メタンやエタン等)からなる燃料を触媒燃焼可能な状態になるまでオフガスを供給するだけで済み、水素発生装置の始動時にオフガスが過剰に消費されてしまうことを防止することができる。
【0010】
さらに、請求項3に記載の本発明の水素発生装置は、前記吸着塔を迂回して前記改質ガス供給手段と前記オフガスタンクとを接続するバイパス流路(例えば、後述する実施の形態でのバイパス流路41)と、該バイパス流路における前記改質ガスの流通状態を制御するバイパス制御弁(例えば、後述する実施の形態での吸着塔バイパス弁42)とを備えることを特徴としている。
【0011】
上記構成の水素発生装置によれば、水素発生装置の停止時に、次回の始動時に改質装置を暖機するために要する所望量のオフガスをオフガスタンク内に確保する必要がある場合に、バイパス流路およびバイパス制御弁を介してオフガスタンクに改質ガスを供給することができる。
すなわち、圧力スイング吸着装置の作動状態に関わらずに、改質装置を暖機するのに要する改質ガスを含むオフガスの所望量を確保することができ、水素発生装置を停止させるために要する時間やエネルギを削減することができる。
【0012】
また、請求項4に記載の本発明の水素発生装置の運転方法は、水素を含む原燃料を改質反応によって水素リッチな改質ガスに改質する改質装置と、前記改質ガス中の水素以外の不純物を吸着して精製水素ガスを分離精製する吸着塔および前記改質装置にて生成された前記改質ガスを加圧して前記吸着塔に供給する改質ガス供給手段(例えば、後述する実施の形態でのPSAコンプレッサ31)および前記吸着塔にて吸着された前記不純物を前記精製水素ガス中に脱着させてなるオフガスを貯溜するオフガスタンクとを具備する圧力スイング吸着装置とを備える水素発生装置の運転方法であって、前記水素発生装置は、前記オフガスタンクから供給される前記オフガスを燃焼可能な燃焼触媒を具備する始動触媒燃焼器(例えば、後述する実施の形態での始動触媒燃焼器25)を備え、前記水素発生装置の始動時に、前記オフガスタンクに貯溜されている前記オフガスを前記始動触媒燃焼器に供給し(例えば、後述する実施の形態でのステップS02)、前記始動触媒燃焼器での前記オフガスの燃焼により生じる燃焼熱によって前記改質装置を暖機し(例えば、後述する実施の形態でのステップS02が兼ねる)、前記改質装置が所定の作動開始状態に到達した場合に前記始動触媒燃焼器への前記オフガスの供給を停止する(例えば、後述する実施の形態でのステップS04)ことを特徴としている。
【0013】
上記の水素発生装置の運転方法によれば、水素発生装置の始動時に、例えば始動触媒燃焼器を暖機するためだけの特別な処理を必要とせずに、改質装置の暖機を行うことができ、水素発生装置を始動させるために要する時間やエネルギを削減し、効率よく作動させることができる。なお、改質装置の所定の作動開始状態とは、例えば所定量の改質ガスの排出が可能となる状態等とされている。
【0014】
また、請求項5に記載の本発明の水素発生装置の運転方法は、水素を含む原燃料を改質触媒の改質反応によって水素リッチな改質ガスに改質する改質装置と、前記改質ガス中の水素以外の不純物を吸着して精製水素ガスを分離精製する吸着塔および前記改質装置にて生成された前記改質ガスを加圧して前記吸着塔に供給する改質ガス供給手段(例えば、後述する実施の形態でのPSAコンプレッサ31)および前記吸着塔にて吸着された前記不純物を前記精製水素ガス中に脱着させてなるオフガスを貯溜するオフガスタンクとを具備する圧力スイング吸着装置とを備える水素発生装置の運転方法であって、前記水素発生装置は、前記オフガスタンクから供給される前記オフガスを燃焼可能な燃焼触媒を具備する始動触媒燃焼器(例えば、後述する実施の形態での始動触媒燃焼器25)と、前記始動触媒燃焼器に前記燃焼触媒にて触媒燃焼可能な燃料を供給する燃料供給手段(例えば、後述する実施の形態での燃料供給装置40)とを備え、前記水素発生装置の始動時に、前記オフガスタンクに貯溜されている前記オフガスを前記始動触媒燃焼に供給し(例えば、後述する実施の形態でのステップS02)、前記始動触媒燃焼器での前記オフガスの燃焼により生じる燃焼熱によって前記改質装置を暖機し(例えば、後述する実施の形態でのステップS02が兼ねる)、前記始動触媒燃焼器の前記燃焼触媒が所定の活性状態に到達した場合に前記始動触媒燃焼器への前記オフガスの供給を停止し(例えば、後述する実施の形態でのステップS33)、前記燃料供給手段によって前記燃料を前記始動触媒燃焼器に供給し(例えば、後述する実施の形態でのステップS32)、前記改質装置が所定の作動開始状態に到達した場合に前記始動触媒燃焼器への前記燃料の供給を停止する(例えば、後述する実施の形態でのステップS37)ことを特徴としている。
【0015】
上記の水素発生装置の運転方法によれば、始動触媒燃焼器の燃焼触媒が所定の活性状態、例えば液体燃料(例えば、メタノールやガソリン等)や気体燃料(例えば、メタンやエタン等)からなる燃料を触媒燃焼可能な状態になるまでオフガスを供給するだけであるから、水素発生装置の始動時にオフガスが過剰に消費されてしまうことを防止することができる。
【0016】
さらに、請求項6に記載の本発明の水素発生装置の運転方法は、前記水素発生装置の停止時に、前記圧力スイング吸着装置の作動状態に応じて変化する前記オフガスタンク内の前記オフガスの圧力が、次回の前記水素発生装置の始動時に前記改質装置を暖機するのに要する前記オフガスの量に応じた所定の圧力(例えば、後述する実施の形態での再起動下限圧力PL)以上となった場合に、前記改質装置および前記圧力スイング吸着装置の作動を停止する(例えば、後述する実施の形態でのステップS22)ことを特徴としている。
【0017】
上記の水素発生装置の運転方法によれば、次回の始動時において、水素発生装置を適切な状態で確実に始動させることができる。しかも、圧力スイング吸着装置の作動状態に応じた所定のタイミングで所望のオフガスの圧力を確保することができ、例えばオフガスタンクの容量を増大させる必要無しに、効率よく圧力スイング吸着装置を作動させることができる。
【0018】
さらに、請求項7に記載の本発明の水素発生装置の運転方法では、前記水素発生装置は、前記吸着塔を迂回して前記改質ガス供給手段と前記オフガスタンクとを接続するバイパス流路(例えば、後述する実施の形態でのバイパス流路41)と、該バイパス流路における前記改質ガスの流通状態を制御するバイパス制御弁(例えば、後述する実施の形態での吸着塔バイパス弁42)とを備え、前記水素発生装置の停止時に、前記圧力スイング吸着装置の作動を停止し(例えば、後述する実施の形態でのステップS41)、前記バイパス制御弁を開弁状態に設定して前記改質ガスを、前記吸着塔を迂回して前記改質ガス供給手段から前記オフガスタンクへ供給し(例えば、後述する実施の形態でのステップS42)、前記オフガスタンク内の前記改質ガスを含む前記オフガスの圧力が、次回の前記水素発生装置の始動時に前記改質装置を暖機するのに要する前記改質ガスを含む前記オフガスの量に応じた所定の圧力(例えば、後述する実施の形態での再起動下限圧力PL)以上となった場合に、前記バイパス制御弁を閉弁状態に設定し(例えば、後述する実施の形態でのステップS44)、前記改質装置の作動を停止する(例えば、後述する実施の形態でのステップS45)ことを特徴としている。
【0019】
上記の水素発生装置の運転方法によれば、圧力スイング吸着装置の作動状態に関わらずに、次回の始動時において改質装置を暖機するのに要する改質ガスを含むオフガスの所望量を確保することができ、水素発生装置を停止させるために要する時間やエネルギを削減することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る水素発生装置および水素発生装置の運転方法について添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態による水素発生装置10は、例えば燃料供給部(図示略)から供給される炭化水素を含む液体燃料(例えば、メタノールやガソリン等)や気体燃料(例えば、メタンやエタン等)を水素の含有率が高められた水素リッチなガスに改質し、例えば燃料電池(図示略)の燃料極に供給される燃料ガスを生成するものであって、例えば図1に示すように、液体燃料や気体燃料からなる原燃料(以下において、単に、燃料と呼ぶ)から水素リッチな改質ガスを生成する改質装置11と、水素リッチな改質ガスから例えば一酸化炭素や窒素等の不純物を除去して水素ガスを精製するPSA(Pressure Swing Absorption:圧力スイング吸着)装置12とを備えて構成されている。
なお、本実施の形態に係る燃料電池は、例えば陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を、アノード触媒およびガス拡散層からなる燃料極(アノード)とカソード触媒およびガス拡散層からなる酸素極(カソード)とで挟持してなる電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルを、多数組積層して構成されている。そして、燃料電池のアノードのアノード触媒上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介してカソードへと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路(図示略)に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。また、カソードには酸素を含む空気が供給され、このカソードにおいて、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。
【0021】
改質装置11は、例えば、蒸発器21と、改質器22と、変成器23と、触媒燃焼器24と、始動触媒燃焼器25と、空気ブロア26と、切換流量制御弁27とを備えて構成されている。
【0022】
蒸発器21は、例えば、外部から供給される水を加熱し、蒸気化して改質蒸気を生成し、この改質蒸気を、燃料供給部(図示略)から供給される液体燃料や気体燃料からなる改質用の燃料(以下、単に、改質燃料と呼ぶ)および改質用の空気(以下、単に、改質空気と呼ぶ)に混合して改質器22へ供給する。
なお、燃料供給部(図示略)から供給される液体燃料は、例えば蒸発器21で生成される蒸気と混合されることによって気化された状態で改質器22へ供給される。
【0023】
改質器22は、例えば、内部にRh系またはRu系等の改質触媒を備え、この改質触媒の触媒作用により改質器22内で、改質燃料を改質空気による酸化反応で部分酸化すると共に、改質燃料を改質蒸気による改質反応で水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを生成する。ここで、改質空気による酸化反応は、吸熱反応である改質反応で必要とされる熱量を補給する。
また、改質器22内では、不可避的に発生する改質燃料の分解反応によって一酸化炭素が生成され、改質ガス中に含まれるようになる。
そして、改質器22から排出される改質ガスは相対的に高温であるため、熱交換器(図示略)等で所定温度まで冷却された後に、変成器23に供給される。
【0024】
変成器23は、例えば、内部にCuZn系やPt系等のシフト触媒を備え、このシフト触媒の触媒作用により変成器23内で、改質器22から排出される改質ガスに含まれる一酸化炭素を変成反応によって二酸化炭素に変成する。
変成器23にて一酸化炭素の含有率が低減された改質ガスは、後述するように水素発生装置10の運転状態に応じて、切換流量制御弁27を介してPSA装置12や触媒燃焼器24等へ供給される。
【0025】
触媒燃焼器24は、例えば内部に燃焼触媒を備え、後述するように水素発生装置10の運転状態に応じて、PSA装置12から供給される例えば水素等の可燃性ガスを含むオフガスや変成器23から供給される水素リッチな改質ガス、あるいは、例えば燃料電池の燃料極から排出される未反応水素を含む排出燃料を、空気ブロア26から供給される空気によって燃焼させ、この燃焼により発生した燃焼熱を燃焼ガスを介して蒸発器21へ供給する。
すなわち、蒸発器21は触媒燃焼器24から供給される燃焼熱によって改質蒸気を生成しており、使用後の燃焼ガスは大気に排気されるようになっている。
【0026】
始動触媒燃焼器25は、例えば内部に燃焼触媒を備え、後述するように水素発生装置10の始動時等において、PSA装置12から供給される例えば水素等の可燃性ガスを含むオフガスを空気ブロア26から供給される空気によって燃焼させ、この燃焼により発生した燃焼熱を燃焼ガスを介して改質器22へ供給し、改質器22を暖機する。
【0027】
PSA装置12は、例えば3塔式の圧力スイング吸着装置であって、改質ガスを加圧するPSAコンプレッサ31と、第1〜第3切換制御弁32a,32b,32cと、第1〜第3吸着塔33a,33b,33cと、第1〜第3均圧制御弁34a,34b,34cと、水素貯蔵部35と、オフガスタンク36と、オフガス流量調整弁37と、始動用オフガス供給弁38と、オフガス供給弁39とを備えて構成されている。
なお、オフガスタンク36には、オフガスタンク36内のオフガスの圧力を検出する圧力センサ36aが備えられている。
【0028】
PSAコンプレッサ31は、例えば3方切換弁からなる各切換制御弁32a,32b,32cを介して各吸着塔33a,33b,33cに接続されており、改質装置11から排出される改質ガスは加圧されて、例えば活性炭やゼオライト等の吸着剤が充填された各吸着塔33a,33b,33c内へ供給可能とされている。
すなわち、後述する吸着処理において、各吸着塔33a,33b,33cは水素リッチな改質ガスに含まれる一酸化炭素や窒素等の不純物を吸着剤によって吸着除去しており、吸着剤に吸着されずに各吸着塔33a,33b,33c内を透過した改質ガスは水素ガスの含有率が高められた精製水素ガスとされて各吸着塔33a,33b,33cに接続された水素貯蔵部35へ流通するようになっている。
なお、後述するように、この吸着処理において、第1〜第3切換制御弁32a,32b,32cの何れか1つは、PSAコンプレッサ31から各吸着塔33a,33b,33cへ向かう流通方向FINに設定されている。
【0029】
また、各吸着塔33a,33b,33cは、各切換制御弁32a,32b,32cを介してオフガスタンク36に接続されており、第1〜第3吸着塔33a,33b,33cの何れかから排出されて各吸着塔33a,33b,33c内を流通した精製水素ガスは、オフガスとしてオフガスタンク36へ流通可能とされている。
すなわち、後述する洗浄処理において、第1〜第3吸着塔33a,33b,33cの何れかから排出された精製水素ガスが各吸着塔33a,33b,33c内を流通すると、各吸着塔33a,33b,33c内の吸着剤に吸着されていた一酸化炭素や窒素等の不純物が脱着されて精製水素ガスと共にオフガスタンク36へ排出され、各吸着塔33a,33b,33c内が、いわば洗浄されることとなる。
なお、後述するように、この洗浄処理において、第1〜第3切換制御弁32a,32b,32cの何れか1つは、各吸着塔33a,33b,33cからPSAオフガスタンク36へ向かう流通方向FOUTに設定されている。
【0030】
さらに、各吸着塔33a,33b,33cは、例えば3方切換弁からなる各均圧制御弁34a,34b,34cを介して均圧制御用流路34に接続されており、各均圧制御弁34a,34b,34cは、各吸着塔33a,33b,33cから均圧制御用流路34へ向かう流通方向OUT、あるいは、均圧制御用流路34から各吸着塔33a,33b,33cへ向かう流通方向INへの切換が可能とされている。
すなわち、後述する均圧−入処理および均圧−出処理において、第1〜第3均圧制御弁34a,34b,34cの何れか1つが閉状態に設定されると共に、他の2つのうちの一方が均圧制御用流路34へ向かう流通方向OUTに設定され、他方が各吸着塔33a,33b,33cへ向かう流通方向INに設定されることで、第1〜第3吸着塔33a,33b,33cの何れか2つの内圧が同等の圧力となる。
【0031】
つまり、各切換制御弁32a,32b,32cおよび各均圧制御弁34a,34b,34cでの流通方向の切換が制御されることで、例えば図2に示すように、順次、吸着、減圧、均圧−出、減圧、洗浄、均圧−入、昇圧からなる一連の処理が繰り返し実行されるようになっている。
【0032】
例えば、図2に示す時刻t0からt1においては、第1切換制御弁32aが流通方向FINに設定され、第1均圧制御弁34aが閉状態に設定されることで、第1吸着塔33a内に加圧された改質ガスが供給され、この第1吸着塔33a内で精製分離された精製水素ガスが水素貯蔵部35へ向かい排出される(第1吸着塔33a:吸着)。
このとき、第2均圧制御弁34bが流通方向INに設定され、第3均圧制御弁34cが流通方向OUTに設定されることで、第3吸着塔33cから第2吸着塔33bへ流通する精製水素ガスによって第2吸着塔33bが洗浄されると共に第3吸着塔33cが減圧され、さらに、第2切換制御弁32bが流通方向FOUTに設定されることで、第2吸着塔33bからオフガスタンク36へオフガスが流通し、オフガスタンク36の圧力が上昇傾向に変化する。
【0033】
次に、図2に示す時刻t1からt2においては、第2切換制御弁32bが閉状態に設定され、オフガスタンク36へ向かうオフガスの供給が停止されることで、オフガスタンク36の圧力が減少傾向に変化する。
さらに、第3吸着塔33cから第2吸着塔33bへ流通する精製水素ガスによって第2吸着塔33bと第3吸着塔33cとの圧力が同等の値となる(第2吸着塔33b:均圧−入、第3吸着塔33c:均圧−出)。
【0034】
次に、図2に示す時刻t2からt3においては、第1均圧制御弁34aが流通方向OUTに設定され、第3均圧制御弁34cが閉状態に設定されることで、第1吸着塔33aから第2吸着塔33bへ流通する精製水素ガスによって第2吸着塔33bの圧力が昇圧される。
このとき、第3切換制御弁32cが流通方向FOUTに設定されることで、第3吸着塔33cからオフガスタンク36へオフガスが流通し、第3吸着塔33cが減圧されることに伴い、オフガスタンク36の圧力が上昇傾向に変化する。
【0035】
次に、図2に示す時刻t3からt4においては、第1切換制御弁32aが閉状態に設定され、第2切換制御弁32bが流通方向FINに設定され、第2均圧制御弁34bが閉状態に設定されることで、第2吸着塔33a内に加圧された改質ガスが供給され、この第2吸着塔33b内で精製された精製水素ガスが水素貯蔵部35へ向かい排出される(第2吸着塔33b:吸着)。
このとき、第3均圧制御弁34cが流通方向INに設定され、第3切換制御弁32cが流通方向FOUTに設定されることで、第1吸着塔33aから第3吸着塔33cへ精製水素ガスが流通し、第1吸着塔33aの圧力が減圧されると共に、第3吸着塔33cが洗浄され、第3吸着塔33cからオフガスタンク36へオフガスが流通し、オフガスタンク36の圧力が上昇傾向に変化する。
【0036】
次に、図2に示す時刻t4からt5においては、第3切換制御弁32cが閉状態に設定され、第1吸着塔33aから第3吸着塔33cへ流通する精製水素ガスによって第1吸着塔33aと第3吸着塔33cとの圧力が同等の値となる(第1吸着塔33a:均圧−出、第3吸着塔33c:均圧−入)。
このとき、オフガスタンク36へ向かうオフガスの供給が停止されることで、オフガスタンク36の圧力が減少傾向に変化する。
【0037】
次に、図2に示す時刻t5からt6においては、第1均圧制御弁34aが閉状態に設定され、第2均圧制御弁34bが流通方向OUTに設定されることで、第2吸着塔33bから第3吸着塔33cへ流通する精製水素ガスによって第3吸着塔33cの圧力が昇圧される。
このとき、第1切換制御弁32aが流通方向FOUTに設定されることで、第1吸着塔33aからオフガスタンク36へオフガスが流通し、第1吸着塔33aが減圧されることに伴い、オフガスタンク36の圧力が上昇傾向に変化する。
【0038】
次に、図2に示す時刻t6からt7においては、第2切換制御弁32bが閉状態に設定され、第3切換制御弁32cが流通方向FINに設定され、第3均圧制御弁34cが閉状態に設定されることで、第3吸着塔33c内に加圧された改質ガスが供給され、この第3吸着塔33c内で精製された精製水素ガスが水素貯蔵部35へ向かい排出される(第3吸着塔33c:吸着)。
このとき、第1均圧制御弁34aが流通方向INに設定され、第1切換制御弁32aが流通方向FOUTに設定されることで、第2吸着塔33bから第1吸着塔33aへ精製水素ガスが流通し、第2吸着塔33bの圧力が減圧されると共に、第1吸着塔33aが洗浄され、第1吸着塔33aからオフガスタンク36へオフガスが流通し、オフガスタンク36の圧力が上昇傾向に変化する。
【0039】
次に、図2に示す時刻t7からt8においては、第1切換制御弁32aが閉状態に設定され、第2吸着塔33bから第1吸着塔33aへ流通する精製水素ガスによって第1吸着塔33aと第2吸着塔33bとの圧力が同等の値となる(第1吸着塔33a:均圧−入、第2吸着塔33b:均圧−出)。
このとき、オフガスタンク36へ向かうオフガスの供給が停止されることで、オフガスタンク36の圧力が減少傾向に変化する。
【0040】
次に、図2に示す時刻t8からt9においては、第2均圧制御弁34bが閉状態に設定され、第3均圧制御弁34cが流通方向OUTに設定されることで、第3吸着塔33cから第1吸着塔33aへ流通する精製水素ガスによって第1吸着塔33aの圧力が昇圧される。
このとき、第2切換制御弁32bが流通方向FOUTに設定されることで、第2吸着塔33bからオフガスタンク36へオフガスが流通し、第2吸着塔33bが減圧されることに伴い、オフガスタンク36の圧力が上昇傾向に変化する。
そして、以下において、上述した時刻t0から時刻t9までの一連の処理が繰り返し実行される。
【0041】
オフガスタンク36から改質装置11へ向かい排出されるオフガスは、オフガス流量調整弁37によって流量が適宜に調整された後に、例えば水素発生装置10の運転状態等に応じて、始動用オフガス供給弁38を介して始動触媒燃焼器25へ供給されると共に、オフガス供給弁39を介して触媒燃焼器24へ供給される。
【0042】
本実施の形態による水素発生装置10は上記構成を備えており、次に、この水素発生装置10の運転方法について添付図面を参照しながら説明する。
【0043】
以下に、水素発生装置10の始動制御の処理について説明する。
先ず、例えば図3に示すステップS01においては、触媒燃焼器24および始動触媒燃焼器25へ空気ブロア26から空気を供給する。これにより、例えば図4(b),(e)に示す時刻S01のように、触媒燃焼器24および始動触媒燃焼器25に供給される空気の流量が所定の値に設定される。
次に、ステップS02においては、始動用オフガス供給弁38およびオフガス供給弁39を開状態に設定し、触媒燃焼器24および始動触媒燃焼器25へオフガスタンク36からオフガス、つまり精製水素ガスと一酸化炭素や窒素等の不純物とを含むガスを供給する。これにより、例えば図4(c),(f)に示す時刻S02のように、触媒燃焼器24および始動触媒燃焼器25に供給されるオフガスの流量がオフガス流量調整弁37等によって所定の値に設定される。
これにより、オフガス中に含まれる水素や一酸化炭素等の可燃性ガスが触媒燃焼器24および始動触媒燃焼器25の各燃焼触媒によって燃焼し、これらの燃焼により発生する燃焼ガスが改質器22および蒸発器21へ供給され、例えば図4(a)に示す時刻a1のように、改質器22および蒸発器21の温度が上昇傾向に変化する。
【0044】
次に、ステップS03においては、改質器22の温度が所定の改質器活性開始温度TA、つまり改質触媒が所定の活性状態となる温度に到達したか否かを判定する。
この判定結果が「NO」の場合には、ステップS03に戻る。
一方、この判定結果が「YES」の場合、例えば図4(a)に示す時刻S03のように改質器22の温度が所定の改質器活性開始温度TAに到達した場合には、ステップS04に進む。
なお、図4に示す時刻S03においては、改質器22の温度が所定の改質器活性開始温度TAに到達すると共に、蒸発器21の温度が所定の始動完了温度TSに到達するようになっている。
【0045】
ステップS04においては、始動用オフガス供給弁38を閉状態に設定し、始動触媒燃焼器25へのオフガスの供給を停止する。これにより、例えば図4(f)に示す時刻S04のように、始動触媒燃焼器25に供給されるオフガスの流量がゼロに設定される。
次に、ステップS05においては、空気ブロア26から始動触媒燃焼器25への空気の供給を停止する。これにより、例えば図4(e)に示す時刻S05のように、始動触媒燃焼器25に供給される空気の流量がゼロに設定される。
次に、ステップS06においては、既に上述した時刻S03にて蒸発器21が所定の始動完了状態に到達していることから、蒸発器21から改質器22へ改質蒸気の供給を開始する。これにより、例えば図4(g)に示す時刻S06のように、改質器22に供給される改質蒸気の流量が所定の値に設定される。
【0046】
次に、ステップS07においては、改質器22へ改質燃料の供給を開始する。これにより、例えば図4(h)に示す時刻S07のように、改質器22に供給される改質燃料の流量が所定の値に設定される。
次に、ステップS08においては、改質器22へ改質空気の供給を開始する。これにより、例えば図4(i)に示す時刻S08のように、改質器22に供給される改質空気の流量が所定の値に設定される。
これに伴い、改質器22の作動が開始され、例えば図4(a)に示す時刻a2のように、改質器22の温度がさらに上昇傾向に変化する。
【0047】
次に、ステップS09においては、改質器22が所定の作動状態に到達しつつあると判断して、例えば図4(d)に示す時刻S09以降のように、改質器22から排出される改質ガスを、変成器23および切換流量制御弁27を介して触媒燃焼器24へ供給する。これに伴い、例えばオフガス流量調整弁37により、図4(c)に示す時刻S09以降のように、触媒燃焼器24へ供給される改質ガスの流量の増大に応じて、オフガスタンク36から触媒燃焼器24へ供給されるオフガスの流量を低下させる。
そして、ステップS10においては、例えば図4(d)に示す時刻S10のように、変成器23から触媒燃焼器24へ供給される改質ガスの流量が所定の値に到達した時点で、例えばオフガス流量調整弁37により、オフガスタンク36から触媒燃焼器24へ供給されるオフガスの流量をゼロに設定する。
【0048】
次に、ステップS11においては、改質器22から排出される改質ガスの組成が安定したか否かを判定する。ここでは、例えば改質器22から排出される改質ガスに含まれる水素や水酸化炭素や一酸化炭素等の各ガスの濃度の検出値の時間変化量が所定変化量以下に低減したか否かを判定したり、あるいは、例えば改質器22の暖機運転状態で排出される改質ガスに含まれる水素や水酸化炭素や一酸化炭素等の各ガスの濃度の時間変化量のデータを予め保持しておき、このデータから各ガスの濃度の検出値の時間変化量が所定変化量以下に低減するのに要する時間を取得し、この時間が経過したか否かを判定する。
この判定結果が「NO」の場合には、ステップS11に戻る。
一方、この判定結果が「YES」の場合には、ステップS12に進み、PSA装置12へ改質ガスの供給を開始し、一連の処理を終了する。
ここでは、例えば図4(d)に示す時刻a4のように、切換流量制御弁27の切換制御によって触媒燃焼器24への改質ガスの供給が停止され、触媒燃焼器24へ供給されていた改質ガスがPSA装置12へ供給されるようになる。これより、PSA装置12の作動が開始され、PSA装置12のオフガスタンク36内に貯溜されるオフガスの量が増加傾向に変化し、例えば図4(c)に示す時刻S12以降のように、オフガス流量調整弁37を介してオフガスタンク36から触媒燃焼器24へ供給されるオフガスの流量が増加傾向に変化するようになる。
【0049】
以下に、水素発生装置10の停止制御の処理について説明する。
先ず、例えば図5に示すステップS21においては、オフガスタンク36の圧力が所定の再起動下限圧力PL以上か否かを判定する。
この判定結果が「NO」の場合には、ステップS21に戻る。
一方、この判定結果が「YES」の場合には、ステップS22に進む。
なお、所定の再起動下限圧力PLは、上述したステップS01〜ステップS12における始動制御の処理において、改質器22や蒸発器21を所定の作動状態まで起動させるのに要するオフガスの量に応じた圧力であって、例えば図2に示すように、PSA装置12の所定の作動状態においてオフガスタンク36の圧力が再起動下限圧力PLを超えるようになっている。
【0050】
そして、ステップS22においては、次回の始動制御の処理において改質器22や蒸発器21を所定の作動状態まで起動させることが可能であると判断して、改質装置11およびPSA装置12の作動を停止して、一連の処理を終了する。
【0051】
上述したように、本実施の形態による水素発生装置10によれば、触媒燃焼器24および始動触媒燃焼器25にPSA装置12のオフガスタンク36から、水素や一酸化炭素等の可燃性ガスを含むオフガスを供給可能に構成したことにより、水素発生装置10の始動時等において、例えば触媒燃焼器24および始動触媒燃焼器25を暖機するための電気ヒータ等の特別な装置を必要とすることなしに、改質器22および蒸発器21を所望の作動状態まで暖機および起動させることができ、装置構成を簡略化することができる。
【0052】
しかも、本実施の形態による水素発生装置10の運転方法によれば、水素発生装置10の始動時において、単に触媒燃焼器24および始動触媒燃焼器25を暖機するためだけに特別な時間やエネルギを必要とすることが防止され、水素発生装置10の始動に要する時間およびエネルギの効率を向上させることができる。
さらに、例えば水素発生装置10の始動当初から触媒燃焼器24および始動触媒燃焼器25においてメタノール等の炭化水素燃料を燃焼させる場合に比べて、例えば窒素酸化物(NO)の生成量や、未燃焼の燃料や一酸化炭素の排出量を低減することができる。
しかも、例えばメタノール等の炭化水素燃料に比べて、空気との混合比に対する燃焼可能範囲が相対的に広くなることから、空気とオフガスとの混合においてオフガスの含有率を相対的に高くしたオフガスリッチの状態で触媒燃焼を行うことによって還元性ガスを容易に生成することができる。
【0053】
また、水素発生装置10の停止時において、次回の始動時に改質器22や蒸発器21を所定の作動状態まで起動させるのに要するオフガスの量に応じた圧力をオフガスタンク36に確保することにより、水素発生装置10を適切な状態で確実に始動させることができる。しかも、PSA装置12の作動状態に応じた所定のタイミングで所望の圧力を確保することができ、例えばオフガスタンク36の容量を増大させる必要無しに、効率よくPSA装置12を作動させることができる。
【0054】
なお、上述した実施の形態においては、水素発生装置10の始動制御の処理において、改質器22の温度が所定の改質器活性開始温度TAつまり改質触媒が所定の活性状態となる温度に到達するまで、および、蒸発器21の温度が所定の始動完了温度TSに到達するまでの期間に亘って、オフガスタンク36から始動触媒燃焼器25へオフガスを供給すると共に、改質器22が所定の作動状態に到達して所定量の改質ガスを排出するようになるまでの期間に亘ってオフガスタンク36から触媒燃焼器24へオフガスを供給するとしたが、これに限定されず、例えば改質器22の温度が所定の改質器活性開始温度TAに到達するより前のタイミングで触媒燃焼器24および始動触媒燃焼器25へのオフガスの供給を停止してもよい。
この場合には、例えば図6に示す本実施形態の第1変形例に係る水素発生装置10のように、触媒燃焼器24および始動触媒燃焼器25へ液体燃料(例えば、メタノールやガソリン等)や気体燃料(例えば、メタンやエタン等)からなる燃料を供給可能な燃料供給装置40を備えて水素発生装置10を構成する。そして、触媒燃焼器24および始動触媒燃焼器25に具備される各燃焼触媒が液体燃料や気体燃料からなる燃料を触媒燃焼可能な状態に到達した時点で、触媒燃焼器24および始動触媒燃焼器25へのオフガスの供給を停止し、液体燃料や気体燃料からなる燃料を供給するように切り替える。
【0055】
すなわち、図7に示す本実施形態の第1変形例に係る水素発生装置10の始動制御の処理において、上述した実施の形態でのステップS01〜ステップS12における始動制御の処理と異なる点は、例えば、ステップS02とステップS03との間にステップS31〜ステップS36の処理を追加し、ステップS04の代わりにステップS37の処理を実行し、さらに、ステップS10の代わりにステップS38の処理を実行する点である。
なお、以下において上述した実施の形態と同一部分については説明を簡略または省略する。
【0056】
つまり、この第1変形例において、例えば図7に示すステップS31においては、始動触媒燃焼器25の燃焼触媒の温度に係る改質器22の温度が、始動触媒燃焼器25において燃焼触媒が液体燃料や気体燃料からなる燃料を触媒燃焼可能な状態となる所定の触媒活性温度TC(ただし、触媒活性温度TC<改質器活性開始温度TA)に到達したか否かを判定する。
この判定結果が「NO」の場合には、ステップS31に戻る。
一方、この判定結果が「YES」の場合、例えば図8(a)に示す時刻S31のように改質器22の温度が所定の触媒活性温度TCに到達した場合には、ステップS32に進む。
【0057】
ステップS32においては、始動触媒燃焼器25において燃焼触媒が燃料を触媒燃焼可能であると判断して、例えば図8(h)に示す時刻S32以降のように、始動触媒燃焼器25へ燃料の供給を開始する。これに伴い、始動触媒燃焼器25へ供給される燃料の流量が増大傾向に変化する。
そして、ステップS33においては、例えば図8(g)に示す時刻S33以降のように、始動触媒燃焼器25へ供給される燃料の流量が所定の値に到達した時点で、例えば始動用オフガス供給弁38により、オフガスタンク36から始動触媒燃焼器25へ供給されるオフガスの流量をゼロまで減少傾向に変化させる。
【0058】
次に、図7に示すステップS34においては、触媒燃焼器24の燃焼触媒の温度に係る蒸発器21の温度が、触媒燃焼器24において燃焼触媒が液体燃料や気体燃料からなる燃料を触媒燃焼可能な状態となる所定の触媒活性温度TC(ただし、触媒活性温度TC<始動完了温度TS)に到達したか否かを判定する。
この判定結果が「NO」の場合には、ステップS34に戻る。
一方、この判定結果が「YES」の場合、例えば図8(a)に示す時刻S34のように蒸発器21の温度が所定の触媒活性温度TCに到達した場合には、ステップS35に進む。
【0059】
ステップS35においては、触媒燃焼器24において燃焼触媒が燃料を触媒燃焼可能であると判断して、例えば図8(d)に示す時刻S35以降のように、触媒燃焼器24へ燃料の供給を開始する。これに伴い、触媒燃焼器24へ供給される燃料の流量が増大傾向に変化する。
そして、ステップS36においては、例えば図8(c)に示す時刻S36以降のように、触媒燃焼器24へ供給される燃料の流量が所定の値に到達した時点で、例えばオフガス供給弁39により、オフガスタンク36から触媒燃焼器24へ供給されるオフガスの流量をゼロまで減少傾向に変化させる。
【0060】
また、ステップS37においては、始動触媒燃焼器25への燃料の供給を停止する。これにより、例えば図8(h)に示す時刻S37のように、始動触媒燃焼器25に供給される燃料の流量がゼロに設定される。
【0061】
また、ステップS09においては、改質器22が所定の作動状態に到達しつつあると判断して、例えば図8(e)に示す時刻S09以降のように、改質器22から排出される改質ガスを、変成器23および切換流量制御弁27を介して触媒燃焼器24へ供給する。これに伴い、例えば図8(d)に示す時刻S09以降のように、触媒燃焼器24へ供給される改質ガスの流量の増大に応じて、触媒燃焼器24へ供給される燃料の流量を低下させる。
そして、ステップS38においては、例えば図8(e)に示す時刻S38のように、変成器23から触媒燃焼器24へ供給される改質ガスの流量が所定の値に到達した時点で、触媒燃焼器24へ供給される燃料の流量をゼロに設定する。
【0062】
この第1変形例に係る水素発生装置10および水素発生装置10の運転方法によれば、触媒燃焼器24や始動触媒燃焼器25の燃焼触媒が液体燃料や気体燃料からなる燃料を触媒燃焼可能な状態、つまり触媒燃焼器24や始動触媒燃焼器25の暖機が完了した状態でオフガスの供給を停止することができ、水素発生装置10の停止時に次回の始動に備えて確保すべきオフガスの圧力を低減することができ、効率よくPSA装置12を作動させることができる。
また、オフガスの供給によって暖機が完了した触媒燃焼器24や始動触媒燃焼器25においては、液体燃料を蒸気化する必要無しに適切に触媒燃焼させることができるため、例えば液体燃料を単に直接噴霧するだけの装置を備えるだけで済み、装置構成を簡略化することができる。
【0063】
なお、上述した実施の形態においては、PSA装置12の所定の作動状態においてオフガスタンク36の圧力が再起動下限圧力PLを超えた場合に改質装置11およびPSA装置12の作動を停止するとしたが、これに限定されず、例えば図9に示す本実施形態の第2変形例に係る水素発生装置10のように、第1〜第3吸着塔33a,33b,33cを迂回してPSAコンプレッサ31とオフガスタンク36とを接続するバイパス流路41および吸着塔バイパス弁42を備え、PSA装置12の作動状態に関わらずに、オフガスタンク36の圧力を再起動下限圧力PLを超えるように設定可能としてもよい。
ここで、PSA装置12の作動時において、吸着塔バイパス弁42は閉状態に設定されている。
【0064】
すなわち、例えば図10に示す本実施形態の第2変形例に係る水素発生装置10の停止制御の処理において、先ず、ステップS21においては、オフガスタンク36の圧力が所定の再起動下限圧力PL以上か否かを判定する。
この判定結果が「YES」の場合には、上述したステップS22に進む。
一方、この判定結果が「NO」の場合には、ステップS41に進む。
【0065】
ステップS41においては、PSA装置12の作動を停止する。
次に、ステップS42においては、吸着塔バイパス弁42を開状態に設定する。これにより、PSAコンプレッサ31から供給される改質ガスが、各吸着塔33a,33b,33cを迂回して、オフガスタンク36へ流通するようになる。
次に、ステップS43においては、オフガスタンク36の圧力が所定の再起動下限圧力PL以上か否かを判定する。
この判定結果が「NO」の場合には、ステップS43に戻る。
一方、この判定結果が「YES」の場合には、ステップS44に進む。
【0066】
ステップS44においては、吸着塔バイパス弁42を閉状態に設定する。
次に、ステップS45においては、改質装置11の作動を停止して、一連の処理を終了する。
【0067】
この第2変形例に係る水素発生装置10および水素発生装置10の運転方法によれば、PSA装置12の作動状態に関わらずに、次回の始動に備えた所望の圧力を確保することができ、水素発生装置10を停止させるために要する時間やエネルギを削減することができる。
【0068】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の水素発生装置によれば、装置構成が複雑化することを防止しつつ、確実に改質装置を暖機することができる。また、例えば水素発生装置の始動当初から始動触媒燃焼器においてメタノール等の炭化水素燃料を燃焼させる場合に比べて、例えば窒素酸化物(NO)の生成量や、未燃焼の燃料や一酸化炭素の排出量を低減することができ、オフガスリッチの状態で触媒燃焼を行うことによって還元性ガスを容易に生成することができる。
さらに、請求項2に記載の本発明の水素発生装置によれば、水素発生装置の始動時にオフガスが過剰に消費されてしまうことを防止することができる。
さらに、請求項3に記載の本発明の水素発生装置によれば、圧力スイング吸着装置の作動状態に関わらずに、改質装置を暖機するのに要する改質ガスを含むオフガスの所望量を確保することができ、水素発生装置を停止させるために要する時間やエネルギを削減することができる。
【0069】
また、請求項4に記載の本発明の水素発生装置の運転方法によれば、水素発生装置の始動時に、例えば始動触媒燃焼器を暖機するためだけの特別な処理を必要とせずに、改質装置の暖機を行うことができ、水素発生装置を始動させるために要する時間やエネルギを削減し、効率よく作動させることができる。
また、請求項5に記載の本発明の水素発生装置の運転方法によれば、水素発生装置の始動時にオフガスが過剰に消費されてしまうことを防止することができる。
【0070】
さらに、請求項6に記載の本発明の水素発生装置の運転方法によれば、次回の始動時において、水素発生装置を適切な状態で確実に始動させることができる。
さらに、請求項7に記載の本発明の水素発生装置の運転方法によれば、圧力スイング吸着装置の作動状態に関わらずに、次回の始動時において改質装置を暖機するのに要する改質ガスを含むオフガスの所望量を確保することができ、水素発生装置を停止させるために要する時間やエネルギを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る水素発生装置の構成図である。
【図2】図1に示すPSA装置の作動状態に応じたオフガスタンクの圧力変化の一例を示すグラフ図である。
【図3】図1に示す水素発生装置の運転方法、特に始動制御の処理を示すフローチャートである。
【図4】図4(a)は、改質器および蒸発器の温度の時間変化の一例を示すグラフ図であり、図4(b)は触媒燃焼器における空気の流量の時間変化の一例を示すグラフ図であり、図4(c)は触媒燃焼器におけるオフガスの流量の時間変化の一例を示すグラフ図であり、図4(d)は触媒燃焼器における改質ガスの流量の時間変化の一例を示すグラフ図であり、図4(e)は始動触媒燃焼器における空気の流量の時間変化の一例を示すグラフ図であり、図4(f)は始動触媒燃焼器におけるオフガスの流量の時間変化の一例を示すグラフ図であり、図4(g)は改質器における改質蒸気の流量の時間変化の一例を示すグラフ図であり、図4(h)は改質器における改質燃料の流量の時間変化の一例を示すグラフ図であり、図4(i)は改質器における改質空気の流量の時間変化の一例を示すグラフ図である。
【図5】図1に示す水素発生装置の運転方法、特に停止制御の処理を示すフローチャートである。
【図6】本実施形態の第1変形例に係る水素発生装置の構成図である。
【図7】図6に示す本実施形態の第1変形例に係る水素発生装置の運転方法、特に始動制御の処理を示すフローチャートである。
【図8】図8(a)は、改質器および蒸発器の温度の時間変化の一例を示すグラフ図であり、図8(b)は触媒燃焼器における空気の流量の時間変化の一例を示すグラフ図であり、図8(c)は触媒燃焼器におけるオフガスの流量の時間変化の一例を示すグラフ図であり、図8(d)は触媒燃焼器における燃料の流量の時間変化の一例を示すグラフ図であり、図8(e)は触媒燃焼器における改質ガスの流量の時間変化の一例を示すグラフ図であり、図8(f)は始動触媒燃焼器における空気の流量の時間変化の一例を示すグラフ図であり、図8(g)は始動触媒燃焼器におけるオフガスの流量の時間変化の一例を示すグラフ図であり、図8(h)は始動触媒燃焼器における燃料の流量の時間変化の一例を示すグラフ図であり、図8(i)は改質器における改質蒸気の流量の時間変化の一例を示すグラフ図であり、図8(j)は改質器における改質燃料の流量の時間変化の一例を示すグラフ図であり、図8(k)は改質器における改質空気の流量の時間変化の一例を示すグラフ図である。
【図9】本実施形態の第2変形例に係る水素発生装置の構成図である。
【図10】図9に示す本実施形態の第2変形例に係る水素発生装置の運転方法、特に停止制御の処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
10 水素発生装置
11 改質装置
12 PSA装置(圧力スイング吸着装置)
24 触媒燃焼器
25 始動触媒燃焼器
31 PSAコンプレッサ(改質ガス供給手段)
33a 第1吸着塔
33b 第2吸着塔
33c 第3吸着塔
36 オフガスタンク
40 燃料供給装置(燃料供給手段)
41 バイパス流路
42 吸着塔バイパス弁(バイパス制御弁)
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a hydrogen generator and a method for operating the hydrogen generator.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, for example, as in a solid polymer membrane fuel cell including a stack formed by stacking a plurality of cells formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between a fuel electrode (anode) and an oxygen electrode (cathode) from both sides. At the same time, hydrogen is supplied as fuel to the fuel electrode, air is supplied to the oxygen electrode as an oxidant, and hydrogen ions generated by a catalytic reaction at the fuel electrode move through the solid polymer electrolyte membrane to the oxygen electrode, 2. Description of the Related Art Fuel cells that generate an electric power by causing an electrochemical reaction with oxygen at an oxygen electrode are known.
A fuel provided with a reformer that generates hydrogen supplied as a fuel to such a fuel cell from a liquid fuel containing hydrocarbons (for example, methanol or gasoline) or a gaseous fuel (for example, methane or ethane). Battery systems are known.
[0003]
Then, at the time of starting such a fuel cell system, as a warm-up operation for raising the temperature of the reforming catalyst provided in the reformer to a predetermined catalyst activation temperature, for example, starting fuel such as methanol in a starting combustor is used. There is known a method of burning and supplying this combustion heat to a reformer via a combustion gas (for example, see Patent Document 1).
In addition, as a start-up operation of the fuel cell system, for example, air and a fuel such as methanol are supplied at a predetermined theoretical mixing ratio to a catalytic combustor arranged upstream of the reformer, for example, and the catalytic combustion is performed by self-ignition. A method in which an excess amount of liquid fuel is supplied to a catalytic combustor to evaporate it, and a raw material gas for reforming obtained by mixing steam is supplied to the reformer (for example, see Patent Document 2). )It has been known.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2000-323163 A
[Patent Document 2]
JP 2000-191304 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the method according to the prior art, if the starting fuel such as methanol is directly combusted, the combustion temperature becomes excessively high and the nitrogen oxides (NO X ) Is increased.
Further, in the catalytic combustor, catalytic combustion of fuel such as methanol does not occur at normal temperature, and therefore, as described above, a device for mixing air and fuel at a predetermined theoretical mixing ratio, or increasing the temperature of the catalyst is used. For this purpose, a special device such as an electric heater is required, which complicates the configuration of the device and increases the cost and power consumption required for the device configuration. In addition, when the temperature of the catalyst in the catalytic combustor is not properly raised, unburned fuel and carbon monoxide are discharged.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and a hydrogen generator capable of improving operation efficiency by reducing the time and energy required for starting and stopping while suppressing the device configuration from becoming complicated. An object of the present invention is to provide a method for operating a hydrogen generator.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems and achieve the above object, a hydrogen generator according to the present invention according to claim 1 reforms a raw fuel containing hydrogen into a hydrogen-rich reformed gas by a reforming reaction. A hydrogen generator comprising a device and a pressure swing adsorption device that separates and purifies purified hydrogen gas by a pressure swing adsorption method from the reformed gas generated by the reformer, wherein the pressure swing adsorption device comprises: An adsorption tower that adsorbs impurities other than hydrogen in the reformed gas; and a reformed gas supply unit that pressurizes the reformed gas generated by the reformer and supplies the reformed gas to the adsorption tower (for example, as described below). A PSA compressor 31) according to the embodiment, and an off-gas tank for storing an off-gas obtained by desorbing the impurities adsorbed in the adsorption tower into the purified hydrogen gas. A starting catalyst combustor (for example, a starting catalyst combustor 25 in an embodiment described later) that includes a combustion catalyst capable of burning the off-gas and warms up the reformer when the hydrogen generator starts. It is characterized by having.
[0007]
According to the hydrogen generator having the above configuration, the off-gas supplied from the off-gas tank to the starting catalytic combustor includes a flammable gas such as hydrogen or carbon monoxide, such as an electric heater for warming up the starting catalytic combustor. It is possible to cause off-gas catalytic combustion without requiring a special device, and to surely warm up the reformer while preventing the device configuration from becoming complicated.
Thereby, for example, compared with a case where a hydrocarbon fuel such as methanol is burned in a starting catalytic combustor from the beginning of the start of the hydrogen generator, for example, nitrogen oxides (NO X ) And the emission of unburned fuel and carbon monoxide.
Moreover, since the combustible range with respect to the mixing ratio with air is relatively wide as compared with, for example, a hydrocarbon fuel such as methanol, the off-gas rich ratio in which the off-gas content is relatively high in the mixing of air and off-gas. By performing catalytic combustion in the state described above, reducing gas can be easily generated.
The predetermined operation start state of the reformer is, for example, a state in which a predetermined amount of reformed gas can be discharged.
[0008]
Further, in the hydrogen generator according to the present invention, a fuel supply means (for example, a fuel supply device according to an embodiment described later) for supplying fuel that can be catalyzed by the combustion catalyst to the starting catalyst combustor. Device 40).
[0009]
According to the hydrogen generator having the above configuration, the supply of the off gas is stopped when the warm-up of the starting catalytic combustor is completed by, for example, the catalytic combustion of the off gas, and the fuel can be supplied from the fuel supply unit to the starting catalytic combustor. it can. That is, only the off-gas is supplied until the combustion catalyst of the starting catalytic combustor is in a state in which fuel composed of, for example, liquid fuel (for example, methanol or gasoline) or gaseous fuel (for example, methane or ethane) can be catalytically burned. It is possible to prevent excessive consumption of off-gas at the time of starting the hydrogen generator.
[0010]
Further, the hydrogen generator of the present invention according to claim 3 is a bypass flow path that connects the reformed gas supply unit and the off-gas tank to bypass the adsorption tower (for example, in an embodiment described later). A bypass flow passage 41) and a bypass control valve (for example, an adsorption tower bypass valve 42 in an embodiment described later) that controls a flow state of the reformed gas in the bypass flow passage.
[0011]
According to the hydrogen generator having the above configuration, when the hydrogen generator is stopped, a desired amount of off-gas required to warm up the reformer at the next start-up is required in the off-gas tank. The reformed gas can be supplied to the off-gas tank via the passage and the bypass control valve.
That is, regardless of the operation state of the pressure swing adsorption device, it is possible to secure a desired amount of off-gas including reformed gas required to warm up the reformer, and to reduce the time required to stop the hydrogen generator. And energy can be reduced.
[0012]
In addition, a method for operating a hydrogen generator according to the present invention according to claim 4 includes a reforming apparatus that reforms a raw fuel containing hydrogen into a hydrogen-rich reformed gas by a reforming reaction; An adsorption tower that adsorbs impurities other than hydrogen to separate and purify purified hydrogen gas, and a reformed gas supply unit that pressurizes the reformed gas generated by the reformer and supplies the reformed gas to the adsorption tower (for example, A PSA compressor 31) according to an embodiment of the present invention, and a pressure swing adsorption device including an off-gas tank for storing an off-gas obtained by desorbing the impurities adsorbed in the adsorption tower into the purified hydrogen gas. An operation method of the generator, wherein the hydrogen generator includes a starting catalyst combustor including a combustion catalyst capable of burning the off-gas supplied from the off-gas tank (for example, an embodiment described below). And supplying the off-gas stored in the off-gas tank to the starting catalytic combustor when the hydrogen generator is started (for example, a step in an embodiment described later). S02), the reformer is warmed up by combustion heat generated by the combustion of the off-gas in the starting catalytic combustor (for example, step S02 in an embodiment described later also serves), and the reformer When the operation start state is reached, supply of the off-gas to the starting catalytic combustor is stopped (for example, step S04 in an embodiment described later).
[0013]
According to the operation method of the hydrogen generator described above, at the time of starting the hydrogen generator, it is possible to warm up the reformer without requiring special processing only for warming up the starting catalytic combustor, for example. Thus, the time and energy required to start the hydrogen generator can be reduced, and the hydrogen generator can be operated efficiently. The predetermined operation start state of the reformer is, for example, a state in which a predetermined amount of reformed gas can be discharged.
[0014]
In addition, according to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method for operating a hydrogen generator according to the present invention, comprising: Tower for separating and purifying purified hydrogen gas by adsorbing impurities other than hydrogen in the reformed gas, and reformed gas supply means for pressurizing the reformed gas generated in the reformer and supplying the reformed gas to the adsorption tower A pressure swing adsorption apparatus comprising (for example, a PSA compressor 31 in an embodiment described later) and an off-gas tank for storing an off-gas obtained by desorbing the impurities adsorbed in the adsorption tower into the purified hydrogen gas. A method for operating a hydrogen generator comprising: a starting catalyst combustor (for example, described later) including a combustion catalyst capable of burning the off-gas supplied from the off-gas tank. And a fuel supply unit (for example, a fuel supply device 40 according to an embodiment described later) that supplies fuel that can be catalyzed by the combustion catalyst to the start catalyst combustor. And supplying the off-gas stored in the off-gas tank to the starting catalytic combustion (for example, step S02 in an embodiment described later) at the time of starting the hydrogen generating device. The reformer is warmed up by the combustion heat generated by the combustion of the off-gas in step (for example, step S02 in an embodiment described later also serves), and the combustion catalyst of the starting catalyst combustor is brought into a predetermined active state. If it has reached, the supply of the off-gas to the starting catalytic combustor is stopped (for example, step S33 in an embodiment described later), and the fuel is supplied by the fuel supply unit. The fuel is supplied to the starting catalytic combustor (for example, step S32 in an embodiment described later), and when the reformer reaches a predetermined operation start state, the supply of the fuel to the starting catalytic combustor is stopped. (For example, step S37 in the embodiment described later).
[0015]
According to the operating method of the hydrogen generator, the combustion catalyst of the starting catalytic combustor is in a predetermined active state, for example, a fuel composed of a liquid fuel (for example, methanol or gasoline) or a gaseous fuel (for example, methane or ethane). It is only necessary to supply the off-gas until the catalyst can be catalyzed, so that it is possible to prevent the off-gas from being excessively consumed when the hydrogen generator is started.
[0016]
Further, in the method for operating a hydrogen generator according to the present invention as set forth in claim 6, when the hydrogen generator is stopped, the pressure of the off-gas in the off-gas tank, which changes according to the operation state of the pressure swing adsorption device, is increased. A predetermined pressure (for example, a restart lower limit pressure PL in an embodiment described later) corresponding to the amount of the off-gas required to warm up the reformer at the next start of the hydrogen generator. In this case, the operation of the reformer and the pressure swing adsorption device is stopped (for example, step S22 in an embodiment described later).
[0017]
According to the operation method of the hydrogen generator, the hydrogen generator can be reliably started in an appropriate state at the next start. In addition, a desired off-gas pressure can be secured at a predetermined timing according to the operation state of the pressure swing adsorption device. For example, the pressure swing adsorption device can be operated efficiently without having to increase the capacity of the off gas tank. Can be.
[0018]
Further, in the operation method of the hydrogen generator according to the present invention, the hydrogen generator bypasses the adsorption tower and connects the reformed gas supply unit to the off-gas tank. For example, a bypass passage 41 in an embodiment described later) and a bypass control valve for controlling a flow state of the reformed gas in the bypass passage (for example, an adsorption tower bypass valve 42 in an embodiment described later). When the hydrogen generator is stopped, the operation of the pressure swing adsorption device is stopped (for example, step S41 in an embodiment described later), the bypass control valve is set to an open state, and High-quality gas is supplied from the reformed gas supply unit to the off-gas tank bypassing the adsorption tower (for example, step S42 in an embodiment described later), and The pressure of the off-gas containing the reformed gas is a predetermined pressure (for example, as described later) corresponding to the amount of the off-gas containing the reformed gas required to warm up the reformer at the next start of the hydrogen generator. In this case, the bypass control valve is set to a closed state (for example, step S44 in an embodiment described later), and the operation of the reforming apparatus is started. Is stopped (for example, step S45 in an embodiment described later).
[0019]
According to the method of operating the hydrogen generator, the desired amount of off-gas including reformed gas required to warm up the reformer at the next start is ensured regardless of the operation state of the pressure swing adsorption device. And the time and energy required to stop the hydrogen generator can be reduced.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a hydrogen generator and an operation method of the hydrogen generator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
The hydrogen generator 10 according to the present embodiment converts a liquid fuel (for example, methanol or gasoline) or a gaseous fuel (for example, methane or ethane) containing hydrocarbon supplied from a fuel supply unit (not shown) to hydrogen. Is reformed into a hydrogen-rich gas with an increased content of, for example, to generate a fuel gas to be supplied to a fuel electrode of a fuel cell (not shown). For example, as shown in FIG. Reformer 11 that generates a hydrogen-rich reformed gas from a raw fuel (hereinafter, simply referred to as fuel) composed of gaseous or gaseous fuel, and an impurity such as carbon monoxide or nitrogen from the hydrogen-rich reformed gas. A PSA (Pressure Swing Absorption: Pressure Swing Adsorption) device 12 for removing and purifying hydrogen gas is provided.
In the fuel cell according to the present embodiment, for example, a solid polymer electrolyte membrane composed of a cation exchange membrane or the like is combined with a fuel electrode (anode) composed of an anode catalyst and a gas diffusion layer and an oxygen electrode composed of a cathode catalyst and a gas diffusion layer. A large number of fuel cell units, each of which has an electrolyte electrode structure sandwiched between electrodes (cathodes) and is further sandwiched between a pair of separators, are stacked. The hydrogen ionized by the catalytic reaction on the anode catalyst of the anode of the fuel cell moves to the cathode through the moderately humidified solid polymer electrolyte membrane, and electrons generated by this movement are generated in an external circuit. (Not shown) and used as DC electric energy. In addition, air containing oxygen is supplied to the cathode, where hydrogen ions, electrons, and oxygen react to generate water.
[0021]
The reformer 11 includes, for example, an evaporator 21, a reformer 22, a shift converter 23, a catalytic combustor 24, a starting catalytic combustor 25, an air blower 26, and a switching flow control valve 27. It is configured.
[0022]
For example, the evaporator 21 heats and vaporizes water supplied from the outside to generate reformed steam, and converts the reformed steam from liquid fuel or gaseous fuel supplied from a fuel supply unit (not shown). The reforming fuel (hereinafter, simply referred to as reformed fuel) and the reforming air (hereinafter, simply referred to as reformed air) are supplied to the reformer 22.
The liquid fuel supplied from the fuel supply unit (not shown) is supplied to the reformer 22 in a state of being vaporized by being mixed with, for example, steam generated in the evaporator 21.
[0023]
The reformer 22 includes, for example, a Rh-based or Ru-based reforming catalyst therein, and the reformed fuel is partially oxidized by reforming air in the reformer 22 by the catalytic action of the reforming catalyst. In addition to oxidizing, the reformed fuel undergoes steam reforming by a reforming reaction using reformed steam to generate a hydrogen-rich reformed gas. Here, the oxidation reaction by the reforming air replenishes the heat required for the reforming reaction, which is an endothermic reaction.
Further, in the reformer 22, carbon monoxide is generated by a decomposition reaction of the reformed fuel which is inevitably generated, and is included in the reformed gas.
Since the reformed gas discharged from the reformer 22 has a relatively high temperature, the reformed gas is cooled to a predetermined temperature by a heat exchanger (not shown) or the like and then supplied to the shift converter 23.
[0024]
The shift converter 23 includes, for example, a shift catalyst such as a CuZn-based catalyst or a Pt-based shift catalyst, and a monoxide contained in the reformed gas discharged from the reformer 22 in the shift converter 23 by the catalytic action of the shift catalyst. The carbon is converted to carbon dioxide by a conversion reaction.
The reformed gas having the reduced carbon monoxide content in the shift converter 23 is supplied to the PSA device 12 or the catalytic combustor through the switching flow control valve 27 in accordance with the operation state of the hydrogen generator 10 as described later. 24 and the like.
[0025]
The catalytic combustor 24 includes, for example, a combustion catalyst therein, and, as described later, an off-gas containing a combustible gas such as hydrogen supplied from the PSA device 12 and a transformer 23 according to the operation state of the hydrogen generator 10. A hydrogen-rich reformed gas supplied from the fuel cell or an exhaust fuel containing, for example, unreacted hydrogen discharged from the fuel electrode of the fuel cell is burned by the air supplied from the air blower 26, and the combustion generated by this combustion is performed. Heat is supplied to the evaporator 21 via the combustion gas.
That is, the evaporator 21 generates the reformed steam by the combustion heat supplied from the catalytic combustor 24, and the used combustion gas is exhausted to the atmosphere.
[0026]
The starting catalyst combustor 25 includes, for example, a combustion catalyst therein, and supplies an off-gas containing a combustible gas such as hydrogen supplied from the PSA device 12 to the air blower 26 at the time of starting the hydrogen generator 10 as described later. The combustion heat generated by the combustion is supplied to the reformer 22 via the combustion gas, and the reformer 22 is warmed up.
[0027]
The PSA device 12 is, for example, a three-column pressure swing adsorption device, and includes a PSA compressor 31 for pressurizing reformed gas, first to third switching control valves 32a, 32b, 32c, and first to third adsorption devices. The towers 33a, 33b, 33c, the first to third equalizing pressure control valves 34a, 34b, 34c, the hydrogen storage unit 35, the off gas tank 36, the off gas flow control valve 37, the starting off gas supply valve 38, An off-gas supply valve 39 is provided.
The off-gas tank 36 is provided with a pressure sensor 36a that detects the pressure of the off-gas in the off-gas tank 36.
[0028]
The PSA compressor 31 is connected to each of the adsorption towers 33a, 33b, and 33c via each of the switching control valves 32a, 32b, and 32c, which are, for example, three-way switching valves. Pressurized, it can be supplied to each of the adsorption towers 33a, 33b, 33c filled with an adsorbent such as activated carbon or zeolite.
That is, in the adsorption process described later, each of the adsorption towers 33a, 33b, and 33c adsorbs and removes impurities such as carbon monoxide and nitrogen contained in the hydrogen-rich reformed gas, and is not adsorbed by the adsorbent. The reformed gas that has passed through each of the adsorption towers 33a, 33b, and 33c is converted into a purified hydrogen gas having an increased content of hydrogen gas and flows to a hydrogen storage unit 35 connected to each of the adsorption towers 33a, 33b, and 33c. It is supposed to.
As will be described later, in this adsorption process, one of the first to third switching control valves 32a, 32b, and 32c is operated in the flow direction FIN from the PSA compressor 31 to each of the adsorption towers 33a, 33b, and 33c. Is set.
[0029]
Further, each of the adsorption towers 33a, 33b, 33c is connected to the off-gas tank 36 via each of the switching control valves 32a, 32b, 32c, and is discharged from any of the first to third adsorption towers 33a, 33b, 33c. The purified hydrogen gas that has flowed through each of the adsorption towers 33a, 33b, 33c is allowed to flow to the off-gas tank 36 as off-gas.
That is, in the cleaning process described below, when purified hydrogen gas discharged from any of the first to third adsorption towers 33a, 33b, 33c flows through each of the adsorption towers 33a, 33b, 33c, each of the adsorption towers 33a, 33b. , 33c are adsorbed by the adsorbent in the adsorbent, are desorbed and discharged together with the purified hydrogen gas to the off-gas tank 36, and the inside of each of the adsorption towers 33a, 33b, 33c is washed, so to speak. It becomes.
As will be described later, in this cleaning process, one of the first to third switching control valves 32a, 32b, 32c is connected to the flow direction FOUT from each of the adsorption towers 33a, 33b, 33c to the PSA off-gas tank 36. Is set to
[0030]
Further, each of the adsorption towers 33a, 33b, 33c is connected to the pressure equalizing control flow path 34 via each pressure equalizing control valve 34a, 34b, 34c, for example, which is a three-way switching valve. A flow direction OUT from each of the adsorption towers 33a, 33b, 33c to the equalization control flow path 34, or a flow from the equalization control flow path 34 to each of the adsorption towers 33a, 33b, 33c. Switching to the direction IN is enabled.
That is, in the equalizing-in process and the equalizing-out process described later, one of the first to third equalizing control valves 34a, 34b, and 34c is set to a closed state, and the other two are set. One is set in the flow direction OUT toward the equalization control flow path 34 and the other is set in the flow direction IN toward each of the adsorption towers 33a, 33b, 33c, so that the first to third adsorption towers 33a, 33b are set. , 33c have the same internal pressure.
[0031]
That is, the switching of the flow direction in each of the switching control valves 32a, 32b, 32c and each of the equalizing control valves 34a, 34b, 34c is controlled, so that, for example, as shown in FIG. A series of processes including pressure release, pressure reduction, washing, equalization-in, and pressure increase are repeatedly executed.
[0032]
For example, from time t0 to time t1 shown in FIG. 2, the first switching control valve 32a is set in the flow direction FIN, and the first pressure equalizing control valve 34a is set in the closed state, so that the inside of the first adsorption tower 33a is set. Is supplied, and the purified hydrogen gas purified and separated in the first adsorption tower 33a is discharged toward the hydrogen storage unit 35 (first adsorption tower 33a: adsorption).
At this time, the second pressure equalizing control valve 34b is set in the flow direction IN and the third pressure equalizing control valve 34c is set in the flow direction OUT, so that the gas flows from the third adsorption tower 33c to the second adsorption tower 33b. The second adsorption tower 33b is washed with the purified hydrogen gas, the third adsorption tower 33c is depressurized, and the second switching control valve 32b is set in the flow direction FOUT. The off-gas flows to 36, and the pressure of the off-gas tank 36 changes in a rising tendency.
[0033]
Next, from time t1 to t2 shown in FIG. 2, the second switching control valve 32b is set to the closed state, and the supply of the off gas toward the off gas tank 36 is stopped, so that the pressure of the off gas tank 36 tends to decrease. Changes to
Further, the purified hydrogen gas flowing from the third adsorption tower 33c to the second adsorption tower 33b causes the pressures of the second adsorption tower 33b and the third adsorption tower 33c to have the same value (the second adsorption tower 33b: Input, third adsorption tower 33c: pressure equalization-output).
[0034]
Next, from time t2 to time t3 shown in FIG. 2, the first equalization control valve 34a is set in the flow direction OUT, and the third equalization control valve 34c is set in the closed state, whereby the first adsorption tower is set. The pressure of the second adsorption tower 33b is increased by the purified hydrogen gas flowing from the third adsorption tower 33b to the second adsorption tower 33b.
At this time, when the third switching control valve 32c is set in the flow direction FOUT, the off-gas flows from the third adsorption tower 33c to the off-gas tank 36, and the pressure in the third adsorption tower 33c is reduced. The pressure at 36 changes in an upward trend.
[0035]
Next, from time t3 to time t4 shown in FIG. 2, the first switching control valve 32a is set to the closed state, the second switching control valve 32b is set to the flow direction FIN, and the second equalizing control valve 34b is closed. By setting to the state, the pressurized reformed gas is supplied into the second adsorption tower 33a, and the purified hydrogen gas purified in the second adsorption tower 33b is discharged toward the hydrogen storage unit 35. (Second adsorption tower 33b: adsorption).
At this time, the third equalizing control valve 34c is set in the flow direction IN, and the third switching control valve 32c is set in the flow direction FOUT, so that the purified hydrogen gas flows from the first adsorption tower 33a to the third adsorption tower 33c. Flows, the pressure of the first adsorption tower 33a is reduced, the third adsorption tower 33c is washed, off-gas flows from the third adsorption tower 33c to the off-gas tank 36, and the pressure of the off-gas tank 36 tends to increase. Change.
[0036]
Next, from time t4 to time t5 shown in FIG. 2, the third switching control valve 32c is set to the closed state, and the purified hydrogen gas flowing from the first adsorption tower 33a to the third adsorption tower 33c causes the first adsorption tower 33a to be closed. And the third adsorption tower 33c have the same pressure (the first adsorption tower 33a: equalization-out, the third adsorption tower 33c: equalization-in).
At this time, the supply of the off-gas toward the off-gas tank 36 is stopped, so that the pressure of the off-gas tank 36 changes in a decreasing tendency.
[0037]
Next, from time t5 to time t6 shown in FIG. 2, the first equalization control valve 34a is set to the closed state, and the second equalization control valve 34b is set to the flow direction OUT, whereby the second adsorption tower is set. The pressure of the third adsorption tower 33c is increased by the purified hydrogen gas flowing from the third adsorption tower 33c to the third adsorption tower 33c.
At this time, when the first switching control valve 32a is set in the flow direction FOUT, the off-gas flows from the first adsorption tower 33a to the off-gas tank 36, and the first adsorption tower 33a is depressurized. The pressure at 36 changes in an upward trend.
[0038]
Next, from time t6 to t7 shown in FIG. 2, the second switching control valve 32b is set to the closed state, the third switching control valve 32c is set to the flow direction FIN, and the third equalizing control valve 34c is closed. By setting to the state, the pressurized reformed gas is supplied into the third adsorption tower 33c, and the purified hydrogen gas purified in the third adsorption tower 33c is discharged toward the hydrogen storage unit 35. (Third adsorption tower 33c: adsorption).
At this time, the first equalization control valve 34a is set in the flow direction IN, and the first switching control valve 32a is set in the flow direction FOUT, so that the purified hydrogen gas flows from the second adsorption tower 33b to the first adsorption tower 33a. Flows, the pressure of the second adsorption tower 33b is reduced, the first adsorption tower 33a is washed, off-gas flows from the first adsorption tower 33a to the off-gas tank 36, and the pressure of the off-gas tank 36 tends to increase. Change.
[0039]
Next, from time t7 to time t8 shown in FIG. 2, the first switching control valve 32a is set to the closed state, and the purified hydrogen gas flowing from the second adsorption tower 33b to the first adsorption tower 33a causes the first adsorption tower 33a to be closed. And the pressure of the second adsorption tower 33b are equivalent (the first adsorption tower 33a: pressure equalization-in, the second adsorption tower 33b: pressure equalization-out).
At this time, the supply of the off-gas toward the off-gas tank 36 is stopped, so that the pressure of the off-gas tank 36 changes in a decreasing tendency.
[0040]
Next, from time t8 to t9 shown in FIG. 2, the second equalization control valve 34b is set to the closed state, and the third equalization control valve 34c is set to the flow direction OUT, so that the third adsorption tower is set. The pressure of the first adsorption tower 33a is increased by the purified hydrogen gas flowing from the first adsorption tower 33a to the first adsorption tower 33a.
At this time, when the second switching control valve 32b is set in the flow direction FOUT, the off-gas flows from the second adsorption tower 33b to the off-gas tank 36, and the pressure in the second adsorption tower 33b is reduced. The pressure at 36 changes in an upward trend.
Then, in the following, a series of processes from time t0 to time t9 described above is repeatedly executed.
[0041]
The off-gas discharged from the off-gas tank 36 toward the reforming apparatus 11 is adjusted in flow rate appropriately by an off-gas flow rate adjusting valve 37, and then, for example, according to the operation state of the hydrogen generator 10 or the like, the starting off-gas supply valve 38 And supplied to the catalytic combustor 24 via the off-gas supply valve 39.
[0042]
The hydrogen generator 10 according to the present embodiment has the above-described configuration. Next, a method of operating the hydrogen generator 10 will be described with reference to the accompanying drawings.
[0043]
Hereinafter, the process of the start control of the hydrogen generator 10 will be described.
First, for example, in step S01 shown in FIG. 3, air is supplied from the air blower 26 to the catalytic combustor 24 and the starting catalytic combustor 25. Thereby, the flow rate of the air supplied to the catalytic combustor 24 and the starting catalytic combustor 25 is set to a predetermined value, for example, at time S01 shown in FIGS. 4B and 4E.
Next, in step S02, the starting off-gas supply valve 38 and the off-gas supply valve 39 are set to the open state, and the off-gas, that is, purified hydrogen gas and monoxide are supplied from the off-gas tank 36 to the catalyst combustor 24 and the starting catalyst combustor 25. A gas containing impurities such as carbon and nitrogen is supplied. Thereby, the flow rate of the off-gas supplied to the catalytic combustor 24 and the starting catalytic combustor 25 is set to a predetermined value by the off-gas flow control valve 37 and the like, for example, at time S02 shown in FIGS. 4 (c) and 4 (f). Is set.
As a result, combustible gases such as hydrogen and carbon monoxide contained in the off-gas are burned by the combustion catalysts of the catalytic combustor 24 and the starting catalytic combustor 25, and the combustion gas generated by these combustions is converted into the reformer 22. Then, the temperature of the reformer 22 and the temperature of the evaporator 21 are changed to increase, for example, at time a1 shown in FIG.
[0044]
Next, in step S03, it is determined whether or not the temperature of the reformer 22 has reached a predetermined reformer activation start temperature TA, that is, a temperature at which the reforming catalyst is in a predetermined active state.
If this determination is "NO", the flow returns to step S03.
On the other hand, when the determination result is “YES”, for example, when the temperature of the reformer 22 reaches the predetermined reformer activation start temperature TA as at time S03 shown in FIG. Proceed to.
At time S03 shown in FIG. 4, the temperature of the reformer 22 reaches a predetermined reformer activation start temperature TA, and the temperature of the evaporator 21 reaches a predetermined start completion temperature TS. ing.
[0045]
In step S04, the starting off-gas supply valve 38 is set to the closed state, and the supply of the off-gas to the starting catalytic combustor 25 is stopped. Thereby, the flow rate of the off-gas supplied to the starting catalytic combustor 25 is set to zero, for example, at time S04 shown in FIG.
Next, in step S05, the supply of air from the air blower 26 to the starting catalytic combustor 25 is stopped. Thereby, the flow rate of the air supplied to the starting catalytic combustor 25 is set to zero, for example, at time S05 shown in FIG.
Next, in step S06, the supply of the reforming steam from the evaporator 21 to the reformer 22 is started because the evaporator 21 has already reached the predetermined start completion state at the time S03 described above. Thereby, the flow rate of the reforming steam supplied to the reformer 22 is set to a predetermined value, for example, at time S06 shown in FIG.
[0046]
Next, in step S07, supply of the reformed fuel to the reformer 22 is started. Thereby, the flow rate of the reformed fuel supplied to the reformer 22 is set to a predetermined value, for example, at time S07 shown in FIG.
Next, in step S08, supply of the reforming air to the reformer 22 is started. Thereby, the flow rate of the reforming air supplied to the reformer 22 is set to a predetermined value, for example, at time S08 shown in FIG.
Along with this, the operation of the reformer 22 is started, and the temperature of the reformer 22 further changes, for example, at time a2 shown in FIG.
[0047]
Next, in step S09, it is determined that the reformer 22 is reaching a predetermined operating state, and the reformer 22 is discharged from the reformer 22, for example, after time S09 shown in FIG. The reformed gas is supplied to the catalytic combustor 24 via the shift converter 23 and the switching flow control valve 27. Along with this, for example, the off-gas flow control valve 37 causes the catalyst to be removed from the off-gas tank 36 in response to the increase in the flow rate of the reformed gas supplied to the catalytic combustor 24, as shown after time S09 shown in FIG. The flow rate of the off gas supplied to the combustor 24 is reduced.
Then, in step S10, when the flow rate of the reformed gas supplied from the shift converter 23 to the catalytic combustor 24 reaches a predetermined value, for example, at time S10 shown in FIG. The flow rate adjusting valve 37 sets the flow rate of the off-gas supplied from the off-gas tank 36 to the catalytic combustor 24 to zero.
[0048]
Next, in step S11, it is determined whether or not the composition of the reformed gas discharged from the reformer 22 is stable. Here, for example, it is determined whether the time variation of the detected value of the concentration of each gas such as hydrogen, carbon hydroxide, carbon monoxide, etc. contained in the reformed gas discharged from the reformer 22 has decreased to a predetermined variation or less. Or, for example, data on the time variation of the concentration of each gas such as hydrogen, carbon hydroxide, and carbon monoxide contained in the reformed gas discharged in the warm-up operation state of the reformer 22. It is stored in advance, and from this data, the time required for the time variation of the detected value of the concentration of each gas to be reduced to a predetermined variation or less is acquired, and it is determined whether or not this time has elapsed.
If this determination is "NO", the flow returns to step S11.
On the other hand, if the result of this determination is "YES", the flow proceeds to step S12, in which the supply of the reformed gas to the PSA device 12 is started, and a series of processing ends.
Here, the supply of the reformed gas to the catalytic combustor 24 is stopped by the switching control of the switching flow rate control valve 27 and supplied to the catalytic combustor 24, for example, at time a4 shown in FIG. The reformed gas is supplied to the PSA device 12. As a result, the operation of the PSA device 12 is started, and the amount of off gas stored in the off gas tank 36 of the PSA device 12 changes in a tendency to increase. For example, as shown at time S12 shown in FIG. The flow rate of the off-gas supplied from the off-gas tank 36 to the catalytic combustor 24 via the flow-rate adjusting valve 37 changes in an increasing manner.
[0049]
Hereinafter, the process of the stop control of the hydrogen generator 10 will be described.
First, for example, in step S21 shown in FIG. 5, it is determined whether or not the pressure of the off-gas tank 36 is equal to or higher than a predetermined restart lower limit pressure PL.
If this determination is "NO", the flow returns to step S21.
On the other hand, if the result of this determination is “YES”, the flow proceeds to step S22.
The predetermined restart lower limit pressure PL depends on the amount of off-gas required to start the reformer 22 or the evaporator 21 to a predetermined operation state in the start control processing in steps S01 to S12 described above. As shown in FIG. 2, for example, as shown in FIG. 2, the pressure of the off-gas tank 36 exceeds the restart lower limit pressure PL in a predetermined operation state of the PSA device 12.
[0050]
In step S22, it is determined that the reformer 22 and the evaporator 21 can be started up to a predetermined operation state in the next start control process, and the operation of the reformer 11 and the PSA device 12 is started. Is stopped, and a series of processing ends.
[0051]
As described above, according to the hydrogen generator 10 of the present embodiment, the combustible gas such as hydrogen or carbon monoxide is contained in the catalytic combustor 24 and the starting catalytic combustor 25 from the off-gas tank 36 of the PSA device 12. With the configuration in which the off-gas can be supplied, a special device such as an electric heater for warming up the catalytic combustor 24 and the starting catalytic combustor 25 is not required at the time of starting the hydrogen generator 10 or the like. In addition, the reformer 22 and the evaporator 21 can be warmed up and started up to a desired operation state, and the configuration of the apparatus can be simplified.
[0052]
Moreover, according to the operating method of hydrogen generator 10 according to the present embodiment, when starting hydrogen generator 10, special time and energy are used only for warming up catalytic combustor 24 and starting catalytic combustor 25. Can be prevented, and the time and energy efficiency required for starting the hydrogen generator 10 can be improved.
Furthermore, for example, compared to the case where hydrocarbon fuel such as methanol is burned in the catalytic combustor 24 and the starting catalytic combustor 25 from the start of the hydrogen generator 10, for example, nitrogen oxides (NO X ) And the emission of unburned fuel and carbon monoxide.
Moreover, since the combustible range with respect to the mixing ratio with air is relatively wide as compared with, for example, a hydrocarbon fuel such as methanol, the off-gas rich ratio in which the off-gas content is relatively high in the mixing of air and off-gas. By performing catalytic combustion in the state described above, reducing gas can be easily generated.
[0053]
Further, when the hydrogen generator 10 is stopped, a pressure corresponding to the amount of off gas required to start the reformer 22 and the evaporator 21 to a predetermined operation state at the next start is ensured in the off gas tank 36. In addition, the hydrogen generator 10 can be reliably started in an appropriate state. In addition, a desired pressure can be secured at a predetermined timing according to the operation state of the PSA device 12, and the PSA device 12 can be operated efficiently without, for example, increasing the capacity of the off-gas tank 36.
[0054]
In the above-described embodiment, in the process of the start control of the hydrogen generator 10, the temperature of the reformer 22 is set to a predetermined reformer activation start temperature TA, that is, a temperature at which the reforming catalyst becomes a predetermined active state. The off-gas is supplied from the off-gas tank 36 to the starting catalytic combustor 25 until the temperature of the evaporator 21 reaches the predetermined starting completion temperature TS, and the reformer 22 The off-gas is supplied from the off-gas tank 36 to the catalytic combustor 24 over a period from when the operation state is reached and a predetermined amount of the reformed gas is discharged. However, the present invention is not limited to this. The off-gas supply to the catalytic combustor 24 and the starting catalytic combustor 25 may be stopped at a timing before the temperature of the reactor 22 reaches the predetermined reformer activation start temperature TA.
In this case, for example, as in the hydrogen generator 10 according to the first modified example of the present embodiment shown in FIG. 6, liquid fuel (for example, methanol or gasoline) is supplied to the catalytic combustor 24 and the starting catalytic combustor 25. The hydrogen generator 10 is provided with a fuel supply device 40 capable of supplying a fuel composed of a gaseous fuel (for example, methane or ethane). Then, when each of the combustion catalysts provided in the catalytic combustor 24 and the starting catalytic combustor 25 reaches a state in which fuel composed of liquid fuel or gaseous fuel can be catalytically combusted, the catalytic combustor 24 and the starting catalytic combustor 25 are activated. The supply of off-gas to the fuel cell is stopped and the fuel is switched to supply fuel composed of liquid fuel or gaseous fuel.
[0055]
That is, in the processing of the start control of the hydrogen generator 10 according to the first modification of the present embodiment shown in FIG. 7, the difference from the processing of the start control in steps S01 to S12 in the above-described embodiment is, for example, The processing of steps S31 to S36 is added between steps S02 and S03, the processing of step S37 is executed instead of step S04, and the processing of step S38 is executed instead of step S10. is there.
The description of the same parts as those of the above-described embodiment will be simplified or omitted below.
[0056]
That is, in the first modified example, for example, in step S31 shown in FIG. 7, the temperature of the reformer 22 related to the temperature of the combustion catalyst of the starting catalyst combustor 25 is changed so that the combustion catalyst in the starting catalyst combustor 25 is It is determined whether or not a predetermined catalyst activation temperature TC (catalyst activation temperature TC <reformer activation start temperature TA) has been reached at which a fuel composed of fuel and gaseous fuel can be catalytically burned.
If this determination is "NO", the flow returns to step S31.
On the other hand, when the determination result is “YES”, for example, when the temperature of the reformer 22 has reached the predetermined catalyst activation temperature TC as at time S31 shown in FIG. 8A, the process proceeds to step S32.
[0057]
In step S32, it is determined that the combustion catalyst is capable of catalytic combustion in the starting catalyst combustor 25, and the fuel is supplied to the starting catalyst combustor 25, for example, after time S32 shown in FIG. To start. Accordingly, the flow rate of the fuel supplied to the starting catalytic combustor 25 changes in an increasing tendency.
Then, in step S33, when the flow rate of the fuel supplied to the starting catalytic combustor 25 reaches a predetermined value, for example, after time S33 shown in FIG. 8 (g), for example, the starting off-gas supply valve By 38, the flow rate of the off-gas supplied from the off-gas tank 36 to the starting catalytic combustor 25 is changed to a decreasing tendency to zero.
[0058]
Next, in step S34 shown in FIG. 7, the temperature of the evaporator 21 related to the temperature of the combustion catalyst of the catalyst combustor 24 is such that the combustion catalyst in the catalyst combustor 24 is capable of catalytically combusting a fuel composed of liquid fuel or gaseous fuel. It is determined whether or not a predetermined catalyst activation temperature TC has been reached (however, the catalyst activation temperature TC <start completion temperature TS).
If this determination is "NO", the flow returns to step S34.
On the other hand, when the result of this determination is “YES”, for example, when the temperature of the evaporator 21 has reached the predetermined catalyst activation temperature TC as at time S34 shown in FIG.
[0059]
In step S35, it is determined that the combustion catalyst is capable of catalytic combustion of the fuel in the catalytic combustor 24, and the supply of the fuel to the catalytic combustor 24 is started, for example, after time S35 shown in FIG. I do. Along with this, the flow rate of the fuel supplied to the catalytic combustor 24 changes in a tendency to increase.
Then, in step S36, when the flow rate of the fuel supplied to the catalytic combustor 24 reaches a predetermined value, for example, after time S36 shown in FIG. The flow rate of off-gas supplied from the off-gas tank 36 to the catalytic combustor 24 is changed to a decreasing tendency to zero.
[0060]
In step S37, the supply of fuel to the starting catalytic combustor 25 is stopped. Thereby, the flow rate of the fuel supplied to the starting catalytic combustor 25 is set to zero, for example, at time S37 shown in FIG.
[0061]
Further, in step S09, it is determined that the reformer 22 is approaching the predetermined operating state, and the reformer 22 discharged from the reformer 22, for example, after time S09 shown in FIG. The raw gas is supplied to the catalytic combustor 24 via the transformer 23 and the switching flow control valve 27. Accordingly, for example, after the time S09 shown in FIG. 8D, the flow rate of the fuel supplied to the catalytic combustor 24 is reduced in accordance with the increase in the flow rate of the reformed gas supplied to the catalytic combustor 24. Lower.
Then, in step S38, when the flow rate of the reformed gas supplied from the shift converter 23 to the catalytic combustor 24 reaches a predetermined value, for example, at time S38 shown in FIG. The flow rate of the fuel supplied to the vessel 24 is set to zero.
[0062]
According to the hydrogen generator 10 and the method of operating the hydrogen generator 10 according to the first modification, the combustion catalyst of the catalytic combustor 24 or the starting catalytic combustor 25 can catalytically combust a fuel composed of a liquid fuel or a gaseous fuel. The off-gas supply can be stopped in a state, that is, in a state in which the warming-up of the catalytic combustor 24 and the starting catalytic combustor 25 is completed, and the pressure of the off-gas to be secured for the next start when the hydrogen generator 10 is stopped. Can be reduced, and the PSA device 12 can be operated efficiently.
Further, in the catalytic combustor 24 and the starting catalytic combustor 25 whose warm-up is completed by the supply of the off-gas, the catalytic combustion can be appropriately performed without the need to vaporize the liquid fuel. It is only necessary to provide a device for performing the operation, and the device configuration can be simplified.
[0063]
In the above-described embodiment, the operation of the reformer 11 and the PSA device 12 are stopped when the pressure of the off-gas tank 36 exceeds the restart lower limit pressure PL in a predetermined operation state of the PSA device 12. However, the present invention is not limited to this. For example, as in a hydrogen generator 10 according to a second modification of the present embodiment shown in FIG. 9, the PSA compressor 31 bypasses the first to third adsorption towers 33a, 33b, 33c. A bypass channel 41 and an adsorption tower bypass valve 42 for connecting to the off-gas tank 36 are provided, and the pressure of the off-gas tank 36 can be set to exceed the restart lower limit pressure PL regardless of the operating state of the PSA device 12. Good.
Here, during the operation of the PSA device 12, the adsorption tower bypass valve 42 is set to a closed state.
[0064]
That is, for example, in the process of stopping control of the hydrogen generator 10 according to the second modification of the present embodiment shown in FIG. 10, first, in step S21, whether the pressure of the off-gas tank 36 is equal to or higher than a predetermined restart lower limit pressure PL. Determine whether or not.
If this determination is "YES", the flow proceeds to step S22 described above.
On the other hand, if the result of this determination is “NO”, the flow proceeds to step S41.
[0065]
In step S41, the operation of the PSA device 12 is stopped.
Next, in step S42, the adsorption tower bypass valve 42 is set to the open state. Thereby, the reformed gas supplied from the PSA compressor 31 bypasses the adsorption towers 33a, 33b, 33c and flows to the off-gas tank 36.
Next, in step S43, it is determined whether or not the pressure of the off-gas tank 36 is equal to or higher than a predetermined restart lower limit pressure PL.
If this determination is "NO", the flow returns to step S43.
On the other hand, when the result of this determination is “YES”, the flow proceeds to step S44.
[0066]
In step S44, the adsorption tower bypass valve 42 is set to a closed state.
Next, in step S45, the operation of the reforming apparatus 11 is stopped, and a series of processing ends.
[0067]
According to the hydrogen generator 10 and the method of operating the hydrogen generator 10 according to the second modified example, a desired pressure for the next start can be ensured regardless of the operating state of the PSA device 12, The time and energy required to stop the hydrogen generator 10 can be reduced.
[0068]
【The invention's effect】
As described above, according to the hydrogen generator of the present invention, it is possible to surely warm up the reformer while preventing the device configuration from becoming complicated. Also, for example, compared to the case where a hydrocarbon fuel such as methanol is burned in a starting catalytic combustor from the start of the hydrogen generator, for example, nitrogen oxides (NO X ) And the amount of unburned fuel and carbon monoxide emitted can be reduced, and by performing catalytic combustion in an off-gas rich state, a reducing gas can be easily generated.
Furthermore, according to the hydrogen generator of the present invention described in claim 2, it is possible to prevent the off gas from being excessively consumed when the hydrogen generator is started.
Furthermore, according to the hydrogen generator of the present invention as set forth in claim 3, the desired amount of off-gas including reformed gas required for warming up the reformer, regardless of the operation state of the pressure swing adsorption device. The time and energy required to stop the hydrogen generator can be reduced.
[0069]
Further, according to the method for operating a hydrogen generator of the present invention as set forth in claim 4, when the hydrogen generator is started, for example, a special treatment only for warming up the starting catalytic combustor is not required, and the modification can be performed. The heater can be warmed up, the time and energy required to start the hydrogen generator can be reduced, and the hydrogen generator can be operated efficiently.
Further, according to the method for operating the hydrogen generator of the present invention described in claim 5, it is possible to prevent the off-gas from being excessively consumed when the hydrogen generator is started.
[0070]
Further, according to the method for operating the hydrogen generator of the present invention, it is possible to reliably start the hydrogen generator in an appropriate state at the next start.
Further, according to the operation method of the hydrogen generator of the present invention, the reforming required for warming up the reformer at the next start-up regardless of the operation state of the pressure swing adsorption device. A desired amount of off-gas including gas can be secured, and the time and energy required for stopping the hydrogen generator can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a hydrogen generator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing an example of a pressure change of an off-gas tank according to an operation state of the PSA device shown in FIG.
FIG. 3 is a flowchart showing an operation method of the hydrogen generator shown in FIG. 1, in particular, a process of start control.
FIG. 4 (a) is a graph showing an example of a time change of the temperature of the reformer and the evaporator, and FIG. 4 (b) is an example of a time change of the air flow rate in the catalytic combustor. FIG. 4C is a graph showing an example of a temporal change in the flow rate of the off gas in the catalytic combustor, and FIG. 4D is a graph showing the temporal change in the flow rate of the reformed gas in the catalytic combustor. FIG. 4 (e) is a graph showing one example, and FIG. 4 (e) is a graph showing an example of a time change of the flow rate of air in the starting catalytic combustor; FIG. 4G is a graph showing an example of the change, FIG. 4G is a graph showing an example of a change over time of the flow rate of the reforming steam in the reformer, and FIG. FIG. 4 (i) is a graph showing an example of the change over time of the flow rate of Is a graph showing an example of a temporal change in the flow rate of reforming air in.
FIG. 5 is a flowchart showing a method of operating the hydrogen generator shown in FIG. 1, particularly a process of stop control.
FIG. 6 is a configuration diagram of a hydrogen generator according to a first modification of the present embodiment.
FIG. 7 is a flowchart showing an operation method of the hydrogen generator according to the first modification of the present embodiment shown in FIG. 6, in particular, a start control process.
FIG. 8 (a) is a graph showing an example of a time change of the temperature of the reformer and the evaporator, and FIG. 8 (b) is an example of a time change of the air flow rate in the catalytic combustor. FIG. 8C is a graph showing an example of a temporal change in the flow rate of the off gas in the catalytic combustor, and FIG. 8D is a graph showing an example of a temporal change in the fuel flow in the catalytic combustor. FIG. 8E is a graph showing an example of a time change of the flow rate of the reformed gas in the catalytic combustor. FIG. 8F is a graph showing a time change of the air flow rate in the starting catalytic combustor. FIG. 8 (g) is a graph showing an example of a change over time of the flow rate of the off-gas in the starting catalytic combustor, and FIG. 8 (h) is a graph showing the fuel flow rate in the starting catalytic combustor. FIG. 8 (i) is a graph showing an example of a time change, and FIG. FIG. 8 (j) is a graph showing an example of a temporal change in the flow rate of reformed steam in the reformer, and FIG. 8 (j) is a graph showing an example of a temporal change in the flow rate of reformed fuel in the reformer. k) is a graph showing an example of a change over time in the flow rate of reformed air in the reformer.
FIG. 9 is a configuration diagram of a hydrogen generator according to a second modification of the present embodiment.
FIG. 10 is a flowchart showing a method of operating the hydrogen generator according to a second modification of the present embodiment shown in FIG. 9, particularly a process of stop control.
[Explanation of symbols]
10 Hydrogen generator
11 Reformer
12 PSA device (pressure swing adsorption device)
24 catalytic combustor
25 Starting catalytic combustor
31 PSA compressor (reformed gas supply means)
33a first adsorption tower
33b second adsorption tower
33c third adsorption tower
36 Off-gas tank
40 Fuel supply device (fuel supply means)
41 Bypass channel
42 Adsorption tower bypass valve (bypass control valve)

Claims (7)

水素を含む原燃料を改質反応によって水素リッチな改質ガスに改質する改質装置と、
前記改質装置にて生成された前記改質ガスから圧力スイング吸着法によって精製水素ガスを分離精製する圧力スイング吸着装置とを備える水素発生装置であって、
前記圧力スイング吸着装置は、前記改質ガス中の水素以外の不純物を吸着する吸着塔と、前記改質装置にて生成された前記改質ガスを加圧して前記吸着塔に供給する改質ガス供給手段と、前記吸着塔にて吸着された前記不純物を前記精製水素ガス中に脱着させてなるオフガスを貯溜するオフガスタンクとを備え、
前記オフガスタンクから供給される前記オフガスを燃焼可能な燃焼触媒を具備し、前記水素発生装置の始動時に前記改質装置を暖機する始動触媒燃焼器を備えることを特徴とする水素発生装置。
A reformer for reforming a raw fuel containing hydrogen into a hydrogen-rich reformed gas by a reforming reaction;
A pressure swing adsorption device that separates and purifies purified hydrogen gas by a pressure swing adsorption method from the reformed gas generated by the reforming device,
The pressure swing adsorption apparatus includes an adsorption tower that adsorbs impurities other than hydrogen in the reformed gas, and a reformed gas that pressurizes the reformed gas generated by the reformer and supplies the reformed gas to the adsorption tower. Supply means, comprising an off-gas tank for storing an off-gas obtained by desorbing the impurities adsorbed in the adsorption tower in the purified hydrogen gas,
A hydrogen generator comprising: a combustion catalyst capable of burning the off-gas supplied from the off-gas tank; and a starting catalyst combustor for warming up the reformer when the hydrogen generator is started.
前記始動触媒燃焼器に前記燃焼触媒にて触媒燃焼可能な燃料を供給する燃料供給手段を備えることを特徴とする請求項1に記載の水素発生装置。2. The hydrogen generator according to claim 1, further comprising a fuel supply unit configured to supply a fuel that can be catalyzed by the combustion catalyst to the starting catalyst combustor. 3. 前記吸着塔を迂回して前記改質ガス供給手段と前記オフガスタンクとを接続するバイパス流路と、
該バイパス流路における前記改質ガスの流通状態を制御するバイパス制御弁とを備えることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の水素発生装置。
A bypass flow path connecting the reformed gas supply means and the off-gas tank bypassing the adsorption tower,
3. The hydrogen generator according to claim 1, further comprising a bypass control valve configured to control a flow state of the reformed gas in the bypass passage. 4.
水素を含む原燃料を改質反応によって水素リッチな改質ガスに改質する改質装置と、
前記改質ガス中の水素以外の不純物を吸着して精製水素ガスを分離精製する吸着塔および前記改質装置にて生成された前記改質ガスを加圧して前記吸着塔に供給する改質ガス供給手段および前記吸着塔にて吸着された前記不純物を前記精製水素ガス中に脱着させてなるオフガスを貯溜するオフガスタンクとを具備する圧力スイング吸着装置とを備える水素発生装置の運転方法であって、
前記水素発生装置は、前記オフガスタンクから供給される前記オフガスを燃焼可能な燃焼触媒を具備する始動触媒燃焼器を備え、
前記水素発生装置の始動時に、前記オフガスタンクに貯溜されている前記オフガスを前記始動触媒燃焼器に供給し、
前記始動触媒燃焼器での前記オフガスの燃焼により生じる燃焼熱によって前記改質装置を暖機し、
前記改質装置が所定の作動開始状態に到達した場合に前記始動触媒燃焼器への前記オフガスの供給を停止することを特徴とする水素発生装置の運転方法。
A reformer for reforming a raw fuel containing hydrogen into a hydrogen-rich reformed gas by a reforming reaction;
An adsorption tower for adsorbing impurities other than hydrogen in the reformed gas to separate and purify purified hydrogen gas, and a reformed gas supplied to the adsorption tower by pressurizing the reformed gas generated by the reformer and supplying the reformed gas to the adsorption tower A pressure swing adsorption device comprising: a supply means; and an off-gas tank for storing an off-gas obtained by desorbing the impurities adsorbed in the adsorption tower into the purified hydrogen gas. ,
The hydrogen generator includes a starting catalyst combustor including a combustion catalyst capable of burning the off-gas supplied from the off-gas tank,
At the time of starting the hydrogen generator, supplying the offgas stored in the offgas tank to the starting catalytic combustor,
Warming up the reformer by combustion heat generated by the combustion of the off-gas in the starting catalytic combustor,
A method for operating a hydrogen generator, wherein the supply of the off-gas to the starting catalytic combustor is stopped when the reformer reaches a predetermined operation start state.
水素を含む原燃料を改質触媒の改質反応によって水素リッチな改質ガスに改質する改質装置と、
前記改質ガス中の水素以外の不純物を吸着して精製水素ガスを分離精製する吸着塔および前記改質装置にて生成された前記改質ガスを加圧して前記吸着塔に供給する改質ガス供給手段および前記吸着塔にて吸着された前記不純物を前記精製水素ガス中に脱着させてなるオフガスを貯溜するオフガスタンクとを具備する圧力スイング吸着装置とを備える水素発生装置の運転方法であって、
前記水素発生装置は、前記オフガスタンクから供給される前記オフガスを燃焼可能な燃焼触媒を具備する始動触媒燃焼器と、前記始動触媒燃焼器に前記燃焼触媒にて触媒燃焼可能な燃料を供給する燃料供給手段とを備え、
前記水素発生装置の始動時に、前記オフガスタンクに貯溜されている前記オフガスを前記始動触媒燃焼に供給し、
前記始動触媒燃焼器での前記オフガスの燃焼により生じる燃焼熱によって前記改質装置を暖機し、
前記始動触媒燃焼器の前記燃焼触媒が所定の活性状態に到達した場合に前記始動触媒燃焼器への前記オフガスの供給を停止し、
前記燃料供給手段によって前記燃料を前記始動触媒燃焼器に供給し、
前記改質装置が所定の作動開始状態に到達した場合に前記始動触媒燃焼器への前記燃料の供給を停止することを特徴とする水素発生装置の運転方法。
A reformer for reforming a raw fuel containing hydrogen into a hydrogen-rich reformed gas by a reforming reaction of a reforming catalyst;
An adsorption tower for adsorbing impurities other than hydrogen in the reformed gas to separate and purify purified hydrogen gas, and a reformed gas supplied to the adsorption tower by pressurizing the reformed gas generated by the reformer and supplying the reformed gas to the adsorption tower A pressure swing adsorption device comprising: a supply means; and an off-gas tank for storing an off-gas obtained by desorbing the impurities adsorbed in the adsorption tower into the purified hydrogen gas. ,
The hydrogen generator includes a starting catalyst combustor including a combustion catalyst capable of burning the off-gas supplied from the off-gas tank, and a fuel for supplying the starting catalyst combustor with a fuel that can be catalyzed by the combustion catalyst. Supply means,
At the time of starting the hydrogen generator, supplying the offgas stored in the offgas tank to the starting catalytic combustion,
Warming up the reformer by combustion heat generated by the combustion of the off-gas in the starting catalytic combustor,
When the combustion catalyst of the starting catalyst combustor has reached a predetermined active state, stop supplying the off-gas to the starting catalyst combustor,
Supplying the fuel to the starting catalytic combustor by the fuel supply means,
A method for operating a hydrogen generator, wherein the supply of the fuel to the starting catalytic combustor is stopped when the reforming device reaches a predetermined operation start state.
前記水素発生装置の停止時に、前記圧力スイング吸着装置の作動状態に応じて変化する前記オフガスタンク内の前記オフガスの圧力が、次回の前記水素発生装置の始動時に前記改質装置を暖機するのに要する前記オフガスの量に応じた所定の圧力以上となった場合に、前記改質装置および前記圧力スイング吸着装置の作動を停止することを特徴とする請求項4または請求項5に記載の水素発生装置の運転方法。When the hydrogen generator is stopped, the pressure of the off-gas in the off-gas tank, which changes according to the operation state of the pressure swing adsorption device, warms up the reformer at the next start of the hydrogen generator. The hydrogen according to claim 4 or 5, wherein the operation of the reformer and the pressure swing adsorption device is stopped when the pressure becomes equal to or higher than a predetermined pressure corresponding to the amount of the off-gas required for the hydrogen supply. How to operate the generator. 前記水素発生装置は、前記吸着塔を迂回して前記改質ガス供給手段と前記オフガスタンクとを接続するバイパス流路と、該バイパス流路における前記改質ガスの流通状態を制御するバイパス制御弁とを備え、
前記水素発生装置の停止時に、
前記圧力スイング吸着装置の作動を停止し、
前記バイパス制御弁を開弁状態に設定して前記改質ガスを、前記吸着塔を迂回して前記改質ガス供給手段から前記オフガスタンクへ供給し、
前記オフガスタンク内の前記改質ガスを含む前記オフガスの圧力が、次回の前記水素発生装置の始動時に前記改質装置を暖機するのに要する前記改質ガスを含む前記オフガスの量に応じた所定の圧力以上となった場合に、前記バイパス制御弁を閉弁状態に設定し、
前記改質装置の作動を停止することを特徴とする請求項6に記載の水素発生装置の運転方法。
A bypass passage connecting the reformed gas supply unit and the off-gas tank bypassing the adsorption tower; and a bypass control valve controlling a flow state of the reformed gas in the bypass passage. With
When the hydrogen generator is stopped,
Stop the operation of the pressure swing adsorption device,
Setting the bypass control valve to an open state, supplying the reformed gas to the off-gas tank from the reformed gas supply means bypassing the adsorption tower,
The pressure of the off-gas containing the reformed gas in the off-gas tank was dependent on the amount of the off-gas containing the reformed gas required to warm up the reformer at the next start of the hydrogen generator. When the pressure is equal to or higher than a predetermined pressure, the bypass control valve is set to a closed state,
The operation method of the hydrogen generator according to claim 6, wherein the operation of the reformer is stopped.
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008056579A1 (en) * 2006-11-08 2008-05-15 Sumitomo Seika Chemicals Co., Ltd. Hydrogen gas separation method and separation apparatus
JP2008520524A (en) * 2004-11-16 2008-06-19 レール・リキード−ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード Method and apparatus for combined hydrogen and carbon dioxide production
JP2008524107A (en) * 2004-12-17 2008-07-10 テキサコ ディベラップメント コーポレイション Apparatus and method for hydrogen production
JP2008524106A (en) * 2004-12-17 2008-07-10 テキサコ ディベラップメント コーポレイション Apparatus and method for producing hydrogen
US20090104084A1 (en) * 2006-05-11 2009-04-23 Sumitomo Seika Chemicals Co. Ltd Hydrogen production system and method of controlling flow rate of offgas in the system
JP2014047085A (en) * 2012-08-29 2014-03-17 Osaka Gas Co Ltd Hydrogen production apparatus
JP2019151537A (en) * 2018-03-06 2019-09-12 東京瓦斯株式会社 Hydrogen production device
JP2020090411A (en) * 2018-12-04 2020-06-11 東京瓦斯株式会社 Hydrogen production apparatus, hydrogen production method, re-use control program

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008520524A (en) * 2004-11-16 2008-06-19 レール・リキード−ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード Method and apparatus for combined hydrogen and carbon dioxide production
JP2008524107A (en) * 2004-12-17 2008-07-10 テキサコ ディベラップメント コーポレイション Apparatus and method for hydrogen production
JP2008524106A (en) * 2004-12-17 2008-07-10 テキサコ ディベラップメント コーポレイション Apparatus and method for producing hydrogen
US20090104084A1 (en) * 2006-05-11 2009-04-23 Sumitomo Seika Chemicals Co. Ltd Hydrogen production system and method of controlling flow rate of offgas in the system
US8298305B2 (en) * 2006-05-11 2012-10-30 Sumitomo Seika Chemicals Co., Ltd. Hydrogen production system and method of controlling flow rate of offgas in the system
US8480770B2 (en) 2006-05-11 2013-07-09 Sumitomo Seika Chemicals Co., Ltd. Hydrogen production system and method of controlling flow rate of offgas in the system
WO2008056579A1 (en) * 2006-11-08 2008-05-15 Sumitomo Seika Chemicals Co., Ltd. Hydrogen gas separation method and separation apparatus
JPWO2008056579A1 (en) * 2006-11-08 2010-02-25 住友精化株式会社 Method and apparatus for separating hydrogen gas
JP2014047085A (en) * 2012-08-29 2014-03-17 Osaka Gas Co Ltd Hydrogen production apparatus
JP2019151537A (en) * 2018-03-06 2019-09-12 東京瓦斯株式会社 Hydrogen production device
JP2020090411A (en) * 2018-12-04 2020-06-11 東京瓦斯株式会社 Hydrogen production apparatus, hydrogen production method, re-use control program

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