JP2005162581A - Hydrogen refining unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素生成装置に関する。さらに詳しくは、改質反応により生成した水素リッチガス中のCO(一酸化炭素)を除去し、燃料電池等の燃料に用いられる水素を生成する装置に関する。 The present invention relates to a hydrogen generator. More specifically, the present invention relates to an apparatus that removes CO (carbon monoxide) in a hydrogen-rich gas produced by a reforming reaction and produces hydrogen used for fuel such as a fuel cell.
エネルギーを有効に利用する分散型発電装置として、発電効率および総合効率の高い燃料電池コージェネレーションシステムが注目されている。 A fuel cell cogeneration system with high power generation efficiency and high overall efficiency has attracted attention as a distributed power generator that effectively uses energy.
燃料電池の多く、たとえば実用化されているリン酸型燃料電池や、開発が進められている固体高分子型燃料電池は、水素をもとにして発電する。しかし、水素はインフラとして整備されていないため、システムの設置場所で生成させる必要がある。 Many fuel cells, such as phosphoric acid fuel cells that have been put to practical use and solid polymer fuel cells that are being developed, generate power based on hydrogen. However, since hydrogen is not provided as infrastructure, it must be generated at the site where the system is installed.
水素を発生させるには、メタン、プロパン、ガソリン、灯油等の炭化水素系燃料、メタノール等のアルコール系燃料またはジメチルエーテル等のエーテル系燃料に代表される少なくとも水素及び炭素から構成される有機化合物を含む原料を水蒸気と混合し、加熱した改質触媒に接触させることで行っている。通常、炭化水素系燃料は500〜800℃程度、アルコール系やエーテル系燃料は200〜400℃程度の温度で改質される。 In order to generate hydrogen, it contains an organic compound composed of at least hydrogen and carbon typified by hydrocarbon fuels such as methane, propane, gasoline, kerosene, alcohol fuels such as methanol, or ether fuels such as dimethyl ether. This is done by mixing the raw material with water vapor and bringing it into contact with a heated reforming catalyst. Usually, hydrocarbon fuel is reformed at a temperature of about 500 to 800 ° C., and alcohol fuel and ether fuel are reformed at a temperature of about 200 to 400 ° C.
改質の際にはCOが発生し、高温で改質を行うほど発生するCOの濃度は上昇する。特に炭化水素系燃料を用いる場合には、CO濃度が10体積%(ドライガスベース)前後となる。そこでCOと水蒸気とを接触させて水性ガスシフト反応を進行させる変成触媒を収めている変成部を設けることにより、数千ppm〜数体積%程度にCO濃度を低減させている。 During reforming, CO is generated, and the concentration of generated CO increases as reforming is performed at a higher temperature. In particular, when a hydrocarbon fuel is used, the CO concentration is around 10% by volume (dry gas base). Therefore, the CO concentration is reduced to about several thousand ppm to several volume% by providing a shift portion containing a shift catalyst that causes CO and water vapor to contact each other to advance the water gas shift reaction.
さらに、車載用や家庭用として用いられる固体高分子型燃料電池のように、100℃以下の低温で作動する燃料電池の場合には、電極に用いられているPt(白金)触媒が水素リッチガスに含まれているCOによって被毒されるため、改質ガスを燃料電池に供給する前にCO濃度を100ppm以下、好ましくは10ppm以下に除去しておく必要がある。 Furthermore, in the case of a fuel cell that operates at a low temperature of 100 ° C. or less, such as a polymer electrolyte fuel cell used for in-vehicle use or home use, the Pt (platinum) catalyst used for the electrode is replaced with hydrogen-rich gas. Since it is poisoned by the contained CO, it is necessary to remove the CO concentration to 100 ppm or less, preferably 10 ppm or less before supplying the reformed gas to the fuel cell.
改質ガス中のCO濃度を100ppm以下に低減するためには、変成部後に浄化触媒を充填した浄化部を設け、微量の空気を加えてCOを酸化することにより低減する構成をとることが多い。 In order to reduce the CO concentration in the reformed gas to 100 ppm or less, a purification unit filled with a purification catalyst is provided after the shift unit, and a configuration is often adopted in which a small amount of air is added to oxidize CO. .
また、空気を加えて酸化する際には、反応による発熱により改質ガス温度上昇を伴い、供給した空気中の酸素が改質ガス中の水素の酸化が促進され、生成水素量を減少させないように、ガラスビーズ、セラミック粒子などの酸化反応に寄与しない不活性物質を混合させて反応による熱を逃がす構成をとることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In addition, when oxidizing by adding air, the reformed gas temperature rises due to the heat generated by the reaction, so that oxygen in the supplied air is promoted to oxidize hydrogen in the reformed gas, so that the amount of generated hydrogen is not reduced. In addition, it has been proposed that an inert substance that does not contribute to the oxidation reaction, such as glass beads and ceramic particles, is mixed to release heat from the reaction (see, for example, Patent Document 1).
また、上記特許文献1記載の発明と同様の目的で、通気開口部を設けることによって、改質ガスと空気が上流領域での浄化触媒を通過せずに下流領域の浄化触媒へ向かうようにするという提案もされている(例えば、特許文献2参照)。
しかし、しかし、単に、混合するだけでは特に下流領域での浄化触媒量が改質ガス流量に対して少なくなってしまうなど制御できないこともあるため、COを確実に低減できないこともあった。 However, simply by mixing, the amount of the purification catalyst particularly in the downstream region may be uncontrollable because it may be less than the reformed gas flow rate, and CO may not be reliably reduced.
また、特許文献2記載の方法は、浄化部の多様な構成に対して応用性がなく、かつ改質ガスと空気の混合が進行しにくいという課題があった。
In addition, the method described in
上記課題を解決するために、本発明の水素精製装置は、酸化ガスを用いて、改質ガス中のCOを酸化する浄化触媒を充填した浄化部を有し、酸化反応に対して活性のない不活性物質と浄化触媒とを混合させて前記浄化部に充填し、改質ガスが前記浄化部内を通過する方向の上流領域から下流領域に向かうに従って改質ガスと浄化触媒との接触面積を増加させるように浄化部を構成する。 In order to solve the above-mentioned problems, the hydrogen purifier of the present invention has a purifying section filled with a purifying catalyst that oxidizes CO in the reformed gas using an oxidizing gas, and is inactive against the oxidation reaction. An inert substance and a purification catalyst are mixed and filled in the purification unit, and the contact area between the reformed gas and the purification catalyst increases as the reformed gas moves from the upstream region to the downstream region in the direction of passing through the purification unit. The purification unit is configured so that
本構成によって、浄化部出口の改質ガス中のCO濃度を低減することがより確実になる。 With this configuration, it is more reliable to reduce the CO concentration in the reformed gas at the purification section outlet.
以上のように、本発明の水素精製装置によれば、浄化部の下流領域にまで供給した空気中の酸素を行き届かせることができるため、浄化部出口において改質ガス中のCOを100ppm以下にまで低減することがより確実になる。 As described above, according to the hydrogen purification apparatus of the present invention, since oxygen in the air supplied to the downstream region of the purification unit can be reached, CO in the reformed gas at the outlet of the purification unit is 100 ppm or less. It becomes more reliable to reduce to.
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態における水素精製装置の構成図である。図1において改質部1は、天然ガス、都市ガス、プロパン等の炭化水素系、メタノール等のアルコール系またはエーテル系などに代表される少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む燃料と水蒸気や空気とを反応させて、水素リッチな改質ガスを生成する改質触媒(図示せず)を収めている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram of a hydrogen purification apparatus according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the reforming
変成部2は、改質ガス中のCOと水蒸気の水性ガスシフト反応を進行させる変成触媒(図示せず)を収めている。
The
浄化部3は、空気供給部4によって変成部2を通過した改質ガス中に供給した空気中の酸素と改質ガス中のCOとを酸化反応させる浄化触媒5を充填している。また、改質ガス中のCOに対して反応性のない不活性物質として、アルミナ球6を浄化触媒5と混合して充填しており、改質ガスが浄化部3を通過する方向の上流領域には浄化触媒5の充填比率を低くし、下流領域へ向かうに従って充填比率を高くするように充填している。
The
また本実施の形態においての浄化触媒5は球状のアルミナ担体にPtを担持したPt/アルミナ触媒を用いた。
In the present embodiment, the
かかる構成によれば、変成部2を通過した後の改質ガス中のCO濃度は数千ppmから数%程度になる。
According to such a configuration, the CO concentration in the reformed gas after passing through the
変成部2を通過した後の改質ガス中に空気供給部4から空気を供給することによって、浄化触媒5の表面において空気中の酸素が改質ガス中のCOを酸化し、COを低減することができる。
By supplying air from the
しかし、改質ガスが通過する方向の上流領域においては、浄化触媒4の充填比率が低いため、アルミナ球6の表面を通過する空気中の酸素は改質ガスのCOおよび水素を酸化せずに下流領域へと向かう。
However, in the upstream region in the direction in which the reformed gas passes, since the filling ratio of the
下流領域においては、浄化触媒5の充填比率が高いため、改質ガス中に残存していたCOは上流領域を通過してきた酸素と確実に反応することができ、浄化部3出口での改質ガス中のCO濃度を100ppm以下に低減することができる。
In the downstream region, since the filling ratio of the
なお、浄化部3の上流領域において、供給した空気中の酸素がすべてCOおよび水素の酸化反応によって消費しないため、特に上流領域に存在している浄化触媒5の酸化反応回数を少なくすることができ、浄化触媒5の耐久性を向上させ、COに対する選択酸化性を維持できる効果もある。
In the upstream region of the
また、浄化触媒5とアルミナ球6を充填することで引き起こした改質ガスの流れの乱れが、改質ガス中のCOと酸素との混合を促進するため、COをさらに効果的に酸化することができる。
Further, the disturbance of the flow of the reformed gas caused by filling the
また、図1に示すように上流を混合層、最下流を100%浄化触媒とすることが好ましい。これは、浄化触媒上流で確実に発熱が防止され、下流においては一酸化炭素選択酸化反応の反応性向上に繋がるからである。 Further, as shown in FIG. 1, it is preferable that the upstream is a mixed layer and the most downstream is a 100% purification catalyst. This is because heat generation is reliably prevented upstream of the purification catalyst, and downstream, which leads to improved reactivity of the carbon monoxide selective oxidation reaction.
なお、本実施の形態において、浄化触媒5としてPt/アルミナ触媒を用いたが、他の貴金属または金属を担持することによって調製した触媒、また2種類以上の貴金属、金属を混合または合金化して担持することによって調製した触媒を使用してもよい。また、他の金属酸化物担体を用いて調製した触媒を使用してもよい。
In this embodiment, a Pt / alumina catalyst is used as the
なお、本実施の形態において、不活性物質としてアルミナ球を用いたが、例えばシリカなどのような酸化反応に対して反応性のない物質を用いても同様の効果が得られる。 In this embodiment, alumina spheres are used as the inert substance, but the same effect can be obtained by using a substance that is not reactive to an oxidation reaction such as silica.
なお、本実施の形態において、浄化触媒5およびアルミナ球6は球状のものを用いたが形状に制約はない。
In this embodiment, the
(実施の形態2)
図2は本実施の形態における構成図である。図2において、図1と同じ構成要素においては同じ符号を用い、説明を省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a configuration diagram in the present embodiment. In FIG. 2, the same components as those in FIG.
図2において、浄化部11は浄化触媒5を充填している。
In FIG. 2, the
浄化部11は、改質ガスが通過する上流領域において流路断面積を狭くし、下流領域に向かうに従って流路断面積が拡がっていく形状となる構成をとっており、浄化部11を通過する改質ガスが浄化触媒5に接触する流れ方向の速度は、上流領域から下流領域に向かうに従って減少していく。
The
かかる構成によれば、浄化部11の上流領域においては浄化触媒5と改質ガスとの接触速度が速いため、供給した空気中の酸素はCOを酸化することに優先され、改質ガス中の水素を酸化することに使用されにくい。そのため、上流領域において供給した空気中のすべての酸素を消費することなく浄化部11の下流領域にまで酸素を行き届かせることができる。
According to such a configuration, since the contact speed between the
浄化部11の下流領域においては浄化触媒5と改質ガスとの接触速度が遅いため、浄化部11の上流領域を通過してきた酸素が改質ガス中に残存していたCOを確実に酸化することができ、浄化部11出口において改質ガス中のCO濃度を100ppm以下にまで低減することをより確実にできる。
Since the contact speed between the
なお、浄化部11の上流領域において、供給した空気中の酸素がすべてCOおよび水素の酸化反応によって消費しないため、浄化触媒5の耐久性を向上させ、COに対する選択酸化性を維持できる効果もある。
In the upstream region of the
なお、本実施の形態においても浄化触媒5としてPt/アルミナ触媒を用いたが、他の貴金属または金属を担持することによって調製した触媒、また2種類以上の貴金属、金属を混合または合金化して担持することによって調製した触媒を使用してもよい。また、他の金属酸化物担体を用いて調製した触媒を使用してもよい。
In this embodiment, a Pt / alumina catalyst is used as the
なお、浄化部11には、実施の形態1と同様に、アルミナ球に代表されるCOの酸化反応に対して反応性のない不活性物質と浄化触媒5を混合して充填することで更に上記のCOの低減効果が向上する。
As in the first embodiment, the
(実施の形態3)
図3は本実施の形態における構成図である。図3において、図1および図3と同じ構成要素においては同じ符号を用い、説明を省略する。
(Embodiment 3)
FIG. 3 is a configuration diagram in the present embodiment. 3, the same components as those in FIGS. 1 and 3 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
図3において、浄化部21には、改質ガスが通過する方向の上流領域の流路断面積を狭くし、下流領域に向かうに従って流路断面積が拡がるように、円錐状の妨害部22を設けて、妨害部22の周囲を取り囲むように浄化触媒5を充填している。
In FIG. 3, the
かかる構成によれば、浄化部21の上流領域においては改質ガスが通過する流路の断面積が小さいため、浄化触媒5と改質ガスとの接触速度が速くなる。そのため、供給した空気中の酸素はCOを酸化することに優先的に使用され、改質ガス中の水素を酸化することに使用されにくい。その結果、上流領域において供給したすべての酸素を消費することなく浄化部21の下流領域にまで酸素を行き届かせることができる。
According to such a configuration, since the cross-sectional area of the flow path through which the reformed gas passes is small in the upstream region of the
浄化部21の下流領域においては浄化触媒5と改質ガスとの接触速度が遅いため、浄化部21の上流領域を通過してきた酸素が改質ガス中に残存していたCOを確実に酸化することができ、浄化部21出口において改質ガス中のCO濃度を100ppm以下にまで低減することがより確実になる。
Since the contact speed between the
なお、浄化部21の上流領域において、供給した空気中の酸素がすべてCOおよび水素の酸化反応に寄与しないため、浄化触媒5の耐久寿命を向上させる効果もある。
In the upstream region of the
なお、本実施の形態においても浄化触媒5としてPt/アルミナ触媒を用いたが、他の貴金属または金属を担持することによって調製した触媒、また2種類以上の貴金属、金属を混合または合金化して担持することによって調製した触媒を使用してもよい。また、他の金属酸化物担体を用いて調製した触媒を使用してもよい。
In this embodiment, a Pt / alumina catalyst is used as the
なお、浄化部21には、実施の形態1および2と同様に、アルミナ球に代表される酸化反応に対して反応性のない不活性物質と浄化触媒5を混合して充填することで更にCO低減効果があり、触媒の耐久性も向上する。
As in the first and second embodiments, the
なお、妨害部22は、円錐状に限らず、浄化部21の上流領域の流路断面積を狭くし、下流領域に向かうに従って流路断面積が拡がる等、改質ガスと浄化触媒5の接触速度が下流領域に向かうに従って減少するような構成であれば構わない。
The obstructing
また、実施の形態2で述べた浄化部11内部に、妨害部22を設けて上流領域の流路断面積を狭くし、下流領域に向かうに従って流路断面積が拡がるようにしても構わない。
Further, the blocking
(実施の形態4)
図4は本実施の形態における構成図である。図4において、図1と同じ構成要素においては同じ符号を用い、説明を省略する。
(Embodiment 4)
FIG. 4 is a configuration diagram in the present embodiment. 4, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
図4において、金属酸化物36は改質ガスと接触すると酸素を改質ガス中に放出する物質であり、浄化触媒5とともに浄化部3内部に充填している。
In FIG. 4, a
本実施の形態においては、金属酸化物36は球状のセリアを用いた。
In the present embodiment, spherical ceria is used as the
金属酸化物36として用いたセリアは改質ガス中の水素によって以下の(化1)のように還元されて酸素を改質ガス中に放出する。
The ceria used as the
特に、改質ガス中に供給した酸素量が少なくなったときに、酸素を放出しやすい。 In particular, when the amount of oxygen supplied into the reformed gas decreases, oxygen is easily released.
水素精製装置によって発生する水素量を増加させるときなどには、浄化部3に供給する改質ガス流量を増加させる。そのとき改質ガス中においてCOに対しての酸素量が小さくなり、浄化部3出口において改質ガス中のCO濃度を100ppm以下にまで低減できなくなるときがある。
When the amount of hydrogen generated by the hydrogen purifier is increased, the flow rate of the reformed gas supplied to the
しかし、酸素量が少なくなったときには、金属酸化物36が改質ガス中の水素によって還元され酸素を放出し、放出された酸素は空気供給部4から供給した空気中の酸素と同様に浄化触媒5表面でCOを酸化する。このため、改質ガス流量を増加させたときでも、確実に浄化部3出口において改質ガス中のCO濃度を100ppm以下にまで低減させることができる。
However, when the amount of oxygen decreases, the
なお、改質ガス中において酸素量とCO量との比率が高くなったときには、還元されていた金属酸化物36は以下の(化2)のように酸化されて、再び酸素を放出できる状態になる。
When the ratio of the amount of oxygen to the amount of CO in the reformed gas becomes high, the reduced
なお本実施の形態においては、金属酸化物36としてセリアを使用したが、酸化鉄、マグネシアのような改質ガス中で自身が酸化還元反応をし、改質ガス中に酸素を放出する物質であれば構わない。
In the present embodiment, ceria is used as the
なお、金属酸化物36は球状でなくても構わない。
The
以上のように、本発明の水素精製装置は、浄化部出口においる改質ガス中のCOを100ppm以下にまで低減することがより確実になるという効果を有し、本水素精製装置から供給される水素を使用する燃料電池システムに有用である。 As described above, the hydrogen purifier of the present invention has the effect of more reliably reducing CO in the reformed gas at the outlet of the purifier to 100 ppm or less, and is supplied from the hydrogen purifier. It is useful for a fuel cell system using hydrogen.
1 改質部
2 変成部
3 浄化部
4 空気供給部
5 浄化触媒
6 アルミナ球
11 浄化部
21 浄化部
22 妨害部
36 金属酸化物
DESCRIPTION OF
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003407204A JP2005162581A (en) | 2003-12-05 | 2003-12-05 | Hydrogen refining unit |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003407204A JP2005162581A (en) | 2003-12-05 | 2003-12-05 | Hydrogen refining unit |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005162581A true JP2005162581A (en) | 2005-06-23 |
Family
ID=34729320
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003407204A Withdrawn JP2005162581A (en) | 2003-12-05 | 2003-12-05 | Hydrogen refining unit |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2005162581A (en) |
-
2003
- 2003-12-05 JP JP2003407204A patent/JP2005162581A/en not_active Withdrawn
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