JP2006076850A - 改質装置および方法ならびに燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 水素製造用原料と水蒸気を混合し、その混合物を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを得る改質装置において、水素製造用原料と水蒸気とを混合する混合手段;混合手段の下流に配された、水素製造用原料と水蒸気との混合を促進する混合促進手段;及び混合促進手段により混合が促進された混合物を改質触媒の存在下に改質する改質器を有する。水素製造用原料と水蒸気を混合し、その混合物を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを得る改質方法において、水素製造用原料と水蒸気とを混合する混合工程;
混合工程の後に、水素製造用原料と水蒸気との混合を促進する混合促進工程;及び混合促進工程で混合が促進された混合物を改質触媒の存在下に改質する改質工程を有する。上記改質装置を有する燃料電池システム。
【選択図】 図1
Description
水素製造用原料と水蒸気とを混合する混合手段;
該混合手段の下流に配された、水素製造用原料と水蒸気との混合を促進する混合促進手段;および
該混合促進手段により混合が促進された混合物を改質触媒の存在下に改質する改質器
を有する改質装置が提供される。
前記加熱手段が、該燃焼手段の燃焼ガスが流れる流路内に配され、該燃焼ガスによって水素製造用原料と水蒸気との混合物を加熱する熱交換手段であることが好ましい。
水素製造用原料と水蒸気とを混合する混合工程;
該混合工程の後に、水素製造用原料と水蒸気との混合を促進する混合促進工程;および
該混合促進工程で混合が促進された混合物を改質触媒の存在下に改質する改質工程
を有する改質方法が提供される。
前記熱交換に用いる授熱流体として300℃以上700℃以下の該燃焼の燃焼ガスを用いることが好ましい。
上記の改質装置である燃料電池システムが提供される。
水素製造の原料としては、水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを得ることのできる物質であれば使用できる。例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。また、25℃、0.101MPaで液体であり、分子中に炭素と水素を有する化合物を含み、水蒸気改質反応により水素を生成しうる有機化合物である炭化水素油を用いることができる。
本発明の改質装置は、燃料電池システムにおいて好適に用いることができる。改質器で得られた改質ガスを、他の反応器を経ずに燃料電池の燃料として利用することも可能である。しかし、例えば燃料電池が固体高分子形である場合、通例、改質ガス中のCO濃度を低減するためにCO変成器や選択酸化器などを設ける。以下、このような場合を例にして、本発明についてさらに詳細に説明する。なお、以下の説明において、改質器に加えてCO変成器および選択酸化器を有する装置を水素製造装置と称する。
鉛直円柱状の領域である第1領域と、第1領域の外周側に位置し第1領域と同心の環状領域である第2領域と、第2領域の外周側に位置し第1領域と同心の環状領域である第3領域と、第3領域の外周側に位置し第1領域と同心の環状領域である第4領域とを有し、
第1領域に前記バーナーを有し、
第2領域に前記改質管を有し、
第3領域に前記スチーム発生器を有し、
第4領域に前記CO変成器および選択酸化器を有する。かつ、この水素製造装置は、スチーム発生器で発生させた水蒸気と、炭化水素油とを混合する混合手段と、混合手段で得られた混合物の混合を促進する混合促進手段を有する。
前記改質管、スチーム発生器、CO変成器および選択酸化器を加熱した燃焼ガスにより、脱硫器を加熱するための流路を有することができる。
燃料電池のアノードオフガスを燃焼触媒に導くラインを有する形態がある。
硫黄は水蒸気改質触媒を不活性化させる作用があるため、水蒸気改質反応器に供給される炭化水素油中の硫黄濃度はなるべく低いことが好ましい。好ましくは50質量ppm以下、より好ましくは20質量ppm以下である。このため、必要であれば水蒸気改質の前に炭化水素油を脱硫することができる。水素製造装置に供給する前に予め脱硫された炭化水素油を用いても良いし、水素製造装置内に脱硫器を設けても良い。脱硫器を設ける場合、脱硫器に供給する炭化水素油は、脱硫器において例えば上記硫黄濃度まで脱硫できるものを適宜使用することができる。
水蒸気改質反応を行う改質管では、炭化水素油と水が反応して一酸化炭素と水素が得られる。この反応は大きな吸熱を伴うため、外部からの加熱が必要である。このため、水素製造装置にはバーナーが設けられ、燃焼熱により、改質管を外部から加熱する。
バーナーの燃焼のために供給される燃料としては、可燃物を適宜用いることができる。例えば、水素製造の原料として用いる炭化水素油を燃焼用に用いることが、水素製造装置あるいはその付帯設備の簡素化の観点から好ましい。また、水素製造装置を燃料電池システムに用いる場合には、燃料電池のアノード(燃料極)から排出されるアノードオフガスを用いることが、エネルギー効率の観点から好ましい。
改質管で発生する改質ガスは水素の他に一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水蒸気を含む。水素濃度を高めるため、また一酸化炭素は触媒毒となることもあるので一酸化炭素濃度を低減するため、一酸化炭素を水と反応させ水素と二酸化炭素に転換するのがCO変成器である。Fe−Crの混合酸化物、Zn−Cuの混合酸化物、白金、ルテニウム、イリジウムなど貴金属を含有する触媒を用い、一酸化炭素含有量(ドライベースのモル%)を好ましくは2%以下、より好ましくは1%以下、さらに好ましくは0.5%以下までに落とすことができる。
高温CO変成器には、300〜500℃でシフト反応活性を有する触媒である高温CO変成触媒を用いることができる。
低温CO変成器には、100〜300℃でシフト反応活性を有する触媒である低温CO変成触媒を用いることができる。
例えば固体高分子形燃料電池システムでは、さらに一酸化炭素濃度を低減させることが好ましく、このためにCO変成器の出口ガスを選択酸化器で処理することができる。選択酸化器ではCOが選択的に酸化されて二酸化炭素となる。
水蒸気改質に必要な水蒸気を供給するために、水素製造装置は水蒸発器(スチーム発生器)を備える。また、安定運転の観点から、水蒸発器は発生した水蒸気を過熱するスーパーヒート部を有することが好ましい。
図2には、水素製造装置の概略を模式的に示す。水素製造装置は4つの領域を有する。第1領域1は鉛直に配置される円柱状の領域であり、第2領域2はその外周に配される環状の領域であり、第3領域3はさらにその外周に配される環状の領域であり、第4領域4はさらにその外周に配される環状の領域である。
上記水素製造装置の一形態につき、図3に垂直断面を模式的に、また図4に模式的水平断面を示す。なお以降の各図は説明のための図であって、必ずしも厳密に装置を表すものではない。この形態では、第1から第3領域までが一つの円筒状容器101内に隣接して形成され、第4領域は独立した環状の容器102に形成され、第3領域と第4領域とを接続する接続部103を有する。全ての領域の中心軸は一致する。
図5に、上記水素製造装置の別の形態を示す。この形態は、改質器部分である第2領域に燃焼触媒層25を有し、またこの燃焼触媒に燃料電池のアノードオフガスを供給するアノードオフガス供給管26を有する。バーナーは炭化水素油を燃焼させるだけでよく、混焼バーナーである必要はない。酸素が残留するバーナーの燃焼ガスと、アノードオフガスが燃焼触媒によって燃焼し、その燃焼ガスが第2領域に供給される。燃焼触媒層はバーナーの燃焼ガスが全て燃焼触媒層を通るように設けることができる。例えば、改質管21の周りに、バーナーの燃焼ガス流路断面全域に設けることができる。
上述の水素製造装置と、この水素製造装置から得られる水素含有ガスを燃料極供給ガスとして用いる燃料電池とを備える燃料電池システムには、カソードに空気等の酸素含有ガスを供給する手段、燃料電池から電気を取り出すための手段、計装制御機器など、従来から燃料電池システムに備わる機器等として公知の機器等を適宜設けることができる。
2 第2領域
3 第3領域
4 第4領域
11 バーナー
12 火炎
13 燃焼筒
14 開口
15 断熱材
21 改質管
21a 改質触媒層
22 原料ガスマニホールド
23 隔壁
24 連通部
25 燃焼触媒層
26 アノードオフガス供給管
31 水蒸発器
32 原料ガス予熱器
33 燃焼ガス排出口
34 水供給管
35 スチーム供給管
36 改質ガスマニホールド
41 高温CO変成器
41a 高温CO変成触媒層
42 改質ガス冷却器
43 低温CO変成器
44 第1の改質ガス空気混合器
45 第1の選択酸化器
46 第2の改質ガス空気混合器
47 第2の選択酸化器
48 冷却管
49a、b スチームマニホールド
50 水素含有ガス取り出し口
51 混合器
101 第1から第3領域までを収める円筒状容器
102 第4領域を独立して収める環状容器
103 接続部
110 断熱材
120 混合促進手段
1001 混合手段
1002 混合促進手段
1003 改質器
1003a バーナー
1003b 反応管
1004 熱交換手段
Claims (14)
- 水素製造用原料と水蒸気を混合し、該混合物を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを得る改質装置において、
水素製造用原料と水蒸気とを混合する混合手段;
該混合手段の下流に配された、水素製造用原料と水蒸気との混合を促進する混合促進手段;および
該混合促進手段により混合が促進された混合物を改質触媒の存在下に改質する改質器
を有する改質装置。 - 前記混合促進手段が、管状部材の内部に邪魔板が配された構造を有する請求項1記載の改質装置。
- 前記混合手段の流路断面積が、混合促進手段の流路断面積の1.5倍以上3倍以下である請求項1または2記載の改質装置。
- さらに、前記混合促進手段の下流に、かつ、改質触媒の上流に、水素製造用原料と水蒸気との混合物を加熱するための加熱手段を有する請求項1〜3の何れか一項記載の改質装置。
- 前記改質器が水蒸気改質に必要な熱を発生するための燃焼手段を有し、
前記加熱手段が、該燃焼手段の燃焼ガスが流れる流路内に配され、該燃焼ガスによって水素製造用原料と水蒸気との混合物を加熱する熱交換手段である請求項4記載の改質装置。 - 前記熱交換手段が、管がコイル状に巻かれた構造または複数の直管が並列に接続された構造を有する請求項5記載の改質装置。
- 水素製造用原料と水蒸気を混合し、該混合物を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを得る改質方法において、
水素製造用原料と水蒸気とを混合する混合工程;
該混合工程の後に、水素製造用原料と水蒸気との混合を促進する混合促進工程;および
該混合促進工程で混合が促進された混合物を改質触媒の存在下に改質する改質工程
を有する改質方法。 - 前記混合工程において混合する水素製造用原料の温度を300℃以下とし、水蒸気の温度を100℃以上とする請求項7記載の改質方法。
- さらに、前記混合促進工程の後、改質工程の前に、水素製造用原料と水蒸気との混合物を熱交換によって加熱する加熱工程を有する請求項7または8記載の改質方法。
- 前記加熱工程において、熱交換によって加熱される混合物の滞留時間を0.1秒以上とする請求項9記載の改質方法。
- 前記加熱工程において、熱交換によって加熱される混合物の線速度を10m/s以上とする請求項9または10記載の改質方法。
- 前記加熱工程において、前記混合物を300℃以上600℃以下に加熱する請求項9〜11の何れか一項記載の改質方法。
- 前記改質工程において水蒸気改質に必要な熱を発生させるために燃焼を行い、
前記熱交換に用いる授熱流体として300℃以上700℃以下の該燃焼の燃焼ガスを用いる請求項9〜12の何れか一項記載の改質方法。 - 水素製造用原料と水蒸気を混合し、該混合物を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを得る改質装置と、該改質ガスを燃料とする燃料電池とを有する燃料電池システムにおいて、
該改質装置が請求項1〜6の何れか一項記載の改質装置である燃料電池システム。
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