JP2006277980A - Desulfurization method of fuel for fuel cell - Google Patents

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Takeji Takekoshi
岳二 竹越
Takashi Katsuno
尚 勝野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a desulfurization method by which sulfur content of a fuel for fuel cell can be removed efficiently up to extremely low concentration with a minimum amount of desulfurizing agent and leaking of a sulfur compound to the downstream side can be controlled even if there were temporary fluctuations in the impurities and sulfur content concentration of this fuel, a method of reforming the fuel for fuel cell desulfurized by this desulfurization method and producing hydrogen for fuel cell, and a fuel cell system using the hydrogen produced by this method. <P>SOLUTION: This is a method of desulfurizing fuel cell fuel using a desulfurizing device installed in a fuel cell system and equipped with a front desulfurizer and a rear desulfurizer. The desulfurizing agent in the front desulfurizer is replaced periodically and the desulfurizing agent in the rear desulfurizer is used semi-permanently. A method of reforming the fuel cell fuel desulfurized by this desulfurization method and producing hydrogen for fuel cell is provided, and a fuel cell system to use the hydrogen produced by this method is also provided. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用燃料の脱硫方法、燃料電池用水素の製造方法及び燃料電池システムに関し、詳しくは、最小限量の脱硫剤で燃料電池用燃料の硫黄分を極めて低濃度まで効率よく除去し得ると共に、この燃料の一時的な不純物や硫黄分濃度の変動においても、後流側への硫黄化合物の漏れ出しを制御することができる脱硫方法、この脱硫方法で脱硫された燃料電池用燃料を改質処理し、燃料電池用水素を製造する方法、及びこの方法により製造された水素を用いる燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell fuel desulfurization method, a fuel cell hydrogen production method, and a fuel cell system. More specifically, the present invention relates to a fuel cell fuel desulfurization agent that efficiently removes sulfur content of a fuel cell fuel to a very low concentration. In addition, a desulfurization method capable of controlling the leakage of sulfur compounds to the downstream side even in the case of temporary impurity and sulfur concentration fluctuations of the fuel, and a fuel cell fuel desulfurized by this desulfurization method The present invention relates to a method for producing hydrogen for a fuel cell by reforming, and a fuel cell system using hydrogen produced by this method.

近年、環境問題から新エネルギー技術が脚光を浴びており、この新エネルギー技術の一つとして燃料電池が注目されている。この燃料電池は、水素と酸素を電気化学的に反応させることにより、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するものであって、エネルギーの利用効率が高いという特徴を有しており、民生用、産業用あるいは自動車用などとして、実用化研究が積極的になされている。この燃料電池には、使用する電解質の種類に応じて、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、固体高分子型などのタイプが知られている。一方、水素源としては、メタノール、メタンを主体とする液化天然ガス、この天然ガスを主成分とする都市ガス、天然ガスを原料とする合成液体燃料、液化石油ガス、さらには石油系のナフサや灯油などの炭化水素油の使用が研究されている。   In recent years, new energy technology has attracted attention due to environmental problems, and fuel cells are attracting attention as one of the new energy technologies. This fuel cell converts chemical energy into electrical energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen, and has a feature of high energy use efficiency. Alternatively, research into practical use is actively conducted for automobiles and the like. For this fuel cell, types such as a phosphoric acid type, a molten carbonate type, a solid oxide type, and a solid polymer type are known depending on the type of electrolyte used. On the other hand, as a hydrogen source, liquefied natural gas mainly composed of methanol and methane, city gas mainly composed of this natural gas, synthetic liquid fuel using liquefied natural gas, liquefied petroleum gas, and petroleum-based naphtha The use of kerosene and other hydrocarbon oils has been studied.

燃料電池発電システムに用いられる炭化水素系燃料には、通常、2〜50質量ppm程度の硫黄化合物が不純物として存在している。この硫黄化合物は、燃料電池用水素の製造で用いる改質器に充填される触媒や燃料電池セルで用いる触媒にとって、触媒毒となることから、取り除く必要がある。このため、この改質器の上流には、一般に、燃料中の硫黄化合物を除去するための脱硫器が設置されている。家庭用及び業務用の燃料電池システムで用いる液化石油ガス燃料としては、硫黄種、オレフィン及びメタノールなどの不純物含有量がある程度一定のものが流通しているが、これらの不純物が特異的に多く含まれる燃料もある。したがって、脱硫器は、極めて高い安全性を確保するために、脱硫器に充填する脱硫剤の量を多く設定するように設計されている。   Usually, about 2 to 50 mass ppm of sulfur compounds are present as impurities in hydrocarbon fuels used in fuel cell power generation systems. This sulfur compound is a catalyst poison for a catalyst used in a reformer used in the production of hydrogen for fuel cells and a catalyst used in fuel cells, and therefore needs to be removed. For this reason, a desulfurizer for removing sulfur compounds in the fuel is generally installed upstream of the reformer. As liquefied petroleum gas fuels used in household and commercial fuel cell systems, some types of impurities such as sulfur species, olefins, and methanol are distributed to a certain extent. Some fuels are used. Therefore, the desulfurizer is designed to set a large amount of the desulfurizing agent to be filled in the desulfurizer in order to ensure extremely high safety.

脱硫器としては、複数の硫黄分吸着部を直列に連結し、この吸着部が着脱可能である脱硫器が開示されている(例えば、特許文献1参照)。この特許文献1には、燃料ガスの流通方向に対して上流側にある吸着部を少なくとも1個取り外し、未使用の吸着剤を充填した少なくとも1個の吸着部を、取り外した上記吸着部よりも下流側に補充するメンテナンス方法が開示されている。
しかしながら、このような脱硫器を用いた場合でも、脱硫器から後段へ硫黄分が漏れ出
すと、硫黄分が微量であっても改質触媒を損傷してしまうため、燃料電池に供給される水素量が不十分となってしまう。そのため、改質触媒が損傷した場合は、高価な改質器を取り外して交換しなければならなくなる。
したがって、微量であっても硫黄化合物を脱硫器から漏れ出さないようにする必要がある。燃料電池用燃料である都市ガス、液化石油ガス(LPガス)、ジメチルエーテル、ナフサ及び灯油などには脱硫剤の性能を左右する水分が混入している。また、LPガスには、水分の他に脱硫剤の性能を左右するメタノールが含まれており、さらに、LPガスに含まれる硫黄化合物の種類や含有量は一定ではない。ガスボンベに封入されたLPガスは、その消費に伴い、原燃料ガス中の硫黄濃度が増加するという特性がある。
As a desulfurizer, a desulfurizer is disclosed in which a plurality of sulfur adsorbing portions are connected in series, and the adsorbing portions are detachable (see, for example, Patent Document 1). In this Patent Document 1, at least one adsorbing portion on the upstream side with respect to the flow direction of the fuel gas is removed, and at least one adsorbing portion filled with unused adsorbent is removed from the removed adsorbing portion. A maintenance method for replenishing downstream is disclosed.
However, even when such a desulfurizer is used, if the sulfur content leaks from the desulfurizer to the subsequent stage, the reforming catalyst is damaged even if the sulfur content is very small. The amount will be insufficient. Therefore, when the reforming catalyst is damaged, it is necessary to remove and replace an expensive reformer.
Therefore, it is necessary to prevent the sulfur compound from leaking out of the desulfurizer even in a trace amount. City gas, liquefied petroleum gas (LP gas), dimethyl ether, naphtha, kerosene, and the like, which are fuels for fuel cells, contain water that affects the performance of the desulfurization agent. In addition to moisture, the LP gas contains methanol that affects the performance of the desulfurization agent, and the type and content of sulfur compounds contained in the LP gas are not constant. The LP gas sealed in the gas cylinder has a characteristic that the sulfur concentration in the raw fuel gas increases with consumption.

特開2000−119667号公報JP 2000-119667 A

本発明は、このような状況下で、最小限量の脱硫剤で燃料電池用燃料の硫黄分を極めて低濃度まで効率よく除去し得ると共に、この燃料の一時的な不純物や硫黄分濃度の変動においても、後流側への硫黄化合物の漏れ出しを制御することができる脱硫方法、この脱硫方法で脱硫された燃料電池用燃料を改質処理し、燃料電池用水素を製造する方法、及びこの方法により製造された水素を用いる燃料電池システムを提供することを目的とするものである。   Under such circumstances, the present invention can efficiently remove the sulfur content of the fuel cell fuel to a very low concentration with a minimum amount of desulfurizing agent, and also in the temporary impurity and sulfur content variation of the fuel. In addition, a desulfurization method capable of controlling leakage of sulfur compounds to the downstream side, a method for producing hydrogen for fuel cells by reforming fuel for fuel cells desulfurized by the desulfurization method, and the method An object of the present invention is to provide a fuel cell system using hydrogen produced by the above method.

本発明者らは、上記目的を達成すべく種々の研究を重ねた結果、前段脱硫器と後段脱硫器とを具備した脱硫装置において、前段脱硫器中の脱硫剤を周期的に交換し、後段脱硫器中の脱硫剤を半恒久的に使用する脱硫方法が上記問題点を解決し得ることを見出した。本発明はかかる知見に基づいて完成したものである。
すなわち本発明は、以下の脱硫方法、燃料電池用水素の製造方法及び燃料電池システムを提供するものである。
As a result of various researches to achieve the above object, the present inventors have periodically replaced the desulfurization agent in the first-stage desulfurizer in the desulfurization apparatus including the first-stage desulfurizer and the second-stage desulfurizer. It has been found that a desulfurization method using a desulfurization agent in a desulfurizer semipermanently can solve the above problems. The present invention has been completed based on such findings.
That is, the present invention provides the following desulfurization method, fuel cell hydrogen production method, and fuel cell system.

1. 燃料電池システムに配設され、前段脱硫器と後段脱硫器とを具備した脱硫装置を用いて燃料電池用燃料を脱硫する方法であって、前段脱硫器中の脱硫剤を周期的に交換し、後段脱硫器中の脱硫剤を半恒久的に使用することを特徴とする燃料電池用燃料の脱硫方法
2. 前段脱硫器中の脱硫剤の質量(a)に対する後段脱硫器中の脱硫剤の質量(b)の比(b/a)が、0.2〜2である上記1に記載の燃料電池用燃料の脱硫方法。
3. 燃料電池出力1kWあたりの硫黄分吸着量が、前段脱硫器において2g以上、後段脱硫器において0.5g以上である上記1又は2に記載の燃料電池用燃料の脱硫方法。
4. 燃料電池用燃料が、ガス状炭化水素化合物である上記1〜4のいずれかに記載の燃料電池用燃料の脱硫方法。
5. 前段脱硫器及び後段脱硫器に充填される脱硫剤が、硫化カルボニル、硫化水素、メルカプタン類、サルファイド類及びジサルファイド類を吸着する能力を有する脱硫剤である上記1〜4のいずれかに記載の燃料電池用燃料の脱硫方法。
6. 脱硫剤が、(A)ゼオライトを含む脱硫剤及び/又は(B)金属元素、金属酸化物及び金属成分担持酸化物の中から選ばれる少なくとも一種を含む脱硫剤である上記1〜5のいずれかに記載の燃料電池用燃料の脱硫方法。
7. ゼオライトが、ベータ(BEA)構造を有するゼオライト及び/又はフォージャサイト(FAU)構造を有するゼオライトである上記6に記載の燃料電池用燃料の脱硫方法。
8. ゼオライトを含む脱硫剤が、ゼオライトと共に、Ag成分、Cu成分、Ni成分、Zn成分、Mn成分、Fe成分、Co成分、アルカリ金属成分、アルカリ土類金属成分及び希土類金属成分よりなる群から選ばれる少なくとも一種の金属成分を含むものである上記6又は7に記載の燃料電池用燃料の脱硫方法。
9. 金属元素、金属酸化物及び金属成分担持酸化物の中から選ばれる少なくとも一種を含む脱硫剤が、Ag成分、Cu成分、Ni成分、Zn成分、Mn成分、Fe成分、Co成分、Al成分、Si成分、アルカリ金属成分、アルカリ土類金属成分及び希土類金属成分よりなる群から選ばれる少なくとも一種の金属成分を含むものである上記6〜8のいずれかに記載の燃料電池用燃料の脱硫方法。
10. 上記1〜9のいずれかに記載の脱硫方法で脱硫処理された燃料電池用燃料を改質することを特徴とする燃料電池用水素の製造方法。
11. 改質が水蒸気改質、部分酸化改質、又はオートサーマル改質である上記10に記載の燃料電池用水素の製造方法。
12. 改質に用いる触媒がルテニウム系触媒又はニッケル系触媒である上記10又は11に記載の燃料電池用水素の製造方法。
13. 改質に用いる触媒の担体成分が、酸化マンガン、酸化セリウム、及び酸化ジルコニウムから選ばれる少なくとも一種を含む上記12に記載の燃料電池用水素の製造方法。
14. 上記10〜13のいずれかに記載の方法により製造された水素を用いることを特徴とする燃料電池システム。
1. A method of desulfurizing fuel for a fuel cell using a desulfurization apparatus that is disposed in a fuel cell system and includes a first-stage desulfurizer and a second-stage desulfurizer, and periodically replacing a desulfurization agent in the first-stage desulfurizer, 1. A method for desulfurizing a fuel for a fuel cell, wherein the desulfurizing agent in the latter-stage desulfurizer is used semipermanently. 2. The fuel for fuel cell according to 1 above, wherein the ratio (b / a) of the mass (b) of the desulfurizing agent in the post-desulfurizer to the mass (a) of the desulfurizing agent in the pre-desulfurizer is 0.2-2. Desulfurization method.
3. 3. The fuel cell fuel desulfurization method according to 1 or 2 above, wherein the sulfur content adsorption amount per 1 kW of fuel cell output is 2 g or more in the front stage desulfurizer and 0.5 g or more in the rear stage desulfurizer.
4). 5. The fuel cell fuel desulfurization method according to any one of the above 1 to 4, wherein the fuel cell fuel is a gaseous hydrocarbon compound.
5. 5. The desulfurization agent charged in the first-stage desulfurizer and the second-stage desulfurizer is a desulfurization agent having the ability to adsorb carbonyl sulfide, hydrogen sulfide, mercaptans, sulfides, and disulfides. A method for desulfurizing fuel for a fuel cell.
6). Any of 1 to 5 above, wherein the desulfurizing agent is (A) a desulfurizing agent containing zeolite and / or (B) a desulfurizing agent containing at least one selected from a metal element, a metal oxide and a metal component-supported oxide. 2. A method for desulfurizing a fuel for a fuel cell according to 1.
7). 7. The fuel cell fuel desulfurization method according to 6 above, wherein the zeolite is a zeolite having a beta (BEA) structure and / or a zeolite having a faujasite (FAU) structure.
8). The desulfurizing agent containing zeolite is selected from the group consisting of Ag component, Cu component, Ni component, Zn component, Mn component, Fe component, Co component, alkali metal component, alkaline earth metal component and rare earth metal component together with zeolite. 8. The fuel cell fuel desulfurization method according to 6 or 7 above, comprising at least one metal component.
9. A desulfurization agent containing at least one selected from metal elements, metal oxides and metal component-supported oxides is an Ag component, Cu component, Ni component, Zn component, Mn component, Fe component, Co component, Al component, Si 9. The fuel cell fuel desulfurization method according to any one of the above 6 to 8, comprising at least one metal component selected from the group consisting of a component, an alkali metal component, an alkaline earth metal component, and a rare earth metal component.
10. A method for producing hydrogen for a fuel cell, comprising reforming the fuel for a fuel cell desulfurized by the desulfurization method according to any one of 1 to 9 above.
11. 11. The method for producing hydrogen for fuel cells as described in 10 above, wherein the reforming is steam reforming, partial oxidation reforming, or autothermal reforming.
12 12. The method for producing hydrogen for fuel cells as described in 10 or 11 above, wherein the catalyst used for reforming is a ruthenium catalyst or a nickel catalyst.
13. 13. The method for producing hydrogen for fuel cells as described in 12 above, wherein the carrier component of the catalyst used for reforming contains at least one selected from manganese oxide, cerium oxide, and zirconium oxide.
14 14. A fuel cell system using hydrogen produced by the method according to any one of 10 to 13 above.

本発明の脱硫方法によれば、最小限量の脱硫剤で燃料電池用燃料の硫黄分を極めて低濃度まで効率よく除去することができると共に、この燃料の一時的な不純物や硫黄分濃度の変動においても、後流側への硫黄化合物の漏れ出しを制御することができるので、燃料電池システムに搭載される改質器内触媒及び燃料電池セル触媒の硫黄による被毒を防止することができる。   According to the desulfurization method of the present invention, the sulfur content of the fuel cell fuel can be efficiently removed to a very low concentration with a minimum amount of the desulfurization agent, and the temporary impurities and the sulfur content concentration of the fuel can be reduced. In addition, since leakage of sulfur compounds to the downstream side can be controlled, poisoning of sulfur in the reformer catalyst and the fuel cell catalyst mounted in the fuel cell system can be prevented.

本発明の燃料電池用燃料の脱硫方法は、燃料電池システムに配設され、前段脱硫器と後段脱硫器とを具備した脱硫装置を用いた脱硫方法であって、前段脱硫器中の脱硫剤を周期的に交換し、後段脱硫器中の脱硫剤を半恒久的に使用する脱硫方法である。
本発明の脱硫方法において、前段脱硫器の脱硫性能は、燃料電池出力1kWあたり硫黄分吸着量が2g以上であることが好ましく、3〜50gがより好ましい。また、後段脱硫器の脱硫性能は、燃料電池出力1kWあたり硫黄分吸着量が0.5g以上であることが好ましく、1g以上がより好ましい。
前段脱硫器における上記硫黄分吸着量が2g以上であると、前段脱硫器の交換周期が長くなるため、交換作業の手間を削減することができる。また、後段脱硫器における上記硫黄分吸着量が0.5g以上であると、前段脱硫器から硫黄化合物が漏れ出した場合でも、後段脱硫器で硫黄化合物を取り除くことができる。
A fuel cell fuel desulfurization method according to the present invention is a desulfurization method using a desulfurization apparatus that is disposed in a fuel cell system and includes a first-stage desulfurizer and a second-stage desulfurizer, and includes a desulfurization agent in the first-stage desulfurizer. This is a desulfurization method in which the desulfurization agent in the latter-stage desulfurizer is semipermanently exchanged periodically.
In the desulfurization method of the present invention, the desulfurization performance of the pre-desulfurizer is preferably 2 g or more, more preferably 3 to 50 g per 1 kW of fuel cell output. The desulfurization performance of the post-stage desulfurizer is preferably 0.5 g or more, more preferably 1 g or more per 1 kW of fuel cell output.
When the sulfur adsorption amount in the pre-desulfurizer is 2 g or more, the replacement cycle of the pre-desulfurizer becomes long, so that the labor of the replacement work can be reduced. Moreover, when the sulfur content adsorption amount in the latter-stage desulfurizer is 0.5 g or more, the sulfur compound can be removed by the latter-stage desulfurizer even when the sulfur compound leaks from the former-stage desulfurizer.

本発明の脱硫方法において、前段脱硫器中の脱硫剤の質量(a)に対する後段脱硫器中の脱硫剤の質量(b)の比(b/a)は、0.2〜2であることが好ましい。この比が0.2以上であると、前段脱硫器の交換周期が長くなるため、交換作業の手間を削減することができる。また、この比が2以下であると、微量不純物が一時的に増加しても脱硫機能が有効に作用する。
本発明において、前段脱硫器中の脱硫剤は、周期的に交換することを要する。その周期は、用いる燃料電池用燃料中の硫黄分の平均値、燃料電池用燃料の使用量あるいは燃料電池システム稼動時間(発電量)などから算出される。
In the desulfurization method of the present invention, the ratio (b / a) of the mass (b) of the desulfurizing agent in the post-desulfurizer to the mass (a) of the desulfurizing agent in the pre-desulfurizer is 0.2-2. preferable. When this ratio is 0.2 or more, the replacement cycle of the pre-desulfurizer becomes long, so that the labor of the replacement work can be reduced. In addition, when this ratio is 2 or less, the desulfurization function works effectively even if trace impurities temporarily increase.
In the present invention, the desulfurizing agent in the former stage desulfurizer needs to be periodically replaced. The period is calculated from the average value of the sulfur content in the fuel cell fuel to be used, the amount of fuel cell fuel used or the fuel cell system operating time (power generation amount).

本発明に係る燃料電池用燃料としては、ガス状炭化水素化合物及び液状炭化水素化合物などが挙げられ、本発明の脱硫方法は、ガス状炭化水素化合物、特にLPガスの脱硫処理に効果的である。ガス状炭化水素化合物としては、LPガスの他に、天然ガスなどが挙げられ、液状炭化水素化合物としては、灯油、軽油、ナフサ及びガソリンなどが挙げられる。   Examples of the fuel for the fuel cell according to the present invention include gaseous hydrocarbon compounds and liquid hydrocarbon compounds. The desulfurization method of the present invention is effective for desulfurization treatment of gaseous hydrocarbon compounds, particularly LP gas. . Examples of the gaseous hydrocarbon compound include natural gas in addition to LP gas, and examples of the liquid hydrocarbon compound include kerosene, light oil, naphtha, and gasoline.

通常、燃料電池用燃料として用いる液化石油ガス中には、原油精製工程で除去されなかった微量の硫黄成分及び着臭剤として添加された硫黄成分、例えば、メチルメルカブタン等のメルカプタン類、硫化カルボニル、硫化水素、サルファイド類、ジサルファイド類等の硫黄化合物が含まれている。液化石油ガスを改質して燃料電池用水素を製造する場合、前述のように触媒の被毒を防ぐためには、これらの硫黄化合物を極力低減させることが要求される。従って、従来公知の脱硫剤を用いて脱硫処理が行なわれる。使用される脱硫剤は一種であってもよいし、硫黄化合物毎の吸着特性の異なる脱硫剤を組み合わせて使用してもよい。性能を最大限に発揮させるには、できるだけ硫黄分含有量が少ない液化石油ガス等を用いることが望ましい。   Usually, in liquefied petroleum gas used as fuel for fuel cells, a small amount of sulfur component not removed in the crude oil refining process and sulfur component added as an odorant, for example, mercaptans such as methyl mercaptan, carbonyl sulfide , Sulfur compounds such as hydrogen sulfide, sulfides and disulfides are included. When hydrogen for fuel cells is produced by reforming liquefied petroleum gas, it is required to reduce these sulfur compounds as much as possible in order to prevent poisoning of the catalyst as described above. Therefore, a desulfurization process is performed using a conventionally known desulfurizing agent. One type of desulfurizing agent may be used, or a combination of desulfurizing agents having different adsorption characteristics for each sulfur compound may be used. In order to maximize performance, it is desirable to use liquefied petroleum gas or the like having as low a sulfur content as possible.

本発明で用いるゼオライト系脱硫剤(以下、脱硫剤Aということがある)としては、特に制限はなく、従来公知のものを使用することができ、該ゼオライト系脱硫剤としては、例えば、ベータ(BEA)構造を有するゼオライト(β型ゼオライト)、フォージャサイト(FAU)構造を有するゼオライト、X型ゼオライト、Y型ゼオライトなどの一種又は二種以上を組み合わせたゼオライトを担体として用いて、Ag成分、Cu成分、Ni成分、Zn成分、Mn成分、Fe成分、Co成分、アルカリ金属成分、アルカリ土類金属成分及び希土類金属成分の中から選ばれる少なくとも一種の金属成分を担持したものを好ましく挙げることができる。ここで、アルカリ金属成分としては、カリウムやナトリウムなどが、アルカリ土類金属成分としては、カルシウムやマグネシウムなどが、希土類金属成分としては、ランタンやセリウムなどが好ましく挙げられる。これら金属成分の中で、特にAg成分及び/又はCu成分が好ましい。また、ゼオライトとしては、ベータ(BEA)構造を有するゼオライト及びフォージャサイト(FAU)構造を有するゼオライトが好ましい。   There is no restriction | limiting in particular as a zeolite type desulfurization agent (henceforth a desulfurization agent A) used by this invention, A conventionally well-known thing can be used, As this zeolite type desulfurization agent, beta ( (BEA) zeolite having a structure (β-type zeolite), zeolite having a faujasite (FAU) structure, X-type zeolite, Y-type zeolite, etc. Preferable examples include those carrying at least one metal component selected from Cu component, Ni component, Zn component, Mn component, Fe component, Co component, alkali metal component, alkaline earth metal component and rare earth metal component. it can. Here, preferred examples of the alkali metal component include potassium and sodium, examples of the alkaline earth metal component include calcium and magnesium, and examples of the rare earth metal component include lanthanum and cerium. Among these metal components, an Ag component and / or a Cu component are particularly preferable. Moreover, as a zeolite, the zeolite which has a beta (BEA) structure and the zeolite which has a faujasite (FAU) structure are preferable.

ゼオライト系脱硫剤は、上記ゼオライトに上記の金属成分を担持させることにより調製することができる。具体的には、目的の金属成分の水溶性化合物を含む水溶液とゼオライトとを、攪拌法、含浸法、流通法などにより接触させ、次いで、水などで洗浄後、乾燥、焼成処理することにより得られる。
このようにして得られたゼオライト系脱硫剤中の金属成分の含有量は、金属として、通常1〜40質量%、好ましくは5〜30質量%の範囲である。
The zeolitic desulfurizing agent can be prepared by supporting the metal component on the zeolite. Specifically, an aqueous solution containing a water-soluble compound of a target metal component is brought into contact with a zeolite by a stirring method, an impregnation method, a distribution method, etc., and then washed with water and then dried and fired. It is done.
The content of the metal component in the zeolitic desulfurizing agent thus obtained is usually 1 to 40% by mass, preferably 5 to 30% by mass as a metal.

金属元素、金属酸化物及び金属成分担持酸化物の中から選ばれる少なくとも一種からなる脱硫剤(以下、脱硫剤Bということがある)は、Ag成分、Cu成分、Ni成分、Zn成分、Mn成分、Fe成分、Co成分、Al成分、Si成分、アルカリ金属成分、アルカリ土類金属成分及び希土類金属成分の中から選ばれる少なくとも一種の金属成分を含む脱硫剤が好ましい。ここで、アルカリ金属成分としては、カリウムやナトリウムなどが、アルカリ土類金属成分としては、カルシウムやマグネシウムなどが、希土類金属成分としては、ランタンやセリウムなどが好ましく挙げられる。
該脱硫剤Bは、多孔質無機酸化物担体に各金属成分を担持させたものが好ましく、特にAg成分、Cu成分及びNi成分のうち少なくとも一種を担持させたものが好適である。各金属成分は共沈法や含浸法等の通常の担持方法で担持することができる。
A desulfurization agent comprising at least one selected from metal elements, metal oxides and metal component-supported oxides (hereinafter sometimes referred to as desulfurization agent B) is an Ag component, a Cu component, a Ni component, a Zn component, or a Mn component. A desulfurizing agent containing at least one metal component selected from among Fe component, Co component, Al component, Si component, alkali metal component, alkaline earth metal component, and rare earth metal component is preferable. Here, preferred examples of the alkali metal component include potassium and sodium, examples of the alkaline earth metal component include calcium and magnesium, and examples of the rare earth metal component include lanthanum and cerium.
The desulfurizing agent B is preferably a porous inorganic oxide carrier on which each metal component is supported, and in particular, one in which at least one of an Ag component, a Cu component and a Ni component is supported is preferable. Each metal component can be supported by a normal supporting method such as a coprecipitation method or an impregnation method.

上記多孔質無機酸化物担体としては、例えば、シリカ、アルミナ、シリカーアルミナ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、珪藻土、白土、粘土又は酸化亜鉛から選ばれる少なくとも一種が挙げられ、このうち、アルミナ担体、シリカーアルミナ担体が好ましい。
以下に、該脱硫剤Bとして、好適なシリカーアルミナを担体とするNi−Cu系脱硫剤の調製方法について説明する。
該脱硫剤Bにおいては、脱硫性能及び脱硫剤の機械的強度などの点から、担持した総金属含有量(酸化物換算)が通常5〜90質量%で、かつ担体が95〜10質量%の範囲が好ましく、上記総金属含有量(酸化物換算)は、共沈法で担持される場合は40〜90質量%、更に70〜90質量%であり、含浸法で担持される場合は5〜40質量%であることが好ましい。
はじめに、ニッケル源、銅源及び/又はアルミニウム源を含む酸性の水溶液又は水分散液と、ケイ素源及び無機塩基を含む塩基性水溶液を調製する。前者の酸性の水溶液又は水分散液に用いられるニッケル源としては、例えば塩化ニッケル、硝酸ニッケル、硫酸ニッケル、酢酸ニッケル、炭酸ニッケル及びこれらの水和物などが、銅源としては、例えば塩化銅、硝酸銅、硫酸銅、酢酸銅及びこれらの水和物などが挙げられる。これらのニッケル源や銅源は、それぞれ単独で用いても、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
Examples of the porous inorganic oxide carrier include at least one selected from silica, alumina, silica-alumina, titania, zirconia, magnesia, diatomaceous earth, white clay, clay, and zinc oxide. A car alumina support is preferred.
Below, the preparation method of the Ni-Cu type | system | group desulfurization agent which uses the suitable silica alumina as a support | carrier as this desulfurization agent B is demonstrated.
In the desulfurizing agent B, from the viewpoint of desulfurization performance and mechanical strength of the desulfurizing agent, the supported total metal content (as oxide) is usually 5 to 90% by mass, and the support is 95 to 10% by mass. The range is preferable, and the total metal content (as oxide) is 40 to 90% by mass, more preferably 70 to 90% by mass when supported by the coprecipitation method, and 5 to 5 when supported by the impregnation method. It is preferable that it is 40 mass%.
First, an acidic aqueous solution or aqueous dispersion containing a nickel source, a copper source and / or an aluminum source, and a basic aqueous solution containing a silicon source and an inorganic base are prepared. Examples of the nickel source used in the former acidic aqueous solution or aqueous dispersion include nickel chloride, nickel nitrate, nickel sulfate, nickel acetate, nickel carbonate and hydrates thereof, and examples of the copper source include copper chloride, Examples thereof include copper nitrate, copper sulfate, copper acetate, and hydrates thereof. These nickel sources and copper sources may be used alone or in combination of two or more.

また、アルミニウム源としては、擬ベーマイト、ベーマイトアルミナ、バイヤライト、ジプサイトなどのアルミナ水和物や、γ−アルミナなどが挙げられる。これらの中で擬ベーマイト、ベーマイトアルミナ及びγ−アルミナが好適である。これらは粉体状又はゾルの形態で用いることができる。また、このアルミニウム源は一種を用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。   Examples of the aluminum source include hydrated alumina such as pseudo boehmite, boehmite alumina, bayerite, and gypsite, and γ-alumina. Among these, pseudo boehmite, boehmite alumina, and γ-alumina are preferable. These can be used in the form of powder or sol. Moreover, this aluminum source may use 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.

一方、塩基性水溶液に用いられるケイ素源としては、アルカリ水溶液に可溶であって、焼成によりシリカになるものであれば、特に制限されず、例えばオルトケイ酸、メタケイ酸、及びそれらのナトリウム塩やカリウム塩、水ガラスなどが挙げられる。これらは一種を用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよいが、特にケイ酸ナトリウム水和物の一種である水ガラスが好適である。
また、無機塩基としては、アルカリ金属の炭酸塩や水酸化物などが好ましく、例えば炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどが挙げられる。これらは一種を用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてよいが、特に炭酸ナトリウム単独又は炭酸ナトリウムと水酸化ナトリウムとの組み合わせが好適である。この無機塩基の使用量は、次の工程において、酸性の水溶液又は水分散液と、この塩基性水溶液を混合した場合、混合液が実質上中性から塩基になるように選ぶのが有利である。
また、この無機塩基は、全量を該塩基性水溶液の調製に用いてもよいし、又はその一部を、次の工程における上記酸性の水溶液又は水分散液と塩基性水溶液との混合液に加えてもよい。
On the other hand, the silicon source used in the basic aqueous solution is not particularly limited as long as it is soluble in an alkaline aqueous solution and becomes silica upon firing. For example, orthosilicic acid, metasilicic acid, and their sodium salts A potassium salt, water glass, etc. are mentioned. These may be used singly or in combination of two or more, but water glass which is a kind of sodium silicate hydrate is particularly suitable.
The inorganic base is preferably an alkali metal carbonate or hydroxide, and examples thereof include sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydroxide, and potassium hydroxide. One of these may be used, or two or more may be used in combination, but sodium carbonate alone or a combination of sodium carbonate and sodium hydroxide is particularly suitable. The amount of the inorganic base used is advantageously selected so that, when the acidic aqueous solution or aqueous dispersion and the basic aqueous solution are mixed in the next step, the mixed solution is substantially neutral to base. .
In addition, the inorganic base may be used in the total amount for the preparation of the basic aqueous solution, or a part thereof may be added to the acidic aqueous solution or the mixture of the aqueous dispersion and the basic aqueous solution in the next step. May be.

このようにして調製した酸性水溶液又は水分散液と塩基性水溶液を、それぞれ50〜90℃程度に加温したのち、両者を混合する。混合後、必要に応じて、50〜90℃に加温された無機塩基を含む水溶液を更に加えたのち、混合液を50〜90℃程度の温度において0.5〜3時間程度攪拌し、反応を完結させる。
次に、生成した固形物を充分に洗浄したのち固液分離するか、又は生成した固形物を固液分離したのち充分に洗浄し、次いで、この固形物を公知の方法により80〜150℃程度の温度で乾燥処理する。このようにして得られた乾燥処理物を、好ましくは200〜400℃の範囲の温度において焼成することにより、担体上にニッケル成分及び銅成分が担持された脱硫剤Bが得られる。焼成温度が上記範囲を逸脱すると所望の性能をもつNi−Cu系脱硫剤が得られにくい。
The acidic aqueous solution or aqueous dispersion thus prepared and the basic aqueous solution are each heated to about 50 to 90 ° C., and then both are mixed. After mixing, if necessary, an aqueous solution containing an inorganic base heated to 50 to 90 ° C. is further added, and the mixture is stirred at a temperature of about 50 to 90 ° C. for about 0.5 to 3 hours to react. To complete.
Next, the produced solid is sufficiently washed and separated into solid and liquid, or the produced solid is separated into solid and liquid and then washed sufficiently, and then this solid is obtained at a temperature of about 80 to 150 ° C. by a known method. Dry at a temperature of The desulfurization agent B in which the nickel component and the copper component are supported on the carrier is obtained by firing the dried product thus obtained, preferably at a temperature in the range of 200 to 400 ° C. When the firing temperature is out of the above range, it is difficult to obtain a Ni—Cu desulfurizing agent having desired performance.

次に、該脱硫剤Bとして好適なアルミナを担体とする銀担持脱硫剤の調製方法について説明する。
脱硫性能の観点から銀成分の担持量は5〜30質量%の範囲が好ましい。銀源を含む水溶液を調製する。銀源としては、例えば硝酸銀、酢酸銀、硫酸銀が挙げられる。これらの銀源はそれぞれ単独で用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。アルミナとしてはγ型、φ型、χ型、δ型、η型のアルミナが挙げられるが、γ型、χ型、η型が好ましく用いられる。上記銀源を含む水溶液を、アルミナに含浸担持し、80〜150℃程度の温度において乾燥し、次いで200〜400℃程度の温度において焼成することによりアルミナ担体上に銀成分が担持された脱硫剤Bが得られる。
Next, a method for preparing a silver-supported desulfurizing agent using alumina as a carrier suitable as the desulfurizing agent B will be described.
From the viewpoint of desulfurization performance, the supported amount of silver component is preferably in the range of 5 to 30% by mass. An aqueous solution containing a silver source is prepared. Examples of the silver source include silver nitrate, silver acetate, and silver sulfate. These silver sources may be used alone or in combination. Examples of the alumina include γ-type, φ-type, χ-type, δ-type, and η-type alumina, and γ-type, χ-type, and η-type are preferably used. A desulfurization agent in which an aqueous solution containing the silver source is impregnated and supported on alumina, dried at a temperature of about 80 to 150 ° C., and then fired at a temperature of about 200 to 400 ° C. to support a silver component on an alumina carrier. B is obtained.

本発明の脱硫方法による脱硫処理の際の条件としては、燃料電池用燃料の原料の性状に応じて適宜選択することができ、特に限定されないが、通常−40〜300℃の範囲で脱硫することができる。この原料としてガス状炭化水素化合物、例えば液化石油ガスを用いる場合には、温度−40〜200℃程度、圧力0〜0.2Mpa・G程度、ガス時空間速度(GHSV)が50〜1500h-1の条件で脱硫処理することが好ましい。この際、必要により、少量の水素を共存させてもよい。脱硫条件を上記範囲で適当に選択することにより、硫黄分0.2質量ppm以下のガス状炭化水素化合物を得ることができる。 The conditions for the desulfurization treatment by the desulfurization method of the present invention can be appropriately selected according to the properties of the fuel cell fuel raw material, and are not particularly limited, but the desulfurization is usually in the range of -40 to 300 ° C. Can do. When a gaseous hydrocarbon compound such as liquefied petroleum gas is used as the raw material, the temperature is about −40 to 200 ° C., the pressure is about 0 to 0.2 Mpa · G, and the gas hourly space velocity (GHSV) is 50 to 1500 h −1. The desulfurization treatment is preferably performed under the conditions described above. At this time, if necessary, a small amount of hydrogen may coexist. By appropriately selecting the desulfurization conditions within the above range, a gaseous hydrocarbon compound having a sulfur content of 0.2 mass ppm or less can be obtained.

次に本発明の燃料電池用水素の製造方法は、上記のようにして脱硫処理した燃料電池用燃料を、水蒸気改質、部分酸化改質又はオートサーマル改質を行って、より具体的には水蒸気改質触媒、部分酸化改質触媒又はオートサーマル改質触媒と接触させることにより、燃料電池用水素を製造するものである。
ここで用いられる改質触媒としては特に制限はなく、従来から炭化水素の改質触媒として知られている公知のものの中から任意のものを適宜選択して用いることができる。このような改質触媒としては、例えば適当な担体にニッケルやジルコニウム、あるいはルテニウム、ロジウム、白金などの貴金属を担持したものを挙げることができる。上記担持金属は一種でもよく、二種以上を組み合わせてもよい。これらの触媒の中で、ニッケルを担持させたもの(以下、ニッケル系触媒という)とルテニウムを担持させたもの(以下、ルテニウム系触媒という)が好ましく、これらは、水蒸気改質処理、部分酸化改質処理又はオートサーマル改質処理中の炭素析出を抑制する効果が大きい。
上記改質触媒を担持させる担体には、酸化マンガン、酸化セリウム、酸化ジルコニウム等が含まれていることが好ましく、特にこれらのうち少なくとも一種を含む担体が特に好ましい。
Next, the method for producing hydrogen for a fuel cell according to the present invention more specifically performs steam reforming, partial oxidation reforming or autothermal reforming on the fuel for the fuel cell desulfurized as described above, and more specifically. Hydrogen for fuel cells is produced by contacting with a steam reforming catalyst, partial oxidation reforming catalyst or autothermal reforming catalyst.
There is no restriction | limiting in particular as a reforming catalyst used here, Arbitrary things can be suitably selected and used from the well-known things conventionally known as a hydrocarbon reforming catalyst. As such a reforming catalyst, for example, a catalyst in which noble metal such as nickel, zirconium, ruthenium, rhodium or platinum is supported on a suitable carrier can be exemplified. The supported metal may be one kind or a combination of two or more kinds. Of these catalysts, nickel-supported catalysts (hereinafter referred to as nickel-based catalysts) and ruthenium-supported catalysts (hereinafter referred to as ruthenium-based catalysts) are preferable. The effect of suppressing carbon deposition during quality treatment or autothermal reforming treatment is great.
The carrier for supporting the reforming catalyst preferably contains manganese oxide, cerium oxide, zirconium oxide or the like, and particularly preferably a carrier containing at least one of these.

ニッケル系触媒の場合、ニッケルの担持量は担体基準で3〜60質量%の範囲が好ましい。この担持量が上記範囲内であると、水蒸気改質触媒、部分酸化改質触媒又はオートサーマル改質触媒の活性が十分に発揮されるとともに、経済的にも有利なものとなる。触媒活性及び経済性などを考慮すると、ニッケルのより好ましい担持量は5〜50質量%であり、特に10〜30質量%の範囲が好ましい。
また、ルテニウム系触媒の場合、ルテニウムの担持量は担体基準で0.05〜20質量%の範囲が好ましい。ルテニウムの担持量が上記範囲内であると、水蒸気改質触媒、部分酸化改質触媒又はオートサーマル改質触媒の活性が十分に発揮されるとともに経済的にも有利なものとなる。触媒活性及び経済性などを考慮すると、ルテニウムのより好ましい担持量は0.05〜15質量%であり、特に0.1〜2質量%の範囲が好ましい。
In the case of a nickel-based catalyst, the supported amount of nickel is preferably in the range of 3 to 60% by mass based on the carrier. When the supported amount is within the above range, the activity of the steam reforming catalyst, the partial oxidation reforming catalyst or the autothermal reforming catalyst is sufficiently exhibited, and it is economically advantageous. In view of catalyst activity and economy, the more preferable amount of nickel is 5 to 50% by mass, and particularly preferably 10 to 30% by mass.
In the case of a ruthenium-based catalyst, the supported amount of ruthenium is preferably in the range of 0.05 to 20% by mass based on the carrier. When the supported amount of ruthenium is within the above range, the activity of the steam reforming catalyst, the partial oxidation reforming catalyst or the autothermal reforming catalyst is sufficiently exhibited and it is economically advantageous. Considering catalytic activity and economic efficiency, the more preferable loading of ruthenium is 0.05 to 15% by mass, and particularly preferably 0.1 to 2% by mass.

水蒸気改質処理における反応条件としては、水蒸気と原料に由来する炭素との比であるスチーム/カーボン(モル比)は、通常1.5〜10の範囲で選定される。スチーム/カーボン(モル比)が1.5以上であると水素の生成量が十分であり、10以下であると過剰の水蒸気を必要としないため、熱ロスが小さく、水素製造が効率的に行える。上記観点から、スチーム/カーボン(モル比)は1.5〜5の範囲であることが好ましく、さらには2〜4の範囲であることが好ましい。
また、水蒸気改質触媒層の入口温度を630℃以下に保って水蒸気改質を行うのが好ましい。入口温度が630℃以下であると、原料の熱分解が起こらないため、炭素ラジカルを経由した触媒あるいは反応管壁への炭素析出が生じにくい。以上の観点から、さらに水蒸気改質触媒層の入口温度は600℃以下であることが好ましい。なお、触媒層出口温度は特に制限はないが、650〜800℃の範囲が好ましい。650℃以上であると水素の生成量が十分であり、800℃以下であると、反応装置を耐熱材料で構成する必要がなく、経済的に好ましい。
As a reaction condition in the steam reforming treatment, steam / carbon (molar ratio), which is a ratio between steam and carbon derived from the raw material, is usually selected in the range of 1.5 to 10. When the steam / carbon (molar ratio) is 1.5 or more, the amount of hydrogen generated is sufficient, and when it is 10 or less, excess water vapor is not required, so heat loss is small and hydrogen production can be performed efficiently. . From the above viewpoint, the steam / carbon (molar ratio) is preferably in the range of 1.5 to 5, and more preferably in the range of 2 to 4.
Moreover, it is preferable to perform steam reforming while maintaining the inlet temperature of the steam reforming catalyst layer at 630 ° C. or lower. When the inlet temperature is 630 ° C. or lower, the raw material is not thermally decomposed, so that carbon deposition through the carbon radicals on the catalyst or the reaction tube wall hardly occurs. From the above viewpoint, the inlet temperature of the steam reforming catalyst layer is preferably 600 ° C. or lower. The catalyst layer outlet temperature is not particularly limited, but is preferably in the range of 650 to 800 ° C. When the temperature is 650 ° C. or higher, the amount of hydrogen generated is sufficient, and when it is 800 ° C. or lower, the reaction apparatus does not need to be made of a heat-resistant material, which is economically preferable.

部分酸化改質処理における反応条件としては、通常、圧力は常圧〜5MPa・G、温度は400〜1100℃、酸素(O2)/カーボン(モル比)は0.2〜0.8、液時空間速度(LHSV)は0.1〜100h-1の条件が採用される。
また、オートサーマル改質処理における反応条件としては、通常、圧力は常圧〜5MPa・G、温度は400〜1100℃、スチーム/カーボン(モル比)は0.1〜10、酸素(O2)/カーボン(モル比)は0.1〜1、液時空間速度(LHSV)は0.1〜2h-1、ガス時空間速度(GHSV)は1000〜100000h-1の条件が採用される。
なお、上記水蒸気改質、部分酸化改質又はオートサーマル改質により得られるCOが水素生成に悪影響を及ぼすため、COを反応によりCO2に変換して除くことが好ましい。
このように、本発明の方法によれば、燃料電池用水素を効率よく製造することができる。
As reaction conditions in the partial oxidation reforming treatment, the pressure is usually normal pressure to 5 MPa · G, the temperature is 400 to 1100 ° C., the oxygen (O 2 ) / carbon (molar ratio) is 0.2 to 0.8, and the liquid The space-time velocity (LHSV) is 0.1 to 100 h −1 .
As reaction conditions in the autothermal reforming treatment, the pressure is usually normal pressure to 5 MPa · G, the temperature is 400 to 1100 ° C., the steam / carbon (molar ratio) is 0.1 to 10, and oxygen (O 2 ). / carbon (molar ratio) is 0.1, a liquid hourly hourly space velocity (LHSV) can be 0.1~2H -1, gas hourly space velocity (GHSV) conditions of 1000~100000H -1 is employed.
In addition, since CO obtained by the steam reforming, partial oxidation reforming or autothermal reforming adversely affects hydrogen generation, it is preferable to convert CO to CO 2 by reaction and remove it.
Thus, according to the method of the present invention, hydrogen for fuel cells can be produced efficiently.

本発明の燃料電池システムは、上記のようにして製造された水素を用いることを特徴とし、具体的には、原料供給装置、脱硫装置、改質装置、燃料電池から構成されている。この燃料電池システムにおける燃料電池は例えば、固体酸化物型燃料電池(SOFC)、固体高分子型燃料電池(PEFC)、リン酸型燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)などいずれであってもよい。
次に、ガス状炭化水素化合物を燃料電池用原料とする燃料電池システムを図1により説明する。ガス状炭化水素化合物ボンベ21内の燃料は、自然気化方式により、燃料供給ライン22を経て、水素製造システム20内の脱硫器23に導入される。脱硫器23は、前段脱硫器と後段脱硫器とを有し、前段脱硫器は燃料供給ライン22と、後段脱硫器は燃料導入管12と接続され、前段脱硫器と後段脱硫器とは直列に接続されている。脱硫器23には、例えば活性炭、ゼオライト又は金属系の吸着剤などを充填することができる。脱硫器23で脱硫された燃料は、水タンクから水ポンプ24、水供給管11を経た水と混合された後、空気ブロアー35から送り出された空気と共に改質器31に送り込まれる。改質器31には改質触媒が充填されており、改質器31に送り込まれた燃料混合物(炭化水素化合物、水蒸気及び酸素を含む混合気体)から、前述した改質反応のいずれかによって水素が製造される。なお、符号38は、燃料ガスの流量調節バルブである。
The fuel cell system of the present invention is characterized by using hydrogen produced as described above, and specifically comprises a raw material supply device, a desulfurization device, a reforming device, and a fuel cell. Examples of the fuel cell in this fuel cell system include a solid oxide fuel cell (SOFC), a solid polymer fuel cell (PEFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), and a molten carbonate fuel cell (MCFC). It may be.
Next, a fuel cell system using a gaseous hydrocarbon compound as a raw material for a fuel cell will be described with reference to FIG. The fuel in the gaseous hydrocarbon compound cylinder 21 is introduced into the desulfurizer 23 in the hydrogen production system 20 through the fuel supply line 22 by a natural vaporization method. The desulfurizer 23 has a first-stage desulfurizer and a second-stage desulfurizer, the first-stage desulfurizer is connected to the fuel supply line 22, and the second-stage desulfurizer is connected to the fuel introduction pipe 12, and the first-stage desulfurizer and the second-stage desulfurizer are connected in series. It is connected. The desulfurizer 23 can be filled with, for example, activated carbon, zeolite, or a metal-based adsorbent. The fuel desulfurized by the desulfurizer 23 is mixed with water from the water tank via the water pump 24 and the water supply pipe 11 and then sent to the reformer 31 together with the air sent from the air blower 35. The reformer 31 is filled with a reforming catalyst, and hydrogen is produced from the fuel mixture (mixed gas containing hydrocarbon compound, water vapor and oxygen) sent to the reformer 31 by any of the reforming reactions described above. Is manufactured. Reference numeral 38 denotes a fuel gas flow rate adjusting valve.

このようにして製造された水素はCO変成器32、CO選択酸化器33を通じてCO濃度が燃料電池の特性に及ぼさない程度まで低減される。これらの反応器に用いる触媒例としては、CO変成器32には、鉄−クロム系触媒、銅−亜鉛系触媒又は貴金属系触媒が挙げられ、CO選択酸化器33には、ルテニウム系触媒、白金系触媒又はそれらの混合触媒が挙げられる。改質反応で製造された水素中のCO濃度が低い場合、CO変成器32とCO選択酸化器33を取り付けなくてもよい。   The hydrogen produced in this way is reduced to the extent that the CO concentration does not reach the characteristics of the fuel cell through the CO converter 32 and the CO selective oxidizer 33. Examples of catalysts used in these reactors include an iron-chromium-based catalyst, a copper-zinc-based catalyst, or a noble metal-based catalyst for the CO converter 32, and a ruthenium-based catalyst, platinum for the CO selective oxidizer 33. Examples thereof include a system catalyst or a mixed catalyst thereof. When the CO concentration in the hydrogen produced by the reforming reaction is low, the CO converter 32 and the CO selective oxidizer 33 may not be attached.

燃料電池34は負極34Aと正極34Bとの間に高分子電解質34Cを備えた固体高分子形燃料電池の例である。負極側には上記の方法で得られた水素リッチガスが、正極側には空気ブロアー35から送られる空気が、それぞれ必要であれば適当な加湿処理を行った後(加湿装置は図示せず)導入される。
この時、負極側では水素ガスがプロトンとなり電子を放出する反応が進行し、正極側では酸素ガスが電子とプロトンを得て水となる反応が進行し、両極34A、34B間に直流電流が発生する。その場合、負極には、白金黒もしくは活性炭担持のPt触媒又はPt−Ru合金触媒などが使用され、正極には、白金黒もしくは活性炭担持のPt触媒などが使用される。
The fuel cell 34 is an example of a polymer electrolyte fuel cell including a polymer electrolyte 34C between a negative electrode 34A and a positive electrode 34B. The hydrogen-rich gas obtained by the above method is introduced into the negative electrode side, and the air sent from the air blower 35 is introduced into the positive electrode side after performing appropriate humidification treatment if necessary (humidifier not shown). Is done.
At this time, a reaction in which hydrogen gas becomes protons and emits electrons proceeds on the negative electrode side, and a reaction in which oxygen gas obtains electrons and protons to become water proceeds on the positive electrode side, and a direct current is generated between both electrodes 34A and 34B. To do. In that case, platinum black or an activated carbon-supported Pt catalyst or Pt-Ru alloy catalyst is used for the negative electrode, and platinum black or an activated carbon-supported Pt catalyst is used for the positive electrode.

負極34A側に改質器31のバーナ31Aを接続して余った水素を燃料とすることができる。また、正極34B側に気水分離器36を接続し、正極34B側に供給された空気中の酸素と水素との結合により生じた水と排気ガスとを分離し、水を水蒸気の生成に利用することができる。燃料電池34では発電に伴って熱が発生するため、排熱回収装置37を付設してこの熱を回収して有効利用することができる。排熱回収装置37は、燃料電池34に付設され反応時に生じた熱を奪う熱交換器37Aと、この熱交換器37Aで奪った熱を水と熱交換するための熱交換器37Bと、冷却器37Cと、これら熱交換器37A、37B及び冷却器37Cへ冷媒を循環させるポンプ37Dとを備え、熱交換器37Bにおいて得られる温水は他の設備などで有効に利用することができる。   The surplus hydrogen can be used as fuel by connecting the burner 31A of the reformer 31 to the negative electrode 34A side. Further, an air / water separator 36 is connected to the positive electrode 34B side, water and exhaust gas generated by the combination of oxygen and hydrogen in the air supplied to the positive electrode 34B side are separated, and water is used for generation of water vapor. can do. Since heat is generated in the fuel cell 34 with power generation, an exhaust heat recovery device 37 can be attached to recover the heat for effective use. The exhaust heat recovery device 37 is attached to the fuel cell 34 to deprive the heat generated during the reaction, a heat exchanger 37A, a heat exchanger 37B for exchanging the heat deprived by the heat exchanger 37A with water, 37C and a pump 37D that circulates the refrigerant to the heat exchangers 37A and 37B and the cooler 37C, and the hot water obtained in the heat exchanger 37B can be effectively used in other facilities.

次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。
製造例1
硫酸ニッケル・6水和物(特級、和光純薬株式会社製)36.01kg及び硫酸銅・5水和物(特級、和光純薬株式会社製)8.52kgを80℃に加温したイオン交換水400Lに溶解し、これに擬ベーマイト(C−AP、Al23として67質量%、触媒化成工業株式会社製)を720g混合し調製液Aを得た。別に用意した、80℃に加温したイオン交換水400Lに炭酸ナトリウム30.00kgを溶解し、水ガラス9.36kg(JIS−3号、Si濃度29質量%、日本化学工業株式会社製)を加え、調製液Bを得た。
調製液A,Bの温度をそれぞれ80℃に保ちながら、両者を内径8mm、長さ10cmのステンレス鋼製の反応管内に導入し、沈殿ケーキを得た。その後、イオン交換水6000Lを用いて沈殿ケーキの洗浄・ろ過を行い、120℃送風乾燥機にて生成物を12時間乾燥させた後、350℃で3時間焼成した。この焼成物のニッケル含有量(NiO換算)は64質量%、銅含有量(CuO換算)は16質量%、担体であるシリカ−アルミナ量は20質量%、Si/Al比(原子比)は4.8であった。
次に、得られた焼成物に対して、アルミナ換算で5質量%のアルミナゾルを添加して混練し、直径1mmのダイスを使用して押し出し成形した。次いで、120℃のオーブン中にて3時間乾燥処理を行い、さらに350℃で3時間焼成し、脱硫剤aを得た。
EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited at all by these examples.
Production Example 1
Ion exchange in which 36.01 kg of nickel sulfate hexahydrate (special grade, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 8.52 kg of copper sulfate pentahydrate (special grade, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were heated to 80 ° C. Dissolved in 400 L of water, 720 g of pseudo boehmite (67 mass% as C-AP, Al 2 O 3 , produced by Catalyst Kasei Kogyo Co., Ltd.) was mixed with it to obtain Preparation A. Separately, 30.00 kg of sodium carbonate was dissolved in 400 L of ion-exchanged water heated to 80 ° C., and 9.36 kg of water glass (JIS-3, Si concentration 29 mass%, manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.) was added. Preparation liquid B was obtained.
While maintaining the temperature of each of preparation solutions A and B at 80 ° C., both were introduced into a stainless steel reaction tube having an inner diameter of 8 mm and a length of 10 cm to obtain a precipitation cake. Thereafter, the precipitated cake was washed and filtered using 6000 L of ion-exchanged water, and the product was dried for 12 hours with a 120 ° C. blower dryer, and then calcined at 350 ° C. for 3 hours. The calcined product has a nickel content (NiO equivalent) of 64% by mass, a copper content (CuO equivalent) of 16% by mass, a silica-alumina content of 20% by mass, and a Si / Al ratio (atomic ratio) of 4. .8.
Next, 5 mass% alumina sol in terms of alumina was added to the fired product and kneaded, followed by extrusion using a die having a diameter of 1 mm. Subsequently, the drying process was performed in 120 degreeC oven for 3 hours, and also it baked at 350 degreeC for 3 hours, and obtained the desulfurization agent a.

実施例1
図1に示す燃料電池システムにおいて、下記の試験を行った。直径2.5cmのステンレス鋼製の前段脱硫器及び後段脱硫器に、製造例1で得られた脱硫剤aをそれぞれ150g及び80g充填した。前段脱硫器と後段脱硫器は直列に接続されている。硫化カルボニル、ジメチルサルファイド、ジメチルジサルファイド及びt−メルカプタンを、硫黄分濃度がそれぞれ1.25質量ppmとなるように脱硫プロパンガス(高千穂化学工業株式会社製)に添加し、常圧下、室温において、PEFC燃料電池1kW出力に相当する供給速度である2L/分で前段脱硫器に供給した。露点計を用いて、供給時の硫黄含有プロパンガスの水分濃度を露点として測定したところ、−97℃であった。
硫黄含有プロパンガスの供給を開始してから1780時間経過した後、水分を窒素ガスで希釈し、この窒素ガスを、露点計で測定される露点が−35℃となるまで、硫黄含有プロパンガスに添加した。硫黄含有プロパンガスの供給開始から1785時間経過した後に、後段脱硫器出口の硫黄分濃度を測定したところ、0.05質量ppm未満であった。硫黄含有プロパンガスの供給開始から1800時間経過した後に、硫黄含有プロパンガスの供給を停止し、前段脱硫器中の脱硫剤を取り出した。前段脱硫器に脱硫剤を充填し、硫黄含有プロパンガスを供給し、この脱硫剤を取り出すまでの操作を1サイクルとする。
Example 1
The following tests were performed on the fuel cell system shown in FIG. 150 g and 80 g of the desulfurizing agent a obtained in Production Example 1 were charged in a front-stage desulfurizer and a rear-stage desulfurizer made of stainless steel having a diameter of 2.5 cm, respectively. The pre-stage desulfurizer and the post-stage desulfurizer are connected in series. Carbonyl sulfide, dimethyl sulfide, dimethyl disulfide and t-mercaptan are added to desulfurized propane gas (manufactured by Takachiho Chemical Co., Ltd.) so that the sulfur concentration is 1.25 ppm by mass, respectively, under normal pressure and room temperature. The PEFC fuel cell was supplied to the pre-desulfurizer at 2 L / min, which is a supply speed corresponding to 1 kW output. It was -97 degreeC when the moisture concentration of the sulfur containing propane gas at the time of supply was measured as a dew point using the dew point meter.
After 1780 hours have passed since the supply of the sulfur-containing propane gas was started, the moisture was diluted with nitrogen gas, and this nitrogen gas was converted into sulfur-containing propane gas until the dew point measured by the dew point meter was −35 ° C. Added. After 1785 hours from the start of supply of the sulfur-containing propane gas, the sulfur content concentration at the outlet of the post-desulfurizer was measured and found to be less than 0.05 mass ppm. After 1800 hours had elapsed from the start of the supply of the sulfur-containing propane gas, the supply of the sulfur-containing propane gas was stopped, and the desulfurization agent in the former stage desulfurizer was taken out. The operation from filling the desulfurizing agent into the pre-desulfurizer, supplying the sulfur-containing propane gas, and taking out the desulfurizing agent is one cycle.

1サイクル目が終了した後、引き続きこの前段脱硫器に脱硫剤aを150g充填し、上記と同様の操作を繰り返して、2サイクル目、3サイクル目及び4サイクル目の試験を行った。各サイクルにおける、硫黄含有プロパンガスの供給開始から1785時間経過した後の硫黄分濃度は全て0.05質量ppm未満であった。4サイクル目終了までの全脱硫剤使用量は680gであり、前段脱硫器中の脱硫剤の質量(a)に対する後段脱硫器中の脱硫剤の質量(b)の比(b/a)は0.53である。
1サイクル目が終了した後、前段脱硫器から取り出した脱硫剤中の硫黄分濃度を測定したところ、2.0gの硫黄分が含まれていることがわかった。また、4サイクル目が終了した後、後段脱硫器から脱硫剤を取り出し、脱硫剤中の硫黄分濃度を測定したところ、硫黄分0.5gが含まれていることがわかった。燃料電池出力1kWあたりの硫黄分吸着量は、前段脱硫器では2g以上、後段脱硫器では0.5g以上であることがわかる。
After the completion of the first cycle, 150 g of the desulfurizing agent a was continuously charged in this first-stage desulfurizer, and the same operation as described above was repeated, and the second, third, and fourth cycles were tested. In each cycle, the sulfur concentration after 1785 hours from the start of supply of the sulfur-containing propane gas was less than 0.05 ppm by mass. The total amount of desulfurizing agent used until the end of the fourth cycle is 680 g, and the ratio (b / a) of the mass (b) of the desulfurizing agent in the post-desulfurizer to the mass (a) of the desulfurizing agent in the pre-desulfurizer is 0. .53.
After the completion of the first cycle, the sulfur concentration in the desulfurizing agent taken out from the former desulfurizer was measured, and it was found that 2.0 g of sulfur was contained. Moreover, after the 4th cycle was complete | finished, when the desulfurization agent was taken out from the back | latter stage desulfurizer and the sulfur content density | concentration in a desulfurization agent was measured, it turned out that 0.5 g of sulfur content is contained. It can be seen that the sulfur adsorption amount per 1 kW of the fuel cell output is 2 g or more in the front-stage desulfurizer and 0.5 g or more in the rear-stage desulfurizer.

比較例1
実施例1において、後段脱硫器中における脱硫剤aの充填量を20gとし、かつ各サイクルの終了時に、後段脱硫器における使用済みの脱硫剤aを新しい脱硫剤a 20gと交換した以外は、実施例1と同様に試験を行った。
各サイクルにおける、硫黄含有プロパンガスの供給開始から1785時間経過した後の硫黄分濃度は、1サイクル目では1.3質量ppm、2サイクル目では1.0質量ppm、3サイクル目では1.5質量ppm、4サイクル目では1.2質量ppmであった。4サイクル目終了までの全脱硫剤使用量は680gであり、前段脱硫器中の脱硫剤の質量(a)に対する後段脱硫器中の脱硫剤の質量(b)の比(b/a)は0.13である。
1サイクル目が終了した後、前段脱硫器及び後段脱硫器から脱硫剤を取り出し、脱硫剤中の硫黄分濃度を測定したところ、前段脱硫器中の脱硫剤には2.0g、後段脱硫器中の脱硫剤には0.1gの硫黄分が含まれていることがわかった。
Comparative Example 1
In Example 1, the amount of the desulfurizing agent a in the latter-stage desulfurizer was set to 20 g, and at the end of each cycle, the used desulfurizer a in the latter-stage desulfurizer was replaced with 20 g of a new desulfurizer a. The test was conducted in the same manner as in Example 1.
In each cycle, the sulfur concentration after 1785 hours from the start of supply of the sulfur-containing propane gas was 1.3 ppm by mass in the first cycle, 1.0 ppm by mass in the second cycle, and 1.5 ppm in the third cycle. The mass ppm was 1.2 mass ppm at the fourth cycle. The total amount of desulfurizing agent used until the end of the fourth cycle is 680 g, and the ratio (b / a) of the mass (b) of the desulfurizing agent in the post-desulfurizer to the mass (a) of the desulfurizing agent in the pre-desulfurizer is 0. .13.
After the first cycle was completed, the desulfurization agent was taken out from the pre-stage desulfurizer and the post-stage desulfurizer, and the concentration of sulfur in the desulfurizer was measured. It was found that the desulfurizing agent contained 0.1 g of sulfur.

実施例2
図1に示す燃料電池システムにおいて、下記の試験を行った。直径2.5cmのステンレス鋼製の前段脱硫器及び後段脱硫器に、製造例1で得られた脱硫剤aをそれぞれ150g及び80g充填した。前段脱硫器と後段脱硫器は直列に接続されている。硫化カルボニル、ジメチルサルファイド、ジメチルジサルファイド及びt−メルカプタンを、硫黄分濃度がそれぞれ1.25質量ppmとなるように脱硫プロパンガス(高千穂化学工業株式会社製)に添加し、常圧下、室温において供給速度2L/分で前段脱硫器に供給した。
硫黄含有プロパンガスの供給を開始してから1780時間経過した後、この硫黄含有プロパンガスに、硫化カルボニル、ジメチルサルファイド、ジメチルジサルファイド及びt−メルカプタンを添加し、それぞれの硫黄分濃度が2.5質量ppmとなるように調整した。硫黄含有プロパンガスの供給開始から1785時間経過した後に、後段脱硫器出口の硫黄分濃度を測定したところ、0.05質量ppm未満であった。硫黄含有プロパンガスの供給開始から1800時間経過した後に、硫黄含有プロパンガスの供給を停止し、前段脱硫器中の脱硫剤を取り出した。前段脱硫器に脱硫剤を充填し、硫黄含有プロパンガスを供給し、この脱硫剤を取り出すまでの操作を1サイクルとする。
1サイクル目が終了した後、引き続きこの前段脱硫器に脱硫剤aを150g充填し、上記と同様の操作を繰り返して、2サイクル目、3サイクル目及び4サイクル目の試験を行った。各サイクルにおける、硫黄含有プロパンガスの供給開始から1785時間経過した後の硫黄分濃度は全て0.05質量ppm未満であった。4サイクル目終了までの全脱硫剤使用量は680gであり、前段脱硫器中の脱硫剤の質量(a)に対する後段脱硫器中の脱硫剤の質量(b)の比(b/a)は0.53である。
Example 2
The following tests were performed on the fuel cell system shown in FIG. 150 g and 80 g of the desulfurizing agent a obtained in Production Example 1 were charged in a front-stage desulfurizer and a rear-stage desulfurizer made of stainless steel having a diameter of 2.5 cm, respectively. The pre-stage desulfurizer and the post-stage desulfurizer are connected in series. Carbonyl sulfide, dimethyl sulfide, dimethyl disulfide and t-mercaptan are added to desulfurized propane gas (manufactured by Takachiho Chemical Co., Ltd.) so that the sulfur concentration is 1.25 ppm by mass, and supplied at normal pressure and room temperature. The pre-desulfurizer was supplied at a rate of 2 L / min.
After 1780 hours have passed since the supply of the sulfur-containing propane gas was started, carbonyl sulfide, dimethyl sulfide, dimethyl disulfide and t-mercaptan were added to the sulfur-containing propane gas, and the respective sulfur content concentrations were 2.5. It adjusted so that it might become mass ppm. After 1785 hours from the start of supply of the sulfur-containing propane gas, the sulfur content concentration at the outlet of the post-desulfurizer was measured and found to be less than 0.05 mass ppm. After 1800 hours had elapsed from the start of the supply of the sulfur-containing propane gas, the supply of the sulfur-containing propane gas was stopped, and the desulfurization agent in the former stage desulfurizer was taken out. The operation from filling the desulfurizing agent into the pre-desulfurizer, supplying the sulfur-containing propane gas, and taking out the desulfurizing agent is one cycle.
After the completion of the first cycle, 150 g of the desulfurizing agent a was continuously charged in this first-stage desulfurizer, and the same operation as described above was repeated, and the second, third, and fourth cycles were tested. In each cycle, the sulfur concentration after 1785 hours from the start of supply of the sulfur-containing propane gas was less than 0.05 ppm by mass. The total amount of desulfurizing agent used until the end of the fourth cycle is 680 g, and the ratio (b / a) of the mass (b) of the desulfurizing agent in the post-desulfurizer to the mass (a) of the desulfurizing agent in the pre-desulfurizer is 0. .53.

比較例2
実施例2において、後段脱硫器中における脱硫剤aの充填量を20gとし、かつ各サイクルの終了時に、後段脱硫器における使用済みの脱硫剤aを新しい脱硫剤a 20gと交換した以外は、実施例2と同様に試験を行った。
各サイクルにおける、硫黄含有プロパンガスの供給開始から1785時間経過した後の硫黄分濃度は、1サイクル目では2.5質量ppm、2サイクル目では2.1質量ppm、3サイクル目では2.3質量ppm、4サイクル目では2.0質量ppmであった。4サイクル目終了までの全脱硫剤使用量は680gであり、前段脱硫器中の脱硫剤の質量(a)に対する後段脱硫器中の脱硫剤の質量(b)の比(b/a)は0.13である。
1サイクル目が終了した後、前段脱硫器及び後段脱硫器から脱硫剤を取り出し、脱硫剤中の硫黄分濃度を測定したところ、前段脱硫器中の脱硫剤には2.0g、後段脱硫器中の脱硫剤には0.1gの硫黄分が含まれていることがわかった。
Comparative Example 2
In Example 2, the amount of the desulfurizing agent a in the latter-stage desulfurizer was set to 20 g, and the used desulfurizer a in the latter-stage desulfurizer was replaced with 20 g of a new desulfurizer a at the end of each cycle. The test was conducted in the same manner as in Example 2.
In each cycle, the sulfur concentration after 1785 hours from the start of supply of the sulfur-containing propane gas was 2.5 mass ppm in the first cycle, 2.1 mass ppm in the second cycle, and 2.3 in the third cycle. The mass ppm was 2.0 mass ppm at the fourth cycle. The total amount of desulfurizing agent used until the end of the fourth cycle is 680 g, and the ratio (b / a) of the mass (b) of the desulfurizing agent in the post-desulfurizer to the mass (a) of the desulfurizing agent in the pre-desulfurizer is 0. .13.
After the completion of the first cycle, the desulfurization agent was taken out from the pre-stage desulfurizer and the post-stage desulfurizer, and the concentration of sulfur in the desulfurization agent was measured. This desulfurization agent was found to contain 0.1 g of sulfur.

実施例3
図1に示す燃料電池システムにおいて、下記の試験を行った。直径2.5cmのステンレス鋼製の前段脱硫器及び後段脱硫器に、製造例1で得られた脱硫剤aをそれぞれ150g及び240g充填した。前段脱硫器と後段脱硫器は直列に接続されている。硫化カルボニル、ジメチルサルファイド、ジメチルジサルファイド及びt−メルカプタンを、硫黄分濃度がそれぞれ1.25質量ppmとなるように脱硫プロパンガス(高千穂化学工業株式会社製)に添加し、常圧下、室温において供給速度2L/分で前段脱硫器に供給した。
硫黄含有プロパンガスの供給を開始してから2780時間経過した後、この硫黄含有プロパンガスに、硫化カルボニル、ジメチルサルファイド、ジメチルジサルファイド及びt−メルカプタンを添加し、それぞれの硫黄分濃度が2.5質量ppmとなるように調整した。硫黄含有プロパンガスの供給開始から2785時間経過した後に、後段脱硫器出口の硫黄分濃度を測定したところ、0.05質量ppm未満であった。硫黄含有プロパンガスの供給開始から2800時間経過した後に、硫黄含有プロパンガスの供給を停止し、前段脱硫器中の脱硫剤を取り出した。前段脱硫器に脱硫剤を充填し、硫黄含有プロパンガスを供給し、この脱硫剤を取り出すまでの操作を1サイクルとする。
1サイクル目が終了した後、引き続きこの前段脱硫器に脱硫剤aを150g充填し、上記と同様の操作を繰り返して、2〜8サイクル目の試験を行った。各サイクルにおける、硫黄含有プロパンガスの供給開始から2800時間経過した後の硫黄分濃度は全て0.05質量ppm未満であった。8サイクル目終了までの全脱硫剤使用量は1440gであり、前段脱硫器中の脱硫剤の質量(a)に対する後段脱硫器中の脱硫剤の質量(b)の比(b/a)は1.6である。
Example 3
The following tests were performed on the fuel cell system shown in FIG. 150 g and 240 g of the desulfurizing agent a obtained in Production Example 1 were charged in a front-stage desulfurizer and a rear-stage desulfurizer made of stainless steel having a diameter of 2.5 cm, respectively. The pre-stage desulfurizer and the post-stage desulfurizer are connected in series. Carbonyl sulfide, dimethyl sulfide, dimethyl disulfide and t-mercaptan are added to desulfurized propane gas (manufactured by Takachiho Chemical Co., Ltd.) so that the sulfur concentration is 1.25 ppm by mass, and supplied at normal pressure and room temperature. The pre-desulfurizer was supplied at a rate of 2 L / min.
After 2780 hours have passed since the start of the supply of the sulfur-containing propane gas, carbonyl sulfide, dimethyl sulfide, dimethyl disulfide and t-mercaptan were added to the sulfur-containing propane gas, and each sulfur content concentration was 2.5. It adjusted so that it might become mass ppm. After 2785 hours from the start of supply of the sulfur-containing propane gas, the sulfur content concentration at the outlet of the post-stage desulfurizer was measured and found to be less than 0.05 mass ppm. After 2800 hours had elapsed from the start of the supply of the sulfur-containing propane gas, the supply of the sulfur-containing propane gas was stopped, and the desulfurization agent in the former stage desulfurizer was taken out. The operation from filling the desulfurizing agent into the pre-desulfurizer, supplying the sulfur-containing propane gas, and taking out the desulfurizing agent is one cycle.
After the completion of the first cycle, 150 g of the desulfurizing agent a was continuously charged in this first-stage desulfurizer, and the same operations as described above were repeated, and the second to eighth cycle tests were performed. In each cycle, the concentration of sulfur after 2800 hours from the start of supply of the sulfur-containing propane gas was less than 0.05 ppm by mass. The total amount of desulfurizing agent used up to the end of the eighth cycle is 1440 g, and the ratio (b / a) of the mass (b) of the desulfurizing agent in the post-desulfurizer to the mass (a) of the desulfurizing agent in the pre-stage desulfurizer is 1. .6.

実施例4
図1に示す燃料電池システムにおいて、下記の試験を行った。直径2.5cmのステンレス鋼製の前段脱硫器及び後段脱硫器に、製造例1で得られた脱硫剤aをそれぞれ150g及び30g充填した。前段脱硫器と後段脱硫器は直列に接続されている。硫化カルボニル、ジメチルサルファイド、ジメチルジサルファイド及びt−メルカプタンを、硫黄分濃度がそれぞれ1.25質量ppmとなるように脱硫プロパンガス(高千穂化学工業株式会社製)に添加し、常圧下、室温において供給速度2L/分で前段脱硫器に供給した。露点計を用いて、供給時の硫黄含有プロパンガスの水分濃度を露点として測定したところ、−97℃であった。
硫黄含有プロパンガスの供給を開始してから1780時間経過した後、水分を窒素ガスで希釈し、この窒素ガスを、露点計で測定される露点が−35℃となるまで、硫黄含有プロパンガスに添加した。硫黄含有プロパンガスの供給開始から1785時間経過した後に、後段脱硫器出口の硫黄分濃度を測定したところ、0.05質量ppm未満であった。硫黄含有プロパンガスの供給開始から1800時間経過した後に、硫黄含有プロパンガスの供給を停止し、前段脱硫器中の脱硫剤を取り出した。前段脱硫器に脱硫剤を充填し、硫黄含有プロパンガスを供給し、この脱硫剤を取り出すまでの操作を1サイクルとする。
1サイクル目が終了した後、引き続きこの前段脱硫器に脱硫剤aを150g充填し、上記と同様の操作を繰り返して、2サイクル目の試験を行った。2サイクル目における、硫黄含有プロパンガスの供給開始から1785時間経過した後の硫黄濃分度は0.05質量ppm未満であった。2サイクル目終了までの全脱硫剤使用量は330gであり、前段脱硫器中の脱硫剤の質量(a)に対する後段脱硫器中の脱硫剤の質量(b)の比(b/a)は0.2である。
Example 4
The following tests were performed on the fuel cell system shown in FIG. 150 g and 30 g of the desulfurizing agent a obtained in Production Example 1 were charged in a front-stage desulfurizer and a rear-stage desulfurizer made of stainless steel having a diameter of 2.5 cm, respectively. The pre-stage desulfurizer and the post-stage desulfurizer are connected in series. Carbonyl sulfide, dimethyl sulfide, dimethyl disulfide, and t-mercaptan are added to desulfurized propane gas (manufactured by Takachiho Chemical Industry Co., Ltd.) so that the sulfur concentration is 1.25 ppm by mass, and supplied at normal pressure and room temperature. The pre-desulfurizer was supplied at a rate of 2 L / min. It was -97 degreeC when the moisture concentration of the sulfur containing propane gas at the time of supply was measured as a dew point using the dew point meter.
After 1780 hours have passed since the supply of the sulfur-containing propane gas was started, the moisture was diluted with nitrogen gas, and this nitrogen gas was converted into sulfur-containing propane gas until the dew point measured by the dew point meter was −35 ° C. Added. After 1785 hours from the start of supply of the sulfur-containing propane gas, the sulfur content concentration at the outlet of the post-desulfurizer was measured and found to be less than 0.05 mass ppm. After 1800 hours had elapsed from the start of the supply of the sulfur-containing propane gas, the supply of the sulfur-containing propane gas was stopped, and the desulfurization agent in the former stage desulfurizer was taken out. The operation from filling the desulfurizing agent into the pre-desulfurizer, supplying the sulfur-containing propane gas, and taking out the desulfurizing agent is one cycle.
After the completion of the first cycle, 150 g of the desulfurizing agent a was continuously charged in this first-stage desulfurizer, and the same operation as described above was repeated to carry out the second cycle test. In the second cycle, the sulfur concentration after 1785 hours from the start of supply of the sulfur-containing propane gas was less than 0.05 ppm by mass. The total amount of desulfurizing agent used up to the end of the second cycle is 330 g, and the ratio (b / a) of the mass (b) of the desulfurizing agent in the post-desulfurizer to the mass (a) of the desulfurizing agent in the pre-desulfurizer is 0. .2.

本発明の脱硫方法によれば、最小限量の脱硫剤で燃料電池用燃料の硫黄分を極めて低濃度まで効率よく除去することができると共に、この燃料の一時的な不純物や硫黄分濃度の変動においても、後流側への硫黄化合物の漏れ出しを制御することができるので、燃料電池システムに搭載される改質器内触媒及び燃料電池セル触媒の硫黄による被毒を防止することができ、燃料電池用の水素を効率的に製造することができる。   According to the desulfurization method of the present invention, the sulfur content of the fuel cell fuel can be efficiently removed to a very low concentration with a minimum amount of the desulfurization agent, and the temporary impurities and the sulfur content concentration of the fuel can be reduced. In addition, since leakage of sulfur compounds to the downstream side can be controlled, poisoning due to sulfur in the reformer catalyst and the fuel cell catalyst mounted in the fuel cell system can be prevented. Hydrogen for batteries can be produced efficiently.

本発明の燃料電池システムの一例を示す概略フロー図である。It is a schematic flowchart which shows an example of the fuel cell system of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1:燃料電池システム
11:水供給管
12:燃料導入管
20:水素製造システム
21:ガス状炭化水素化合物ボンベ
22:燃料供給ライン
23:脱硫器
24:水ポンプ
31:改質器
31A:改質器のバーナ
32:CO変成器
33:CO選択酸化器
34:燃料電池
34A:燃料電池負極
34B:燃料電池正極
34C:燃料電池高分子電解質
35:空気ブロワー
36:気水分離器
37:排熱回収装置
37A:熱交換器
37B:熱交換器
37C:冷却器
37D:冷媒循環ポンプ
38: 流量調節バルブ


1: Fuel cell system 11: Water supply pipe 12: Fuel introduction pipe 20: Hydrogen production system 21: Gaseous hydrocarbon compound cylinder 22: Fuel supply line 23: Desulfurizer 24: Water pump 31: Reformer 31A: Reformation Burner 32: CO converter 33: CO selective oxidizer 34: Fuel cell 34A: Fuel cell negative electrode 34B: Fuel cell positive electrode 34C: Fuel cell polymer electrolyte 35: Air blower 36: Air / water separator 37: Waste heat recovery Device 37A: Heat exchanger 37B: Heat exchanger 37C: Cooler 37D: Refrigerant circulation pump 38: Flow rate adjusting valve


Claims (14)

燃料電池システムに配設され、前段脱硫器と後段脱硫器とを具備した脱硫装置を用いて燃料電池用燃料を脱硫する方法であって、前段脱硫器中の脱硫剤を周期的に交換し、後段脱硫器中の脱硫剤を半恒久的に使用することを特徴とする燃料電池用燃料の脱硫方法。   A method of desulfurizing fuel for a fuel cell using a desulfurization apparatus that is disposed in a fuel cell system and includes a first-stage desulfurizer and a second-stage desulfurizer, and periodically replacing a desulfurization agent in the first-stage desulfurizer, A method for desulfurizing a fuel for a fuel cell, comprising using a desulfurizing agent in a post-desulfurizer semipermanently. 前段脱硫器中の脱硫剤の質量(a)に対する後段脱硫器中の脱硫剤の質量(b)の比(b/a)が、0.2〜2である請求項1に記載の燃料電池用燃料の脱硫方法。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the ratio (b / a) of the mass (b) of the desulfurizer in the post-desulfurizer to the mass (a) of the desulfurizer in the pre-stage desulfurizer is 0.2-2. Fuel desulfurization method. 燃料電池出力1kWあたりの硫黄分吸着量が、前段脱硫器において2g以上、後段脱硫器において0.5g以上である請求項1又は2に記載の燃料電池用燃料の脱硫方法。   The method for desulfurizing a fuel for a fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the adsorption amount of sulfur per 1 kW of fuel cell output is 2 g or more in the former stage desulfurizer and 0.5 g or more in the latter stage desulfurizer. 燃料電池用燃料が、ガス状炭化水素化合物である請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池用燃料の脱硫方法。   The fuel cell fuel desulfurization method according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel cell fuel is a gaseous hydrocarbon compound. 前段脱硫器及び後段脱硫器に充填される脱硫剤が、硫化カルボニル、硫化水素、メルカプタン類、サルファイド類及びジサルファイド類を吸着する能力を有する脱硫剤である請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池用燃料の脱硫方法。   The desulfurizing agent charged in the first-stage desulfurizer and the second-stage desulfurizer is a desulfurization agent having an ability to adsorb carbonyl sulfide, hydrogen sulfide, mercaptans, sulfides, and disulfides. Fuel cell fuel desulfurization method. 脱硫剤が、(A)ゼオライトを含む脱硫剤及び/又は(B)金属元素、金属酸化物及び金属成分担持酸化物の中から選ばれる少なくとも一種を含む脱硫剤である請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電池用燃料の脱硫方法。   The desulfurizing agent is (A) a desulfurizing agent containing zeolite and / or (B) a desulfurizing agent containing at least one selected from metal elements, metal oxides and metal component-supported oxides. A method for desulfurizing a fuel cell fuel according to claim 1. ゼオライトが、ベータ(BEA)構造を有するゼオライト及び/又はフォージャサイト(FAU)構造を有するゼオライトである請求項6に記載の燃料電池用燃料の脱硫方法。   The fuel cell fuel desulfurization method according to claim 6, wherein the zeolite is a zeolite having a beta (BEA) structure and / or a zeolite having a faujasite (FAU) structure. ゼオライトを含む脱硫剤が、ゼオライトと共に、Ag成分、Cu成分、Ni成分、Zn成分、Mn成分、Fe成分、Co成分、アルカリ金属成分、アルカリ土類金属成分及び希土類金属成分よりなる群から選ばれる少なくとも一種の金属成分を含むものである請求項6又は7に記載の燃料電池用燃料の脱硫方法。   The desulfurizing agent containing zeolite is selected from the group consisting of Ag component, Cu component, Ni component, Zn component, Mn component, Fe component, Co component, alkali metal component, alkaline earth metal component and rare earth metal component together with zeolite. The method for desulfurizing a fuel for a fuel cell according to claim 6 or 7, comprising at least one metal component. 金属元素、金属酸化物及び金属成分担持酸化物の中から選ばれる少なくとも一種を含む脱硫剤が、Ag成分、Cu成分、Ni成分、Zn成分、Mn成分、Fe成分、Co成分、Al成分、Si成分、アルカリ金属成分、アルカリ土類金属成分及び希土類金属成分よりなる群から選ばれる少なくとも一種の金属成分を含むものである請求項6〜8のいずれかに記載の燃料電池用燃料の脱硫方法。   A desulfurization agent containing at least one selected from metal elements, metal oxides and metal component-supported oxides is an Ag component, Cu component, Ni component, Zn component, Mn component, Fe component, Co component, Al component, Si The fuel cell fuel desulfurization method according to any one of claims 6 to 8, comprising at least one metal component selected from the group consisting of a component, an alkali metal component, an alkaline earth metal component, and a rare earth metal component. 請求項1〜9のいずれかに記載の脱硫方法で脱硫処理された燃料電池用燃料を改質することを特徴とする燃料電池用水素の製造方法。   A method for producing hydrogen for a fuel cell, comprising reforming the fuel for a fuel cell desulfurized by the desulfurization method according to claim 1. 改質が水蒸気改質、部分酸化改質、又はオートサーマル改質である請求項10に記載の燃料電池用水素の製造方法。   The method for producing hydrogen for a fuel cell according to claim 10, wherein the reforming is steam reforming, partial oxidation reforming, or autothermal reforming. 改質に用いる触媒がルテニウム系触媒又はニッケル系触媒である請求項10又は11に記載の燃料電池用水素の製造方法。   The method for producing hydrogen for a fuel cell according to claim 10 or 11, wherein the catalyst used for reforming is a ruthenium catalyst or a nickel catalyst. 改質に用いる触媒の担体成分が、酸化マンガン、酸化セリウム、及び酸化ジルコニウムから選ばれる少なくとも一種を含む請求項12に記載の燃料電池用水素の製造方法。   The method for producing hydrogen for a fuel cell according to claim 12, wherein the carrier component of the catalyst used for reforming contains at least one selected from manganese oxide, cerium oxide, and zirconium oxide. 請求項10〜13のいずれかに記載の方法により製造された水素を用いることを特徴とする燃料電池システム。


A fuel cell system using hydrogen produced by the method according to claim 10.


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