JP2006342003A - Hydrogen production apparatus and method for stopping the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素製造装置及び水素製造装置の停止方法に関する。 The present invention relates to a hydrogen production apparatus and a hydrogen production apparatus stop method.
水素製造装置は、例えば、炭化水素系の燃料と水蒸気と空気とを混合して、燃焼触媒層を通して前記燃料の一部を燃焼させた後、改質触媒層に供給して、燃料を水蒸気により改質させて水素を含む改質ガスを生成する改質器と、改質器で生成された改質ガス中のCOを低減して燃料電池のアノードに供給するCO低減器とを備えて構成される。また、燃料電池は、CO低減器から供給される改質ガス中の水素と空気中の酸素とを反応させて発電するものであり、例えば、固体高分子型の燃料電池が用いられる。 The hydrogen production apparatus, for example, mixes a hydrocarbon-based fuel, steam and air, burns a part of the fuel through the combustion catalyst layer, and supplies the fuel to the reforming catalyst layer. A reformer configured to generate reformed gas containing hydrogen by reforming, and a CO reducer that reduces CO in the reformed gas generated by the reformer and supplies it to the anode of the fuel cell Is done. The fuel cell generates power by reacting hydrogen in the reformed gas supplied from the CO reducer and oxygen in the air. For example, a solid polymer fuel cell is used.
このような水素製造装置により製造された改質ガスにより発電する燃料電池システムを停止するとき、水素製造装置内に残留する水素を含む改質ガスをパージすることにより、残留ガスの異常燃焼や、水蒸気の凝縮に起因する触媒等の劣化を防止することが行われている。パージガスとしては、例えば、水蒸気、窒素ガス(N2)、等の不活性ガスが用いられている(特許文献1、特許文献2)。しかし、水蒸気をパージガスとすると、水素製造装置の停止後に装置内に残った水蒸気が結露して、改質触媒等の触媒が劣化するおそれがある。このような問題は、窒素をパージガスとして使用すれば回避できるが、運転停止時のみに使用される窒素ガスをタンクに貯蔵しておく必要があり、貯蔵設備などの無駄が大きいという問題がある。
When stopping the fuel cell system that generates power using the reformed gas produced by such a hydrogen production device, by purging the reformed gas containing hydrogen remaining in the hydrogen production device, abnormal combustion of the residual gas, Prevention of deterioration of the catalyst and the like due to condensation of water vapor has been performed. The purge gas, for example, water vapor, nitrogen gas (N 2), an inert gas etc. are used (
また、特許文献3には、燃料電池のアノード排ガス等の可燃性ガスを燃焼させた排ガスを、パージガスとして用いることが提案されている。しかし、運転停止時のみに使用されるパージガスとしての燃焼排ガスを生成するために、燃焼装置を別途設ける必要があるから、設備コスト等を必ずしも低減することができない。
一方、改質反応に炭化水素系の燃料を用いると、運転中に分解された燃料中のカーボンが燃焼触媒等に付着し、水素製造装置を再起動した際、その付着カーボンが燃焼して一時的に燃焼触媒の温度が異常に上昇(例えば、約950℃以上)することがある。この温度上昇のために、金属を用いた燃焼触媒の活性劣化が加速するという問題がある。 On the other hand, when a hydrocarbon-based fuel is used for the reforming reaction, carbon in the fuel decomposed during operation adheres to the combustion catalyst and the like, and when the hydrogen production apparatus is restarted, the adhering carbon burns temporarily. In particular, the temperature of the combustion catalyst may rise abnormally (for example, about 950 ° C. or more). Due to this temperature increase, there is a problem that the activity deterioration of the combustion catalyst using metal accelerates.
この付着カーボンに類似する問題として、特許文献4に、液体の炭化水素系燃料を用いた改質器において、改質触媒にカーボンが析出し、改質反応が阻害されるという問題が提起されている。そして、同文献によれば、燃料の供給を間欠的に停止し、燃料供給の停止中に酸化ガスを供給して析出カーボンを燃焼除去することが提案されている。
As a problem similar to this adhering carbon,
しかし、特許文献4には、運転中に燃焼触媒等にカーボンが付着し、再起動時にそのカーボンが燃焼して異常上昇するという問題については考慮されていない。特に、燃料の供給を間欠的に停止すると、改質ガスの生成効率が低下するから、燃焼触媒の付着カーボンを除去する解決策としては採用し難い。
However,
本発明は、酸素含有量及び水分含有量が少なく、かつ格別な装置を用いることなく、水素製造装置の残留ガスをパージするパージガスを供給することを課題とする。 An object of the present invention is to supply a purge gas for purging a residual gas of a hydrogen production apparatus without using a special apparatus with low oxygen content and water content.
また、本発明は、燃焼触媒に付着するカーボンを除去して、水素製造装置の再起動時に燃焼触媒の温度が異常上昇するのを回避することを他の課題とする。 Another object of the present invention is to remove carbon adhering to the combustion catalyst and to avoid an abnormal rise in the temperature of the combustion catalyst when the hydrogen production apparatus is restarted.
上記課題を解決するため、本発明は、燃料電池のアノード排ガスを燃焼して燃料と水蒸気と空気の少なくとも一つを加熱する補助燃焼器が備えられている水素製造装置を前提とし、水素製造装置の停止時に、燃料と空気と水蒸気の供給を停止した後、補助燃焼器の排ガスを改質器に供給して水素製造装置の残留ガスをパージすることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention presupposes a hydrogen production apparatus provided with an auxiliary combustor that burns anode exhaust gas of a fuel cell and heats at least one of fuel, water vapor, and air. When the fuel, the supply of fuel, air and water vapor are stopped, the exhaust gas of the auxiliary combustor is supplied to the reformer to purge the residual gas of the hydrogen production apparatus.
すなわち、通常運転時において燃料電池のアノード排ガスの燃焼熱により、改質反応に必要な燃料等を加熱して熱収支を改善する補助燃焼器の燃焼排ガスは、水素製造装置を停止する場合、もはや燃料等の加熱は不要になるから大気等に排出される。そこで、本発明は、補助燃焼器から大気に排出される燃焼排ガスを、水素製造装置の停止時のパージガスとして用いることを特徴とする。 That is, the combustion exhaust gas of the auxiliary combustor that improves the heat balance by heating the fuel necessary for the reforming reaction by the combustion heat of the anode exhaust gas of the fuel cell during normal operation is no longer present when the hydrogen production device is stopped. Since heating of fuel etc. becomes unnecessary, it is discharged into the atmosphere. Therefore, the present invention is characterized in that the combustion exhaust gas discharged from the auxiliary combustor to the atmosphere is used as a purge gas when the hydrogen production apparatus is stopped.
なお、アノード排ガスの排出量は水素製造装置の停止によって速やかに減少するから、補助燃料を燃焼するようにする。また、補助燃料に対する燃焼空気比を0.9から1.1の範囲に制御することが好ましい。これによれば、パージガスとして用いる燃焼排ガスの酸素濃度を低下でき、触媒の酸化を防止することができる。 In addition, since the discharge amount of the anode exhaust gas is rapidly reduced by stopping the hydrogen production apparatus, the auxiliary fuel is burned. Further, it is preferable to control the combustion air ratio to the auxiliary fuel in the range of 0.9 to 1.1. According to this, the oxygen concentration of the combustion exhaust gas used as the purge gas can be reduced, and the oxidation of the catalyst can be prevented.
本発明は、上記の他の課題を解決するため、水素製造装置を停止する際に、燃料及び空気の供給を停止して水蒸気の供給を継続し、その後に空気を再供給することを特徴とする。すなわち、燃料及び空気の供給を停止して水蒸気を継続して供給することにより、改質器及びCO低減器等に残留している改質ガスが速やかにパージされるから、その後に、空気の供給を再開しても可燃性ガスの異常燃焼を防止できる。そして、空気の供給再開により燃焼触媒等に付着しているカーボンが燃焼除去されるから、水素製造装置の次の起動時に燃焼触媒が異常高温になることを回避できる。 In order to solve the other problems described above, the present invention is characterized in that when the hydrogen production apparatus is stopped, the supply of fuel and air is stopped and the supply of water vapor is continued, and then the air is supplied again. To do. That is, by stopping the supply of fuel and air and continuously supplying water vapor, the reformed gas remaining in the reformer and the CO reducer is quickly purged. Even if the supply is resumed, abnormal combustion of the combustible gas can be prevented. Since carbon adhering to the combustion catalyst or the like is combusted and removed by restarting the supply of air, it is possible to avoid the combustion catalyst from becoming an abnormally high temperature at the next startup of the hydrogen production apparatus.
ここで、空気の供給再開のタイミングは、残留ガスがパージされた後であって、燃焼触媒の温度が付着カーボンの燃焼可能な温度(例えば、550℃)以上であることが条件となる。また、カーボンの燃焼の際に発生する熱で燃焼触媒が劣化するのを防ぐため、水蒸気と空気の流量比を制御して、燃焼触媒層の温度を設定温度以下(例えば、900℃以下好ましくは850℃以下)に保持することが好ましい。 Here, the timing of restarting the supply of air is after the residual gas has been purged, and the condition is that the temperature of the combustion catalyst is equal to or higher than the temperature at which the attached carbon can be combusted (for example, 550 ° C.). Further, in order to prevent the combustion catalyst from being deteriorated by heat generated during carbon combustion, the flow rate ratio of water vapor and air is controlled so that the temperature of the combustion catalyst layer is lower than a set temperature (for example, 900 ° C. or lower, preferably It is preferable to hold | maintain at 850 degrees C or less.
上記の場合において、パージガスとしての水蒸気に代えて、補助燃焼器の排ガスを用いることができる。また、窒素ガスを用いることもできる。 In the above case, the exhaust gas of the auxiliary combustor can be used instead of water vapor as the purge gas. Nitrogen gas can also be used.
また、上記の他の課題を解決するため、本発明は、水素製造装置を停止する際に、燃料及び空気の供給を停止して水蒸気の供給を継続した後、水蒸気の供給を停止して空気の供給を再開し、燃焼触媒層の温度がピーク値に達した後に空気の供給を停止することを特徴とする。 In order to solve the above other problems, the present invention stops the supply of steam and water after stopping the supply of fuel and air when the hydrogen production apparatus is stopped. The supply of air is resumed, and the supply of air is stopped after the temperature of the combustion catalyst layer reaches the peak value.
これによれば、上記の効果に加えて、燃焼温度のピークによって付着カーボンが燃焼除去されたことを検知できるから、過剰な空気供給を防ぐことができ、酸素によるCO選択酸化触媒の劣化を防ぐことができる。 According to this, in addition to the above effect, it can be detected that the attached carbon has been burned and removed by the peak of the combustion temperature, so that excessive air supply can be prevented and deterioration of the CO selective oxidation catalyst due to oxygen can be prevented. be able to.
本発明によれば、酸素含有量及び水分含有量が少なく、かつ格別な装置を用いることなく、水素製造装置の残留ガスをパージするパージガスを供給することができる。 According to the present invention, the purge gas for purging the residual gas of the hydrogen production apparatus can be supplied without using a special apparatus with a small oxygen content and water content.
また、本発明によれば、改質器内の燃焼触媒等に付着するカーボンを除去して、水素製造装置の再起動時に燃焼触媒の温度が異常上昇するのを回避することができる。 Further, according to the present invention, it is possible to remove carbon adhering to the combustion catalyst or the like in the reformer, and to avoid an abnormal increase in the temperature of the combustion catalyst when the hydrogen production apparatus is restarted.
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on examples.
図1に、本発明の水素製造装置の停止方法の一実施例を適用可能な燃料電池システムの構成を示す。図に示すように、燃料電池システムは、原料ガスから水素を含む改質ガスを生成する小型の水素製造装置1と、水素を原料として発電する固体高分子型の燃料電池2と、水素製造装置1内に供給されるガスの昇温を補助する補助燃焼器3とを備え構成される。
FIG. 1 shows the configuration of a fuel cell system to which one embodiment of a method for stopping a hydrogen production apparatus of the present invention can be applied. As shown in the figure, a fuel cell system includes a small-sized
水素製造装置1を構成する改質反応器4は、竪型の筒状容器内に、底部から上部に向けて順に、燃焼触媒層5、改質触媒層6、COシフト触媒層7、CO選択酸化触媒層8を配設して構成される。また、燃焼触媒層5の下方の空間に起動バーナ9が設けられている。さらに、改質触媒層6とCOシフト触媒層7との間の空間に蒸気発生用熱交換器10が設けられている。また、COシフト触媒層7内には、COシフト用熱交換器11が設けられ、CO選択酸化触媒層8内には、CO選択酸化用熱交換器12が設けられている。
The reforming
起動バーナ9の改質反応器4の下部空間に、ブロア13から燃料である都市ガス14が、ブロア15から燃焼用の空気16が、蒸気発生用熱交換器10から水蒸気17が、それぞれ供給されるようになっている。また、燃焼触媒層5と改質触媒層6との境界に熱電対の温度センサ18が設けられ、改質触媒層6と蒸気発生用熱交換器10の間の空間に熱電対の温度センサ19が設けられている。さらに、COシフト触媒層7とCO選択酸化触媒層8の間の空間に空気20を投入可能になっている。COシフト用熱交換器11とCO選択酸化用熱交換器12とには、それらの触媒温度を調整するために、それぞれ水ポンプ21、22から冷却水が供給可能になっている。
To the lower space of the reforming
このように構成された改質反応器4の頂部から排出される水素に富んだ改質ガスは、改質ガス供給管23を介して燃料電池2のアノード室に供給されるようになっている。燃料電池2のカソード室には空気24が供給されている。燃料電池2においては、改質ガス中の水素と空気中の酸素が電解質膜を介して反応して発電するようになっている。カソード室からは未反応酸素を含むカソード排ガス25が排出され、アノード室からは未反応水素を含むアノード排ガス26が排出される。アノード排ガス26は、補助燃焼器3の補助バーナ27に導かれて燃焼されるようになっている。
The reformed gas rich in hydrogen discharged from the top of the reforming
補助燃焼器3の補助バーナ27には、補助燃料として都市ガス14が供給され、燃焼用空気として空気16が供給されている。また、補助燃焼器3内には熱交換器28が設けられている。熱交換器28は水ポンプ29から供給される水を補助燃焼器3の排ガスで加熱して、改質反応器4の蒸気発生用熱交換器10に供給するようになっている。補助燃焼器3の排ガス30は、切替弁31を介して大気中に放出可能になっている。また、切替弁31を切り替えると、排ガス30は除湿器32を介してパージガス33として、起動バーナ9の下部空間に供給可能になっている。なお、除湿器32は、パージガス33中の水分を除去するためのものであり、パージガス33中の水分量が改質反応器4内の触媒にとって問題にならない程度の場合は、省略することができる。
The
また、制御器34は、水素製造装置1の全体を制御するものであり、図示例では、温度センサ18、19の検出温度を取り込むとともに、水素製造装置1の状態に応じてブロア13、ブロア15、水ポンプ29及び切替弁31等を制御するようになっている。
The
このように構成される本実施例の動作について説明する。改質反応器4の起動バーナ9の下部空間に燃料14と空気16を供給して起動バーナ9を運転する。起動時は、燃料に対する空気比は、1.2程度にする。また、本実施例では燃料14にメタンを主成分とする都市ガスを用いたが、燃料としてはこれに限らず、天然ガス、LPガス、ガソリン、灯油などの炭化水素燃料を使用することができる。
The operation of this embodiment configured as described above will be described. The
起動バーナ9の燃焼ガスにより燃焼触媒層5と改質触媒層6の温度が十分に上昇すると、蒸気発生用熱交換器10から水蒸気17が供給され、改質触媒層6において燃料14の改質が可能な状態になる。そこで、燃料に対する空気比を下げて(例えば、0.25〜0.3)、改質反応を行わせる。
When the temperature of the
改質触媒層6では主に次式(1)の改質反応により、メタンと水を水素に変換し、同時に発生したCOは次式(2)のCO転化反応より、さらに水素に変換する。この時点でのCO濃度は、例えば、2000ppmから3000ppmとなる。
In the reforming
CH4+H2O⇔CO+3H2 ……(1)
CO +H2O⇔CO2+H2 ……(2)
CH 4 + H 2 O⇔CO + 3H 2 (1)
CO + H 2 O⇔CO 2 + H 2 (2)
(1)式の改質反応は高温で進行する反応であり、大きなエネルギーを必要とする吸熱反応である。そこで、反応熱を供給するために、燃料のメタンの一部を燃焼触媒層5で燃焼させて補うようにする。例えば、改質反応器4内の温度分布は、起動バーナ9から燃焼触媒層5までの間が約400℃、燃焼触媒層5が750℃から850℃、改質触媒層6が550℃から750℃となる。
The reforming reaction of the formula (1) is a reaction that proceeds at a high temperature, and is an endothermic reaction that requires a large amount of energy. Therefore, in order to supply reaction heat, a part of the fuel methane is combusted in the
改質触媒層6の改質反応によって、COが副生成物として発生するが、燃料電池2は電極に白金触媒を使用しているために、燃料ガス中にCOガスが含まれると電極が被毒して発電性能が低下する。そこで、改質触媒層6で発生するCOをCOシフト触媒層7と、CO選択酸化触媒層8を用いて低減する。COシフト触媒層7では、前記式(2)のCO転化反応によりCOを低減する。また、CO選択酸化触媒層8では、次式(3)のCO選択酸化反応により、CO濃度をおよそ数ppmに調整する。
The reforming reaction of the reforming
2CO+O2→2CO2……(3) 2CO + O 2 → 2CO 2 (3)
ここで、COシフト触媒層7の最適な動作温度(例えば、250〜300℃)に合わせて、改質触媒層6より発生する改質ガスの温度(例えば、550〜750℃)を、蒸気発生用熱交換器10により低減する。蒸気発生用熱交換器10で発生した水蒸気17は、前述したように改質反応器4の底部に原料用水蒸気として投入される。
Here, the temperature of the reformed gas generated from the reforming catalyst layer 6 (for example, 550 to 750 ° C.) is adjusted to the optimum operating temperature (for example, 250 to 300 ° C.) of the CO
このようにして、CO選択酸化触媒8により処理された水素を含む改質ガスは、改質ガス供給管23を通り燃料電池2のアノード室に供給され、カソード室に供給された空気と反応して電気を発生する。
In this manner, the reformed gas containing hydrogen treated by the CO
燃料電池2のアノード室の排ガスは未反応の水素が残存しているため、アノード排ガス26は補助燃焼器3の補助バーナ27に導かれて燃焼処理される。補助燃焼器3内の燃焼排ガスの温度は、未反応水素の量によって変動するが、例えば、600〜900℃である。補助燃焼器3の燃焼排ガス30は、通常運転時は、切替弁31を介して系外へ排出される。一方、補助燃焼器3内に設けられた熱交換器28によって、水ポンプ29から供給される水の補助加熱が行われ、加熱された水は改質反応器4の蒸気発生用熱交換器10で水蒸気17となって、改質反応器4の底部に原料として供給される。このようにして、本実施例の燃料電池システムによれば、水素製造装置1により水素を含む改質ガスが安定して製造され、その改質ガスによって燃料電池2において安定した発電が行われる。
Since unreacted hydrogen remains in the exhaust gas in the anode chamber of the
次に、本発明の特徴に係る水素製造装置1の停止方法の一実施例について、図2に示す停止工程のフローチャート、及び図3に示す各部の動作状態のタイムチャートを参照して説明する。なお、図2の停止工程は、制御器34によって実行される。
Next, an embodiment of a method for stopping the
図2及び図3に示すように、時刻QからTまでの定常運転中(S1)においては、改質反応器4に所定量の燃料14と空気16と水蒸気17とが供給されている。したがって、温度センサ18により検出される改質器温度は一定で推移している。時刻Rに停止命令が出されると(S2)、ステップS3にて改質反応器4への燃料14と空気16の供給を停止するとともに(図3(a))、水ポンプ29を停止して蒸気発生用熱交換器10への水の供給を停止する(図3(b))。但し、改質反応器4に供給される水蒸気17は、途中の管路等に水が残存しているため、図3(d)に示すように、やや遅れて停止する。一方、アノード排ガス26は、時刻Bの停止操作と同時に改質ガスの供給が停止するため、補助燃焼器3へ導入されるアノード排ガス26の量は速やかに減少する(図3(c))。次いで、ステップS4で切替弁31を切り替え、補助燃焼器3の燃焼排ガスをパージガス33として改質反応器4の底部に供給し(図3(f))、これと同時に、補助燃焼器3に補助燃料として、設定量の燃料14と空気16の供給を開始する(S5)。このとき、補助燃料に対する燃焼空気比を0.9から1.1の範囲に制御することにより、パージガス33中の酸素濃度を0%又は0%近傍に保持することが可能になる。また、パージガス33中には、燃料14の燃焼による水分が含まれるが、これが改質反応器4内に残ることになるが、従来の水蒸気によるパージに比べれば、最小量に抑えることができる。さらに、必要であれば、除湿器32を設けて除湿することが好ましい。この除湿器32は、パージガス33を例えば冷却水で冷却することにより、水分を凝縮して除去する。
As shown in FIGS. 2 and 3, during a steady operation from time Q to T (S 1), a predetermined amount of
次いで、ステップS6にて、図示していない温度センサにより補助燃焼器3の排ガス温度を計測し、補助バーナ27に供給する燃料14と空気16の量を調整して排ガス温度を設定温度以下に制御する(S7)。また、ステップS8にて、温度センサ18により改質触媒層6の温度を検出し、改質触媒温度が設定温度(例えば、100℃)になるように、補助バーナ27に供給する燃料14と空気16の量を制御する(S9)。なお、ステップS6、S7は、省略することができる。
Next, in step S6, the exhaust gas temperature of the
改質触媒温度が設定温度以下になると、タイマーを作動させ、タイマ設定時間に達すると(S10)、補助バーナ27に供給する燃料14と空気16の供給を停止して(S11)、停止工程を終了する。
When the reforming catalyst temperature falls below the set temperature, the timer is operated. When the timer set time is reached (S10), the supply of
以上説明したように、本実施例によれば、燃料電池のアノード排ガスを燃焼して改質反応に必要な水等を加熱する補助燃焼器は、水素製造装置を停止する場合に不要になることに着目し、補助燃焼器の燃焼排ガスをパージガスとして用いていることから、窒素貯蔵装置などの格別な装置を用いることなく、パージガスを供給することができる。 As described above, according to the present embodiment, the auxiliary combustor that burns the anode exhaust gas of the fuel cell and heats water or the like necessary for the reforming reaction becomes unnecessary when the hydrogen production apparatus is stopped. Since the combustion exhaust gas of the auxiliary combustor is used as the purge gas, the purge gas can be supplied without using a special device such as a nitrogen storage device.
また、補助燃焼器3における燃焼空気比を0.9から1.1の範囲に制御していることから、パージガスの酸素濃度を低下でき、触媒の酸化を防止することができる。
Further, since the combustion air ratio in the
また、補助燃焼器3の燃焼排ガスによるパージによれば、パージガス中の水分を従来の水蒸気パージに比べて少量に抑えることができる。この際、さらにパージガス中の水分を除去したい場合は、除湿器32を設けて水分の除去を行うこともできる。
Moreover, according to the purge by the combustion exhaust gas of the
図4に、本発明の水素製造装置の停止方法を適用してなる他の実施例の燃料電池システムの構成を示す。本実施例が図1の実施例と異なる点は、補助燃焼器3の排ガスをパージガスとするための切替弁31及び除湿器32の系統を備えていないこと、及びパージガスとして窒素ガス36を調整弁37を介して空気16の供給管に投入可能にしている点にある。その他の構成は、図1の実施例と同一であることから、同一の符号を付して説明を省略する。特に、本実施例は、改質反応器4内の燃焼触媒層5に付着するカーボンを除去した後に、水素製造装置1を停止することを特徴とする実施例である。
FIG. 4 shows a configuration of a fuel cell system according to another embodiment to which the hydrogen production apparatus stopping method of the present invention is applied. This embodiment differs from the embodiment of FIG. 1 in that it does not have a switching valve 31 and a
本実施例は、図1の実施例に従って水素製造装置1を停止した後に、水素製造装置1を再起動すると、図5に示すように、燃焼触媒層5の温度が異常に上昇するという問題を解決するものである。すなわち、図5に示すように、時刻Eにて 起動バーナ9を点火し、時刻EからHまでの間は、起動バーナ9に空気比が1.2となるように燃料14と空気16を投入する。これにより、起動バーナ9で火炎を形成して、後流の燃焼触媒層5と改質触媒層6等を昇温する。この時刻EからHまでの間が起動モードである。そして、改質触媒層6の温度が設定温度に達したことを確認し、時刻Hで蒸気発生用熱交換器10に水を供給して水蒸気17を発生させ、改質反応器4に供給する。これにより、改質反応器4は改質モードに移行し、改質ガス中の水素濃度が上昇して定常運転に至る。
In the present embodiment, when the
ところが、起動モード中の時刻Fから時刻Gの間に、一時的に燃焼触媒層5の温度が異常高温(例えば、950℃以上)になるという現象を知見した。しかし、燃焼触媒層5の温度の異常上昇は一時的であり、時刻Gを経過すると通常に近い温度(例えば、900℃程度)まで低下する。そして、水蒸気の供給が開始される改質モードになると、燃焼触媒層5の温度は徐々に低下して定常運転の温度(例えば、約700℃)に安定する。
However, the inventors have found a phenomenon that the temperature of the
ここで、燃焼触媒層5は、金属を用いていることから、例えば、950℃以上になると、燃焼触媒の活性劣化が加速するという問題がある。そこで、起動モード時に燃焼触媒層5の温度が異常上昇する現象について検討したところ、通常の改質運転の際に燃料中のカーボンが熱分解して燃焼触媒層5に付着し、その付着カーボンが再起動時に燃焼することが原因であることが判明した。
Here, since the
ところで、付着カーボンが発生する理由は、改質運転中に燃焼触媒層5に供給される都市ガスと空気との空気比が低いことにあると考えられる。つまり、燃焼触媒層5は都市ガスの一部を燃焼して改質反応に必要な熱を補うためのものであるから、空気比は部分燃焼に必要な低い値(例えば、0.25〜0.3)に設定される。このように空気比が低いと、都市ガスの部分酸化燃焼が起こることが考えられる。ここで、都市ガスの成分は、CH4が85%以上であるが、他にC2H6、C3H8などが含まれる。
図6に、都市ガス中に含まれるCH4、C2H6、C3H8の熱分解温度と分解量の関係を示す。図6に示すように、CH4に比べてC2H6、C3H8は比較的低温で分解することがわかる。Cの多いC3H8が最も低い温度で分解し、温度約500℃から分解が進み温度700℃では23%分解している。この分解をCH4の場合を例にとって説明すると、次式(4)に示すように、CH4はH2とC(カ−ボン)に分解される。
By the way, it is considered that the reason why the attached carbon is generated is that the air ratio between the city gas and the air supplied to the
FIG. 6 shows the relationship between the thermal decomposition temperature and decomposition amount of CH 4 , C 2 H 6 , and C 3 H 8 contained in city gas. As shown in FIG. 6, it can be seen that C 2 H 6 and C 3 H 8 decompose at a relatively low temperature compared to CH 4 . C 3 H 8 containing a large amount of C decomposes at the lowest temperature, decomposition proceeds from a temperature of about 500 ° C., and 23% decomposes at a temperature of 700 ° C. This decomposition will be described by taking the case of CH 4 as an example. As shown in the following equation (4), CH 4 is decomposed into H 2 and C (carbon).
CH4⇒C+2H2 …(4)
特に、カーボン生成は、温度が高く、蒸気流量が少なく、空気比が低いほど発生しやすい。したがって、定常運転時の燃焼触媒層5の付近は空気比が低く(例えば、0.3)、かつ温度が高い(例えば、700℃以上)ため、カーボンが生成されやすい条件になっている。
CH 4 ⇒C + 2H 2 (4)
In particular, carbon generation is more likely to occur at higher temperatures, lower steam flow rates, and lower air ratios. Therefore, in the vicinity of the
このようにして生成されたカーボンが、燃焼触媒層5の触媒表面に付着し、起動時に供給される高い空気比に設定された空気により付着カーボンが燃焼して、燃焼触媒層5が異常高温になると考えられる。
The carbon generated in this manner adheres to the catalyst surface of the
そこで、本実施例は、燃焼触媒層5に付着するカーボンを停止時に燃焼させて除去した後に、水素製造装置1を停止することにより、起動時の燃焼触媒層5の異常高温を回避するようにすることを特徴とする。
Therefore, in this embodiment, after the carbon adhering to the
本実施例の水素製造装置1の停止方法について図7のタイムチャートを参照しながら説明する。本実施例では、パージガスとして水蒸気を使用した場合の停止手順を示している。図において、時刻0から時刻Bまでは、定常運転であり、燃料14、空気16、及び水蒸気17が所定量供給されている。そして、時刻Bにて停止操作が開始されると、制御器34から燃料14と空気16をほぼ同時に停止する指令がブロア13とブロア15に出力される。一方、改質反応器4内をパージするため水蒸気17の供給を継続し、残存ガスによる異常燃焼を防止する。水蒸気17のパージにより、燃焼触媒層5と改質触媒層6の温度が低下し始め、改質反応器4の内部は水蒸気に置換されて、改質反応器4内に残存したガスは、補助燃焼器3から系外へ排出される。
A method for stopping the
本実施例では、水蒸気17を定常運転時と同じ流量で供給してパージしているが、通常運転時よりも少ない流量でパージすることも可能である。本実施例では、本実施例の水素製造装置1の空間内容積が約6Lの場合であり、蒸気流量を約10g/分でパージする例を示している。したがって、1〜2分の蒸気パージで改質反応器内を十分置換できる流量に相当する。しかし、パージ時間や水素製造装置1のサイズは特に限定するものではない。
In this embodiment, the
次いで、時刻Cにおいて、水蒸気を供給しながら、空気を改質反応器4内に再供給する。この空気の再供給時期は、燃焼触媒層5の温度がカーボンが燃焼可能な温度(例えば、550℃)以下になる前に、好ましくは余裕を考慮した温度(例えば、600℃以上)に制御される。ここで、図8に燃焼触媒層5に付着したカーボンの酸化雰囲気における熱分解特性を示す。同図から明らかなように、温度550℃からカーボンの重量減少が確認され、カーボンの燃焼が開始していることがわかる。したがって、空気16を供給する時刻Cから時刻Eまでの間は、燃焼触媒層5の温度を設定温度(例えば、850℃)以下に保持して、燃焼触媒層5の劣化を防ぐために、水蒸気17と空気16の流量比を制御する。
Next, at time C, air is supplied again into the reforming
本実施例では、燃焼触媒層5の温度が620℃のときに空気16の供給を再開し、空気の供給開始と同時に燃焼触媒層5の620℃から徐々に上昇し、時刻Dのときに約720℃になっている。このように燃焼触媒層5の温度が上昇するのは、燃焼触媒層5に付着したカーボンが燃焼しているためであり、これにより改質触媒層6の温度も上昇している。
In this embodiment, the supply of the
ここで、燃焼触媒層5内部のカーボンが完全に燃焼したか否かを確認するために、温度センサ18により燃焼触媒層5の出口温度を計測し、その計測値がピーク値を過ぎた時に、燃焼触媒層5内のカーボンが燃焼したと判断する。そして、余裕を見て、燃焼触媒層5の温度がピークを過ぎた時刻Eで、空気の供給を停止する。ところで、カーボン燃焼用の空気の供給量が多すぎると、酸素によるCO選択酸化触媒層8の劣化の問題がある。そこで、燃焼触媒層5に付着したカーボンを燃焼して除去するに必要な空気(酸素)の供給量に制御することが好ましい。
Here, in order to confirm whether or not the carbon inside the
図9に、カーボン燃焼用の空気を必要以上に供給した場合の例を示す。図示例は、カーボン除去の際に燃焼触媒層5の温度がピークを経過後、さらに5分間空気を供給した後に水素製造装置1を停止した場合の再起動の例である。図示のように、付着カーボンが除去されているために、起動モードにおいては燃焼触媒層5の温度が800℃以上にはならないが、改質運転における改質ガス中のCO濃度が2000ppm以上になっている。再起動した際の改質器の温度と改質器からのCO濃度の履歴を示した図である。これによれば、余剰の空気を供給したために、CO選択酸化触媒層8の触媒が酸化され、劣化が進行したためと考えられる。
FIG. 9 shows an example in which the air for carbon combustion is supplied more than necessary. The illustrated example is an example of restart when the
しかし、実際には燃焼触媒層5の付着カーボン量は検出できないから、燃焼触媒の温度を検出する温度センサ18の検出温度がピークに達した後、低下傾向にある時点を空気供給停止の目安とすることが好ましい。図7において、空気供給停止の時刻Eは、通常、空気の供給を開始してから数分後であるが、燃焼触媒温度がピークに達してから設定時間(例えば、1〜2分)後に停止することが好ましい。
However, since the amount of carbon adhering to the
本実施例により水素製造装置1を停止した後、水素製造装置1を再起動した際の触媒温度等の各部の状態のタイムチャートを図10に示す。図示のように、起動運転において、燃焼触媒の温度が800℃を超えることなく、また、時刻Dの改質運転に入ってもCO濃度が一時的に約300ppmになるが、その後は約0ppmを維持できる。
FIG. 10 shows a time chart of the state of each part such as the catalyst temperature when the
上述したように、本実施例によれば、燃焼触媒層5に付着したカーボンを停止運転の際に燃焼させて除去することができるから、水素製造装置1を再起動する際に燃焼触媒層5の温度が異常上昇することによる触媒の劣化を防止することができる。
As described above, according to this embodiment, the carbon adhering to the
また、付着したカーボンを燃焼して除去する際の空気量を、燃焼触媒の温度の変化を目安に制御していることから、CO選択酸化触媒の酸素による劣化を抑制することができる。 Further, since the amount of air when the attached carbon is burned and removed is controlled based on the change in the temperature of the combustion catalyst, deterioration of the CO selective oxidation catalyst due to oxygen can be suppressed.
なお、水素製造装置1の仕様、燃料の仕様、等の条件が決まれば、図7の時刻B、C、D、Eはほぼ一義的に定まってくるから、燃焼触媒の温度のピークを検出することに代えて、タイマによる時間制御で、図7の停止手順を実現することができる。
If conditions such as the specifications of the
図11に、改質反応器4内の燃焼触媒層5に付着するカーボンを除去した後に、水素製造装置1を停止する他の実施例のタイムチャートを示す。本実施例が、図7の実施例と相違する点は、停止時のパージガスとして、水蒸気に代えて、窒素ガスを適用したことにある。すなわち、時刻Bにおいて、燃料14、空気16及び水蒸気17の供給を全て停止するとともに、調整弁36を開いて窒素ガスを改質反応器4の底部に供給する。その他の点は、図7の実施例と同一であることから、説明を省略する。
In FIG. 11, the time chart of the other Example which stops the
本実施例によれば、実施例2と同一の効果が得られることに加え、水蒸気をパージガスとして用いたときに、水蒸気が凝縮して触媒に水分が吸着されることに伴う問題を回避できる。 According to the present embodiment, in addition to the same effects as those of the second embodiment, when water vapor is used as the purge gas, it is possible to avoid problems associated with water vapor being condensed and moisture adsorbed on the catalyst.
なお、窒素ガスに代えて、図1の実施例で示した、補助燃焼器3の燃焼排ガスをパージガスとして用いることができることは、いうまでもない。
In addition, it cannot be overemphasized that it can replace with nitrogen gas and the combustion exhaust gas of the auxiliary |
図12に、改質反応器4内の燃焼触媒層5に付着するカーボンを除去した後に、水素製造装置1を停止するさらに他の実施例のタイムチャートを示す。本実施例が、図7の実施例と相違する点は、停止行程における空気再供給時に、水蒸気17の供給を停止したことにある。その他の点は、図7の実施例と同一であることから、説明を省略する。
FIG. 12 shows a time chart of still another embodiment in which the
本実施例によれば、空気再供給の際に蒸気をカットすることで、水蒸気の発生に必要な蒸気発生用熱交換器10における熱損失が少なくなり、燃焼触媒層5の温度が顕著に上昇しやすくなる。その結果、燃焼触媒層5への付着カーボン量が少ない場合に、燃焼触媒温度のピークを明確に判断することができる。
According to the present embodiment, the steam is cut when the air is re-supplied, so that heat loss in the steam generating
図12の時刻Bにおいて燃料14と空気16の供給が停止され、時刻Bから時刻Cの間は、水蒸気17による水素製造装置1のパージが行われる。そして、時刻Cにおいて水蒸気17の供給を停止し、同時に空気16の供給を再開する。この空気16の再供給は、図7の場合と同様に、燃焼触媒層5の温度がカーボンを燃焼可能な温度以上のときに行う。また、水蒸気17と空気16の流量を制御して、燃焼触媒層5の温度を設定温度(例えば、900℃好ましくは850℃)以下に調整して、燃焼触媒層5の熱による劣化を防ぐ。
The supply of the
時刻Cにおいて、空気が再供給されると、時刻Dにおいて、燃焼触媒温度が急激に上昇して、例えば840℃まで達した。そのときのピーク温度を温度センサ18の計測値により判断し、一定時間後の時刻Eにおいて空気16の供給を停止して終了する。
When the air was supplied again at time C, the temperature of the combustion catalyst suddenly increased at time D and reached, for example, 840 ° C. The peak temperature at that time is determined from the measured value of the
なお、停止操作における空気流量及び蒸気流量については、試運転時に固定することもできる。しかし、初期段階では空気と蒸気の併用運転を実施し、燃焼触媒温度の顕著な履歴が得られない場合は、本実施例のように、蒸気を停止し空気供給のみにする。 It should be noted that the air flow rate and the steam flow rate in the stop operation can be fixed during the trial operation. However, when the combined operation of air and steam is performed in the initial stage and no significant history of the combustion catalyst temperature is obtained, the steam is stopped and only the air supply is performed as in this embodiment.
また、図7の実施例で説明したように、水素製造装置1の仕様、燃料の仕様、等の条件が決まれば、図12の時刻B、C、D、Eはほぼ一義的に定まってくるから、燃焼触媒の温度のピークを検出することに代えて、タイマによる時間制御で、図12の停止手順を実現することができる。
Further, as described in the embodiment of FIG. 7, when the conditions such as the specifications of the
1:水素製造装置
2:燃料電池
3:補助燃焼器
4:改質反応器
5:燃焼触媒層
6:改質触媒層
7:COシフト触媒層
8:CO選択酸化触媒層
9:起動バーナ
10:蒸気発生用熱交換器
11:COシフト用熱交換器
12:CO選択酸化用熱交換器
13、15:ブロア
14:燃料
16、20、24:空気
17:水蒸気
18、19:温度センサ
21,22、29:水ポンプ
23:改質ガス供給管
25:カソード排ガス
26:アノード排ガス
27:補助バーナ
28:熱交換器
30:排ガス
31:切替弁
32:除湿器
1: Hydrogen production device 2: Fuel cell 3: Auxiliary combustor 4: Reforming reactor 5: Combustion catalyst layer 6: Reforming catalyst layer 7: CO shift catalyst layer 8: CO selective oxidation catalyst layer 9: Startup burner 10: Steam generation heat exchanger 11: CO shift heat exchanger 12: CO selective
Claims (12)
A hydrocarbon-based fuel, water vapor, and air are mixed, and a part of the fuel is combusted through the combustion catalyst layer, and then supplied to the reforming catalyst layer, and the fuel is reformed by the water vapor to generate hydrogen. A reformer that produces reformed gas, a CO reducer that reduces the CO in the reformed gas produced by the reformer and supplies it to the anode of the fuel cell, and the anode exhaust gas of the fuel cell In a hydrogen production apparatus comprising an auxiliary combustor for heating at least one of the fuel, the water vapor and the air, and a control means, the control means stops supplying the fuel and the air Then, the supply of the water vapor is continued, and then the supply of the water vapor is stopped to restart the supply of the air, and the supply of the air is stopped after the temperature of the combustion catalyst layer reaches a peak value. Characteristic hydrogen production equipment.
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007323972A (en) * | 2006-06-01 | 2007-12-13 | Ebara Ballard Corp | Fuel treating device and fuel cell system |
JP2008251398A (en) * | 2007-03-30 | 2008-10-16 | Casio Comput Co Ltd | Reactor, power generation device, and shutdown method for reactor |
JP2014041804A (en) * | 2012-08-24 | 2014-03-06 | Tokyo Gas Co Ltd | High temperature type fuel cell system |
WO2014080848A1 (en) * | 2012-11-22 | 2014-05-30 | 三菱重工業株式会社 | Power generation system and operation method for power generation system |
CN117039080A (en) * | 2023-10-08 | 2023-11-10 | 成都岷山绿氢能源有限公司 | Fuel cell system with carbon removal function and carbon removal method |
-
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Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007323972A (en) * | 2006-06-01 | 2007-12-13 | Ebara Ballard Corp | Fuel treating device and fuel cell system |
JP2008251398A (en) * | 2007-03-30 | 2008-10-16 | Casio Comput Co Ltd | Reactor, power generation device, and shutdown method for reactor |
JP2014041804A (en) * | 2012-08-24 | 2014-03-06 | Tokyo Gas Co Ltd | High temperature type fuel cell system |
WO2014080848A1 (en) * | 2012-11-22 | 2014-05-30 | 三菱重工業株式会社 | Power generation system and operation method for power generation system |
JP2014107030A (en) * | 2012-11-22 | 2014-06-09 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Power generating system and power generating system operation method |
CN104737346A (en) * | 2012-11-22 | 2015-06-24 | 三菱日立电力系统株式会社 | Power generation system and operation method for power generation system |
KR101732286B1 (en) | 2012-11-22 | 2017-05-02 | 미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤 | Power generation system and operation method for power generation system |
CN117039080A (en) * | 2023-10-08 | 2023-11-10 | 成都岷山绿氢能源有限公司 | Fuel cell system with carbon removal function and carbon removal method |
CN117039080B (en) * | 2023-10-08 | 2024-01-23 | 成都岷山绿氢能源有限公司 | Fuel cell system with carbon removal function and carbon removal method |
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