JP2007269525A - Hydrogen-containing gas generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、原燃料の改質処理を行って水素を含有する水素含有ガスを生成する改質器と、前記水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を一酸化炭素変成触媒によって二酸化炭素に変成処理する一酸化炭素変成器と、前記一酸化炭素変成器から供給される変成処理後の水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を一酸化炭素除去触媒によって選択酸化させる一酸化炭素除去器とを備える水素含有ガス生成装置に関する。 The present invention relates to a reformer that generates a hydrogen-containing gas containing hydrogen by reforming raw fuel, and carbon monoxide contained in the hydrogen-containing gas is converted to carbon dioxide by a carbon monoxide conversion catalyst. And a carbon monoxide remover that selectively oxidizes carbon monoxide contained in the hydrogen-containing gas after the shift treatment supplied from the carbon monoxide converter by a carbon monoxide removal catalyst. The present invention relates to a contained gas generator.
燃料電池における発電反応用の燃料ガスとしての水素含有ガスを生成するための装置として、原燃料の改質処理を行って水素を含有する水素含有ガスを生成する改質器と、その水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を一酸化炭素変成触媒によって二酸化炭素に変成処理する一酸化炭素変成器と、一酸化炭素変成器から供給される変成処理後の水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を一酸化炭素除去触媒によって選択酸化させる一酸化炭素除去器とを備えたものがある。但し、燃料電池の電極セルでは、一酸化炭素による被毒の問題が発生するため、燃料電池に供給する水素含有ガスに含まれる一酸化炭素濃度を非常に低いレベルにまで低減しておくことが必要である。つまり、水素含有ガス生成装置の一酸化炭素変成器の一酸化炭素変成触媒及び一酸化炭素除去器の一酸化炭素除去触媒の触媒性能を常時高いレベルに維持しておく必要がある。 As a device for generating a hydrogen-containing gas as a fuel gas for power generation reaction in a fuel cell, a reformer that performs a reforming process of raw fuel to generate a hydrogen-containing gas containing hydrogen, and the hydrogen-containing gas The carbon monoxide converter that converts carbon monoxide contained in the gas into carbon dioxide using a carbon monoxide conversion catalyst, and the carbon monoxide contained in the hydrogen-containing gas after the conversion treatment supplied from the carbon monoxide converter Some have a carbon monoxide remover that is selectively oxidized by a carbon oxide removal catalyst. However, since the problem of poisoning due to carbon monoxide occurs in the electrode cell of the fuel cell, the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen-containing gas supplied to the fuel cell may be reduced to a very low level. is necessary. That is, the catalytic performance of the carbon monoxide conversion catalyst and the carbon monoxide removal catalyst of the carbon monoxide converter of the hydrogen-containing gas generator must be maintained at a high level at all times.
上述した水素含有ガスを生成するとき一酸化炭素変成器及び一酸化炭素除去器では酸化反応が行われていることを考慮すると、水素含有ガス生成装置の運転に先立って、一酸化炭素変成器の一酸化炭素変成触媒及び一酸化炭素除去器の一酸化炭素除去触媒の還元処理を行い、各触媒の活性化を行っておくことが好ましい。
例えば、特許文献1に記載の水素含有ガス生成装置は、還元処理用ガスを一酸化炭素除去器、一酸化炭素変成器及び改質器に順次通流させることで、一酸化炭素除去触媒及び一酸化炭素変成触媒の還元処理を行っている。この水素含有ガス生成装置において、還元処理用ガスは窒素ガスに所定の濃度で水素ガスを混合したものであり、ガスボンベから供給され、改質器を通流した後で廃棄される。
Considering that the oxidation reaction is performed in the carbon monoxide converter and the carbon monoxide remover when generating the hydrogen-containing gas described above, prior to the operation of the hydrogen-containing gas generator, the carbon monoxide converter It is preferable to carry out the reduction treatment of the carbon monoxide shift catalyst and the carbon monoxide removal catalyst of the carbon monoxide remover to activate each catalyst.
For example, in the hydrogen-containing gas generation device described in Patent Document 1, the reduction treatment gas is sequentially passed through a carbon monoxide remover, a carbon monoxide converter, and a reformer, so that the carbon monoxide removal catalyst and The reduction treatment of the carbon oxide conversion catalyst is performed. In this hydrogen-containing gas generating apparatus, the reducing gas is a mixture of nitrogen gas and hydrogen gas at a predetermined concentration, supplied from a gas cylinder, and discarded after flowing through the reformer.
特許文献1に記載の水素含有ガス生成装置では、一酸化炭素除去器、一酸化炭素変成器及び改質器に供給される還元処理用ガスは、それらを通流した後で廃棄されるように構成されている。そのため、この還元処理を行う為に大量の還元処理用ガスが必要になり、結果として還元処理に要するコストが大きくなるという問題がある。 In the hydrogen-containing gas generator described in Patent Document 1, the reduction gas supplied to the carbon monoxide remover, the carbon monoxide converter, and the reformer is discarded after passing through them. It is configured. For this reason, a large amount of gas for reduction treatment is required to perform this reduction treatment, resulting in a problem that the cost required for the reduction treatment increases.
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コストで触媒の活性化を適切に行える水素含有ガス生成装置を提供する点にある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a hydrogen-containing gas generation device that can appropriately activate a catalyst at low cost.
上記目的を達成するための本発明に係る水素含有ガス生成装置の特徴構成は、原燃料の改質処理を行って水素を含有する水素含有ガスを生成する改質器と、前記水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を一酸化炭素変成触媒によって二酸化炭素に変成処理する一酸化炭素変成器と、前記一酸化炭素変成器から供給される変成処理後の水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を一酸化炭素除去触媒によって選択酸化させる一酸化炭素除去器とを備える水素含有ガス生成装置であって、
前記一酸化炭素変成触媒及び前記一酸化炭素除去触媒を還元処理する還元処理用ガスを、前記改質器、前記一酸化炭素変成器及び前記一酸化炭素除去器を含む循環経路に通流させるガス付勢手段と、
前記還元処理用ガスの前記循環経路における前記一酸化炭素除去器の直前に相当する箇所に設けられて、凝縮器にて前記還元処理用ガス中の水蒸気を凝縮し且つ前記凝縮器によって凝縮された前記還元処理用ガス中の凝縮水を分離器にて分離する水分除去手段とを備える点にある。
本特徴構成において、一酸化炭素除去器の直前に相当する箇所に水分除去手段が設けられるということは、水分除去手段によって循環経路中の水蒸気の濃度が低下された後、その水蒸気の濃度が維持された状態又は水蒸気の濃度が増大されない状態で一酸化炭素除去器にガスが流入する状態を意味する。
In order to achieve the above object, the hydrogen-containing gas generating device according to the present invention includes a reformer for generating a hydrogen-containing gas containing hydrogen by performing a reforming process on a raw fuel, and the hydrogen-containing gas. A carbon monoxide converter that converts carbon monoxide contained into carbon dioxide using a carbon monoxide conversion catalyst, and carbon monoxide contained in the hydrogen-containing gas after the conversion treatment supplied from the carbon monoxide converter. A hydrogen-containing gas generation device comprising a carbon monoxide remover that is selectively oxidized by a carbon oxide removal catalyst,
Gas for allowing reduction treatment gas for reducing the carbon monoxide conversion catalyst and the carbon monoxide removal catalyst to flow through a circulation path including the reformer, the carbon monoxide conversion device, and the carbon monoxide removal device. Biasing means;
Provided at a location corresponding to the carbon monoxide remover immediately before the carbon monoxide remover in the circulation path of the reduction treatment gas, the condenser condenses water vapor in the reduction treatment gas and is condensed by the condenser. It is in the point provided with the moisture removal means which isolate | separates the condensed water in the said gas for a reduction process with a separator.
In this feature configuration, the water removal means is provided at a position corresponding to the position immediately before the carbon monoxide remover. This means that the water vapor concentration is maintained after the water vapor concentration in the circulation path is reduced by the water removal means. It means a state where the gas flows into the carbon monoxide remover in a state where the gas is removed or the concentration of water vapor is not increased.
上記特徴構成によれば、ガス付勢手段は、前記一酸化炭素変成触媒及び前記一酸化炭素除去触媒を還元処理する還元処理用ガスを、前記改質器、前記一酸化炭素変成器及び前記一酸化炭素除去器を含む循環経路に通流させ、水分除去手段は、前記還元処理用ガスの前記循環経路における前記一酸化炭素除去器の直前に相当する箇所に設けられて、凝縮器にて前記還元処理用ガス中の水蒸気を凝縮し且つ前記凝縮器によって凝縮された前記還元処理用ガス中の凝縮水を分離器にて分離するように機能する。つまり、還元処理用ガスが改質器、一酸化炭素変成器及び一酸化炭素除去器を含む循環経路を通流し、還元処理用ガスの再利用が行われるので、還元処理に要するコストを小さくできる。
また、一酸化炭素変成触媒及び一酸化炭素除去触媒の還元処理を行うことで還元処理用ガスに含まれる水蒸気の濃度が上昇しても、循環経路における一酸化炭素除去器の直前に相当する箇所に上記水分除去手段が設けられるので、一酸化炭素除去器へは、含まれる水蒸気の濃度が低い乾燥した還元処理用ガスが供給される。その結果、一酸化炭素除去触媒の表面への水の付着を防止して、一酸化炭素除去触媒の表面積が減少しないように、つまり、触媒の活性が低下しないようにできる。
従って、低コストで触媒の活性化を適切に行える水素含有ガス生成装置を提供できる。
According to the above characteristic configuration, the gas urging means converts the reduction treatment gas for reducing the carbon monoxide conversion catalyst and the carbon monoxide removal catalyst into the reformer, the carbon monoxide conversion device, and the one. The water removal means is passed through a circulation path including a carbon oxide remover, and the water removal means is provided at a position corresponding to the immediately before the carbon monoxide remover in the circulation path of the reduction treatment gas. It functions to condense the water vapor in the reducing gas and separate the condensed water in the reducing gas condensed by the condenser with a separator. In other words, the reduction process gas flows through the circulation path including the reformer, the carbon monoxide converter, and the carbon monoxide remover, and the reduction process gas is reused, so that the cost required for the reduction process can be reduced. .
In addition, even if the concentration of water vapor contained in the reduction gas is increased by reducing the carbon monoxide conversion catalyst and the carbon monoxide removal catalyst, the portion corresponding to immediately before the carbon monoxide remover in the circulation path Since the moisture removing means is provided, the carbon monoxide remover is supplied with a dry reduction treatment gas having a low concentration of water vapor. As a result, it is possible to prevent water from adhering to the surface of the carbon monoxide removal catalyst so that the surface area of the carbon monoxide removal catalyst does not decrease, that is, the activity of the catalyst does not decrease.
Therefore, it is possible to provide a hydrogen-containing gas generator that can appropriately activate the catalyst at low cost.
本発明に係る水素含有ガス生成装置の別の特徴構成は、前記ガス付勢手段は、前記循環経路において前記凝縮器の直前に相当する箇所に設けられている点にある。 Another characteristic configuration of the hydrogen-containing gas generation device according to the present invention is that the gas urging means is provided at a position corresponding to the circulation path immediately before the condenser.
上記特徴構成によれば、凝縮器に流入する還元処理用ガスの圧力が上昇して、還元処理用ガスに含まれる水蒸気の露点が高くなる。つまり、凝縮器内の温度が同じであっても、還元処理用ガスに含まれる水蒸気の凝縮が促進されることになる。その結果、一酸化炭素除去器へ流入する還元処理用ガスに含まれる水蒸気の濃度を低下させて、一酸化炭素除去触媒の表面への水の付着を効果的に防止できる。 According to the above characteristic configuration, the pressure of the reducing process gas flowing into the condenser is increased, and the dew point of the water vapor contained in the reducing process gas is increased. That is, even if the temperature in the condenser is the same, condensation of water vapor contained in the reduction processing gas is promoted. As a result, the concentration of water vapor contained in the reduction gas flowing into the carbon monoxide remover can be reduced, and water can be effectively prevented from adhering to the surface of the carbon monoxide removal catalyst.
本発明に係る水素含有ガス生成装置の別の特徴構成は、前記還元処理用ガスは、前記凝縮器よりも下流側から前記循環経路に流入するように構成されている点にある。 Another characteristic configuration of the hydrogen-containing gas generation device according to the present invention is that the reduction processing gas is configured to flow into the circulation path from the downstream side of the condenser.
上記特徴構成によれば、凝縮器において水蒸気が液化されるので、凝縮器の下流側ではガスの圧力が低くなる。その結果、還元処理用ガスが循環経路に流入し易くなる。 According to the above characteristic configuration, since the water vapor is liquefied in the condenser, the gas pressure is lowered on the downstream side of the condenser. As a result, the reduction processing gas easily flows into the circulation path.
本発明に係る水素含有ガス生成装置の別の特徴構成は、前記ガス付勢手段は、前記還元処理用ガスが前記一酸化炭素除去器、前記一酸化炭素変成器及び前記改質器の順に前記循環経路を通流するように前記還元処理用ガスを付勢するように構成されている点にある。 Another characteristic configuration of the hydrogen-containing gas generation device according to the present invention is that the gas urging means includes the reduction treatment gas in the order of the carbon monoxide remover, the carbon monoxide converter, and the reformer. The reduction processing gas is energized so as to flow through the circulation path.
上記特徴構成によれば、一酸化炭素変成器の一酸化炭素変成触媒の還元処理に用いられる前の還元処理用ガスが一酸化炭素除去器に流入するようになる。その結果、含まれる水蒸気の濃度が低い還元処理用ガスを一酸化炭素除去器へ流入させて、一酸化炭素除去触媒の表面への水の付着を効果的に防止できる。 According to the above characteristic configuration, the gas for reduction treatment before being used for the reduction treatment of the carbon monoxide shift catalyst of the carbon monoxide shifter flows into the carbon monoxide remover. As a result, it is possible to effectively prevent water from adhering to the surface of the carbon monoxide removal catalyst by flowing the reduction treatment gas having a low concentration of water vapor into the carbon monoxide remover.
本発明に係る水素含有ガス生成装置の別の特徴構成は、前記ガス付勢手段は、前記還元処理用ガスが前記改質器、前記一酸化炭素変成器及び前記一酸化炭素除去器の順に前記循環経路を通流するように前記還元処理用ガスを付勢するように構成されている点にある。 Another characteristic configuration of the hydrogen-containing gas generation device according to the present invention is that the gas energizing unit is configured such that the gas for reduction treatment is in the order of the reformer, the carbon monoxide converter, and the carbon monoxide remover. The reduction processing gas is energized so as to flow through the circulation path.
上記特徴構成によれば、一酸化炭素変成器の一酸化炭素変成触媒の還元処理に用いられた後の還元処理用ガスが一酸化炭素除去器に流入するようになるものの、上記水分除去手段が一酸化炭素除去器の直前に相当する箇所に設けられているので、一酸化炭素除去器へ流入する還元処理用ガスに含まれる水蒸気の濃度を低下させて、一酸化炭素除去触媒の表面への水の付着を効果的に防止できる。 According to the above characteristic configuration, the reduction gas after being used for the reduction treatment of the carbon monoxide conversion catalyst of the carbon monoxide converter is allowed to flow into the carbon monoxide remover. Since it is provided at a position corresponding to the point immediately before the carbon monoxide remover, the concentration of water vapor contained in the reduction gas flowing into the carbon monoxide remover is reduced, and the carbon monoxide removal catalyst is applied to the surface of the carbon monoxide removal catalyst. Water adhesion can be effectively prevented.
本発明に係る水素含有ガス生成装置の別の特徴構成は、前記原燃料を脱硫触媒にて脱硫処理する脱硫器が設けられ、その脱硫器と前記改質器とが、前記脱硫器によって脱硫処理された原燃料ガスを前記改質器に供給するように接続され、
前記循環経路に前記脱硫器が含まれるように構成されている点にある。
Another characteristic configuration of the hydrogen-containing gas generation device according to the present invention includes a desulfurizer that desulfurizes the raw fuel with a desulfurization catalyst, and the desulfurizer and the reformer are desulfurized by the desulfurizer. Connected to supply the reformed raw fuel gas to the reformer,
The desulfurizer is included in the circulation path.
上記特徴構成によれば、脱硫器によって脱硫処理された原燃料ガスを改質器に供給するように接続することで、硫黄化合物を含んだ原燃料ガスを原料としながらも、改質触媒の硫黄化合物による被毒を抑制しながら、一酸化炭素濃度の低い水素含有ガスを生成することが可能となる。 According to the above characteristic configuration, the raw fuel gas desulfurized by the desulfurizer is connected so as to be supplied to the reformer. It becomes possible to generate a hydrogen-containing gas with a low carbon monoxide concentration while suppressing poisoning by the compound.
<第1実施形態>
以下に図面を参照して第1実施形態の水素含有ガス生成装置10について説明する。
図1は、水素含有ガス生成装置10の機能ブロック図である。水素含有ガス生成装置10は、原燃料を脱硫触媒1aにて脱硫処理する脱硫器1と、脱硫器1によって脱硫処理された原燃料の改質処理を行って水素を含有する水素含有ガスを生成する改質器3と、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を一酸化炭素変成触媒(CO変成触媒)4aによって二酸化炭素に変成処理する一酸化炭素変成器(CO変成器)4と、一酸化炭素変成器4から供給される変成処理後の水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を一酸化炭素除去触媒(CO除去触媒)5aによって選択酸化させる一酸化炭素除去器(CO除去器)5とを備える。
<First Embodiment>
Hereinafter, a hydrogen-containing
FIG. 1 is a functional block diagram of the hydrogen-containing
脱硫器1は、銅系、ニッケル系等の酸化物触媒をボール状体やハニカム状体等の担体に担持させた脱硫触媒1aと、脱硫触媒1aを加熱する電気ヒータ1bとを備える。脱硫器1は、メタンガス(CH4)を主成分とし、着臭剤として硫黄化合物が添加されている都市ガスが原燃料ガスとして使用される場合、まず、原燃料ガスの脱硫を行って上記硫黄化合物を除去する装置として使用される。この脱硫処理においては、電気ヒータ1bを用いて脱硫触媒1aを例えば150〜270°Cの範囲の温度に加熱しておく。そして、原燃料ガス中の硫黄化合物を水素化し、その水素化物が吸着されて脱硫される。また、脱硫器1から改質器3に脱硫処理された原燃料ガスを供給するように、脱硫器1の出口と改質器3の入口とを接続してある。
The desulfurizer 1 includes a
改質器3は、ニッケル系、ルテニウム等の貴金属系の触媒をボール状体やハニカム状体等の担体に担持させた改質触媒3aと、改質触媒3aを加熱する燃焼器3bとを備え、脱硫処理された原燃料ガス(メタンガス)と水蒸気生成器2からバルブV3を介して供給される水蒸気との反応を改質触媒3aにより活性化させて、水素と一酸化炭素とを含む水素含有ガスを発生させる装置である。燃焼器3bに供給される空気量がバルブV4によって調節され、燃焼器3bに供給されるガス燃料量がバルブV5によって調節された上で、ガス燃料の燃焼が行われることで、燃焼器3bからの発熱量、つまり、改質触媒3aの温度が調節される。この改質反応時において改質触媒3aは、燃焼器3bを用いて例えば650℃〜750℃の温度(以下、「改質処理温度」と記載することもある)に保たれ、メタンガスと水蒸気とが改質触媒3aの触媒作用により、下記の化学反応式に従って改質されて水素含有ガスが生成される。ちなみに、水素含有ガス生成装置10にて生成された水素含有ガスが燃料ガスとして燃料電池で消費される場合は、燃焼器3bに供給されるガス燃料としては、燃料電池から排出された燃料ガスであるオフガスを用いる。
The
〔化1〕
CH4+H2O→3H2+CO
[Chemical formula 1]
CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO
一酸化炭素変成器4は、銅−亜鉛系、鉄−クロム系等の酸化物触媒をボール状体やハニカム状体等の担体に担持させた一酸化炭素変成触媒4aと、一酸化炭素変成触媒4aを加熱する電気ヒータ4bとを備え、改質器3から供給される水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成する装置である。一酸化炭素を二酸化炭素に変成するのは、一酸化炭素が燃料電池の電極セルに供給された場合に発生し得る電極被毒を防止するためである。一酸化炭素変成触媒4aは、電気ヒータ4bによって200〜300°Cの範囲の温度(以下、「変成処理温度」と記載することもある)、例えば250°Cに加熱され、一酸化炭素と水蒸気とが一酸化炭素変成触媒4aにより活性化されて下記の化学反応式に従う変成反応が進行する。
The
〔化2〕
CO+H2O→CO2+H2
[Chemical formula 2]
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
一酸化炭素除去器5は、白金、ルテニウム、ロジウム等の貴金属系の触媒をボール状体やハニカム状体等の担体に担持させた一酸化炭素除去触媒5aと、一酸化炭素除去触媒5aを加熱する電気ヒータ5bとを備え、一酸化炭素変成器4において未反応となった一酸化炭素を二酸化炭素に選択的に酸化させる装置である。そして、一酸化炭素除去器5においては、電気ヒータ5bを用いて一酸化炭素除去触媒5aが70〜120°Cの範囲の温度(以下、「選択酸化処理温度」と記載することもある)、例えば、100°C程度の温度に加熱され、一酸化炭素除去触媒5aの触媒作用によって、変成処理された水素含有ガス中に残っている一酸化炭素が選択酸化される。これにより、燃料電池に供給される水素含有ガスに含まれる一酸化炭素濃度を極めて低くすることができる。
The
〔水素含有ガスの生成〕
以下に、図1に示した水素含有ガス生成装置10を用いて、燃料電池に供給するための水素含有ガスを生成する方法について説明する。図1は、水素含有ガス生成装置10において水素含有ガスを生成する状態の機能ブロック図である。この状態において、制御部15は、バルブV2,V7,V8,V9,V10,V11は常に閉作動させており、ポンプP2も停止させている。また、制御部15は、他のバルブV1,V3,V4,V5,V6及びポンプP1を後述するように制御する。
[Production of hydrogen-containing gas]
Hereinafter, a method for generating a hydrogen-containing gas to be supplied to the fuel cell using the hydrogen-containing
制御部15は、脱硫触媒1a、改質触媒3a、一酸化炭素変成触媒4a及び一酸化炭素除去触媒5aを加熱するために、電気ヒータ1b、燃焼器3b、電気ヒータ4b及び電気ヒータ5bを作動させる。具体的には、制御部15は、改質器3に設けられる燃焼器3bに供給される空気量をバルブV4の開度によって調節し、燃焼器3bに供給されるガス燃料量をバルブV5の開度によって調節する。その結果、ガス燃料の燃焼による燃焼器3bからの発熱量が、つまり、改質触媒3aの温度が適切な改質処理温度に調節される。また、制御部15は、一酸化炭素変成器4に設けられる電気ヒータ4bへの通電量を調節することで、一酸化炭素変成触媒4aの温度を適切な変成処理温度に調節する。その結果、一酸化炭素変成器4において水素含有ガスの変成処理が適切に行われるようになる。更に、制御部15は、一酸化炭素除去器5に設けられる電気ヒータ5bへの通電量を調節することで、一酸化炭素除去触媒5aの温度を適切な選択酸化処理温度に調節する。その結果、一酸化炭素除去器5において水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素の選択酸化が適切に行われるようになる。
The
上述のように脱硫触媒1a、改質触媒3a、一酸化炭素変成触媒4a及び一酸化炭素除去触媒5aの加熱が行われた後、制御部15は、バルブV1の開度を調節し且つポンプP1を作動させて、原燃料ガスを脱硫器1に導入すると共に、バルブV6を開作動させる。また、制御部15は、バルブV3の開度を調節して、水蒸気生成器2から改質器3へ供給される水蒸気量を制御している。その結果、改質器3へは、脱硫処理された原燃料ガスと、水蒸気とが流入する。そして、改質器3において原燃料ガスの改質処理が適切に行われ、水素を含有する水素含有ガスが生成される。その後、改質器3で生成された水素含有ガスは、一酸化炭素変成器4に供給される。
After the
変成処理後の水素含有ガスは、一酸化炭素除去器5に供給される。一酸化炭素変成器5では、一酸化炭素除去触媒5aの温度を適切な選択酸化処理温度に調節されているので、一酸化炭素除去器5において水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素の選択酸化が適切に行われ、水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度が非常に低くされる。
以上のように、本実施形態の水素含有ガス生成装置10を用いることで、燃料電池にとっての燃料ガスとしての水素含有ガスを、一酸化炭素濃度が非常に低い状態で生成できる。
The hydrogen-containing gas after the shift treatment is supplied to the
As described above, by using the hydrogen-containing
但し、燃料電池に供給される水素含有ガスに含まれる一酸化炭素濃度を非常に低くするためには、一酸化炭素変成触媒4aを還元処理して一酸化炭素変成触媒4aの活性を高めておく必要がある。同様に、一酸化炭素除去触媒5aを還元処理して一酸化炭素除去触媒5aの活性を高めておく必要がある。また、一酸化炭素除去触媒5aの表面に水素含有ガス中に含まれる水が付着し、本来露出するべき一酸化炭素除去触媒5aの表面積が減少することもある。そのため、一酸化炭素除去触媒5aの表面に水が付着しないようにしておく必要がある。
従って、本実施形態では、以下に説明するように、燃料電池に供給するための水素含有ガスを生成する前に、一酸化炭素変成触媒4a及び一酸化炭素除去触媒5aを還元処理している。
However, in order to make the carbon monoxide concentration contained in the hydrogen-containing gas supplied to the fuel cell very low, the carbon
Therefore, in the present embodiment, as described below, the carbon
〔触媒の還元処理〕
図2は、第1実施形態の水素含有ガス生成装置10において還元処理用ガスを通流させる状態の機能ブロック図である。この状態において制御部15は、バルブV1,V3,V6を常に閉作動させており、ポンプP1も停止させている。他方で、制御部15は、バルブV4,V5を開作動させて燃焼器3bを燃焼させることで、還元処理用ガスが通流する改質触媒を設定温度に加熱しておく。同様に、制御部15は、電気ヒータ4bを作動させて一酸化炭素変成触媒を加熱し、電気ヒータ5bを加熱して一酸化炭素除去触媒を加熱しておく。
[Reduction treatment of catalyst]
FIG. 2 is a functional block diagram showing a state in which the reduction processing gas is allowed to flow in the hydrogen-containing
制御部15は、バルブV7,V8を開作動させた状態でポンプP2を作動させると共にバルブV2を開作動させて循環経路C内にN2ガスを導入して循環させた後、バルブV2を閉作動させる。その結果、循環経路Cの内部が不活性ガスとしてのN2ガスで置換された状態となる。また、制御部15は、凝縮器6を作動させることで、循環経路Cを循環するガスに含まれる水蒸気を凝縮させ、バルブV10を開作動させることで、凝縮器6によって凝縮された凝縮水を分離器7から排出している。
本実施形態において、凝縮器6は、通流するガスを冷却する冷却手段を備えており、通流するガス中に含まれる水蒸気の露点以下にまで冷却を行うことで、そのガスに含まれる水蒸気を結露させる。その結果、凝縮器6の下流側では、ガスと、結露した水とが存在する。そして、分離器7において、水のみがバルブV10を介して循環経路Cの外部に排出される。つまり、凝縮器6及び分離器7は、ガス中に含まれる水蒸気を除去する水分除去手段Dとして機能する。その結果、水分除去手段Dの下流側を通流するガスに含まれる水蒸気の濃度は低下し、乾燥したガスが得られる。よって、一酸化炭素除去器5に流入するガスは乾燥しているので、一酸化炭素除去触媒5aの表面に水が付着することもない。
The
In the present embodiment, the
このように、循環経路Cにおける一酸化炭素除去器5の直前に相当する箇所に水分除去手段Dが設けられるので、一酸化炭素除去器5へは、含まれる水蒸気の濃度が低い乾燥したガスが供給される。その結果、一酸化炭素除去触媒5cの表面への水の付着を防止して、一酸化炭素除去触媒5cの表面積が減少しないように、つまり、触媒の活性が低下しないようにできる。
つまり、一酸化炭素除去器5の直前に相当する箇所に水分除去手段Dが設けられるということは、水分除去手段Dによってガス中の水蒸気の濃度が低下された後、その水蒸気の濃度が維持された状態又は水蒸気の濃度が増大されない状態で一酸化炭素除去器5にガスが流入する状態である。従って、ガス中の水蒸気の濃度が増大しないのであれば、水分除去手段Dと一酸化炭素除去器5との間の循環経路Cに他の装置が設けられていてもよい。
Thus, since the water removal means D is provided in the location corresponding to immediately before the
In other words, the fact that the water removal means D is provided at a position corresponding to the position immediately before the
次に、制御部15は、バルブV9を開作動して循環経路CにH2ガスを導入し、循環経路Cを循環通流するN2ガスにH2ガスが混合した還元処理用ガスを調製する。このとき、制御部15は、圧力センサ8によって測定される循環経路Cのガス圧が設定圧力になるように、循環経路CへのH2ガスの導入量を調節する。また、凝縮器6において水蒸気が液化されるので、凝縮器6の下流側では気体の圧力が低くなる。その結果、還元処理用ガスとしてのH2が循環経路Cに流入し易くなる。
Next, the
以上のように、本実施形態では、ポンプP2によるガス付勢によって、還元処理用ガスが、一酸化炭素除去器5、一酸化炭素変成器4、改質器3及び脱硫器1の順に循環経路Cを通流するように付勢される。また、ガス付勢手段としてのポンプP2は、循環経路Cにおいて凝縮器6の直前に相当する箇所に設けられているので、凝縮器6に流入する還元処理用ガスの圧力が上昇して、還元処理用ガスに含まれる水蒸気の露点が高くなる。つまり、凝縮器6内の温度が同じであっても、還元処理用ガスに含まれる水蒸気の凝縮が促進されることになる。その結果、一酸化炭素除去器5へ流入する還元処理用ガスに含まれる水蒸気の濃度を低下させて、一酸化炭素除去触媒5aの表面への水の付着を効果的に防止できる。
As described above, in this embodiment, the gas for reduction treatment is circulated in the order of the
凝縮器6の下流側で上述のように調製された還元処理用ガスは、分離器7を通過した後で一酸化炭素除去器5に流入する。そして、一酸化炭素除去器5の内部において還元処理用ガスは、一酸化炭素除去触媒5aの還元処理(或いは、触媒表面などに吸着されているO2と結合することによるO2の除去)に寄与する。その結果、一酸化炭素除去器5から流出した還元処理用ガス中のH2分圧は、一酸化炭素除去器5の内部での還元処理によって消費された分だけ減少する。
The reduction gas prepared as described above on the downstream side of the
一酸化炭素除去器5から流出した還元処理用ガスは、次に、一酸化炭素変成器4に流入する。そして、一酸化炭素変成器4の内部において還元処理用ガスは、一酸化炭素変成触媒4aの還元処理に寄与する。その結果、一酸化炭素変成器4から流出した還元処理用ガス中のH2分圧は、一酸化炭素変成器4の内部での還元処理によって消費された分だけ減少する。
The gas for reduction treatment that has flowed out of the
その後、一酸化炭素変成器4から流出した還元処理用ガスは、改質器3及び脱硫器1を通過して、凝縮器6に流入する。凝縮器6に帰還した還元処理用ガスは、一酸化炭素除去器5、一酸化炭素変成器4、改質器3及び脱硫器1を通過する間に取り込んだ水蒸気、特に還元処理によって発生した水蒸気を含んでいる。そして、還元処理用ガス中に含まれる水蒸気は凝縮器6において結露する。このように、凝縮器6の上流側では水蒸気として存在していた水分が、凝縮器6の下流側では液体の水になっているので、凝縮器6の下流側のガス圧の方が、凝縮器6の上流側のガス圧よりも低くなる。つまり、凝縮器6の上流側に対する下流側のガス圧の減少分が、還元処理によって消費されたH2ガスの量であるといえる。
Thereafter, the reduction gas flowing out from the
そこで、制御部15は、凝縮器6の下流側の循環経路Cのガス圧を測定する圧力センサ8の測定結果に基づいて、循環経路Cに流入させるH2ガスの量を調節する。具体的には、制御部15は、凝縮器6の下流側の循環経路Cのガス圧が当初の設定圧力になるように、バルブV9を介してH2ガスを循環経路Cに流入させる。一酸化炭素除去器5及び一酸化炭素変成器4において還元処理が行われている間は、還元処理においてH2ガスが消費されるので、圧力センサ8で測定される凝縮器6の下流側のガス圧は設定圧力を下回ることになる。
他方で、一酸化炭素除去器5の一酸化炭素除去触媒5a及び一酸化炭素変成器4の一酸化炭素変成触媒4aの還元処理がほぼ完了すると、H2ガスが消費されなくなるので、圧力センサ8で測定される凝縮器6の下流側のガス圧は設定圧力のまま変化しないようになる。
Therefore, the
On the other hand, when the reduction process of the carbon
そこで、制御部15は、圧力センサ8で測定される凝縮器6の下流側のガス圧が設定圧力のまま変化しないようになると、一酸化炭素除去触媒5a及び一酸化炭素変成触媒4aの還元処理が完了したと判定する。そして、制御部15は、バルブV9、V10を閉作動させ、バルブV2を開作動させるとともに、バルブV11を開作動せる。その結果、循環経路C中に存在する還元処理用ガスがバルブV11を介して排気されながら、循環経路CがN2ガスで置換される。そして、制御部15は、設定時間経過すると、バルブV11を閉作動させて、N2ガスによる循環経路Cの置換を完了する。その後、制御部15は、全てのバルブを閉作動させ及びポンプP2を停止させる。
Therefore, when the gas pressure on the downstream side of the
<第2実施形態>
第2実施形態の水素含有ガス生成装置は、水分除去手段Dの設置位置が上記第1実施形態と異なっている。具体的には、第2実施形態の水素含有ガス生成装置20は、水分除去手段Dが、循環経路Cにおいて一酸化炭素変成器4の直後に相当する箇所であり、且つ、一酸化炭素除去器5の直前に相当する箇所に設けられている。以下に第2実施形態の水素含有ガス生成装置について説明するが、第1実施形態と同様の構成については説明を省略する。
Second Embodiment
In the hydrogen-containing gas generation apparatus of the second embodiment, the installation position of the moisture removing means D is different from that of the first embodiment. Specifically, in the hydrogen-containing
〔水素含有ガスの生成〕
図3は、第2実施形態の水素含有ガス生成装置20において水素含有ガスを生成する状態の機能ブロック図である。この状態において、制御部15は、バルブV2,V7,V8,V9,V11は常に閉作動させており、ポンプP2も停止させている。但し、ポンプP2は、停止時においてもガスを通過させることはできるように構成されている。つまり、図3に示す水素含有ガス生成装置20において水素含有ガスを生成するとき、制御部15が凝縮器6及びバルブV10を作動させることで、変成処理後の水素含有ガスに含まれる水蒸気を凝縮器6において凝縮させ、バルブV10を介して分離器7からその凝縮水を排出するように構成されている以外は上記第1実施形態における水素含有ガスの生成と同様である。
[Production of hydrogen-containing gas]
FIG. 3 is a functional block diagram of a state in which a hydrogen-containing gas is generated in the hydrogen-containing
〔触媒の還元処理〕
図4は、第2実施形態の水素含有ガス生成装置20において還元処理用ガスを通流させる状態の機能ブロック図である。この状態において制御部15は、バルブV1,V3,V6を常に閉作動させており、ポンプP1も停止させている。他方で、制御部15は、バルブV4,V5を開作動させて燃焼器3bを燃焼させることで、還元処理用ガスが通流する改質触媒を設定温度に加熱しておく。同様に、制御部15は、電気ヒータ4bを作動させて一酸化炭素変成触媒を加熱し、電気ヒータ5bを加熱して一酸化炭素除去触媒を加熱しておく。
[Reduction treatment of catalyst]
FIG. 4 is a functional block diagram illustrating a state in which the reduction gas is allowed to flow in the hydrogen-containing
制御部15は、バルブV7,V8を開作動させた状態でポンプP2を作動させると共にバルブV2を開作動させて循環経路C内にN2ガスを導入して循環させた後、バルブV2を閉作動させる。その結果、循環経路Cの内部が不活性ガスとしてのN2ガスで置換された状態となる。また、制御部15は、凝縮器6を作動させることで、循環経路Cを循環するガスに含まれる水蒸気を凝縮させ、バルブV10を開作動させることで、凝縮器6によって凝縮された凝縮水を分離器7から排出している。
このように、循環経路Cにおける一酸化炭素除去器5の直前に相当する箇所に、凝縮器6及び分離器7を有する水分除去手段Dが設けられるので、一酸化炭素除去器5へは、含まれる水蒸気の濃度が低い乾燥したガスが供給される。その結果、一酸化炭素除去触媒5cの表面への水の付着を防止して、一酸化炭素除去触媒5cの表面積が減少しないように、つまり、触媒の活性が低下しないようにできる。
The
Thus, since the water removal means D which has the
次に、制御部15は、バルブV9を開作動して循環経路CにH2ガスを導入し、循環経路Cを循環通流するN2ガスにH2ガスが混合した還元処理用ガスを調製する。このとき、制御部15は、圧力センサ8によって測定される循環経路Cのガス圧が設定圧力になるように、循環経路CへのH2ガスの導入量を調節する。また、凝縮器6において水蒸気が液化されるので、凝縮器6の下流側では気体の圧力が低くなる。その結果、還元処理用ガスとしてのH2が循環経路Cに流入し易くなる。
Next, the
以上のように、本実施形態では、ポンプP2によるガス付勢によって、還元処理用ガスが、脱硫器1、改質器3、一酸化炭素変成器4及び一酸化炭素除去器5の順に循環経路Cを通流するように付勢される。また、ガス付勢手段としてのポンプP2は、循環経路Cにおいて凝縮器6の直前に相当する箇所に設けられているので、凝縮器6に流入する還元処理用ガスの圧力が上昇して、還元処理用ガスに含まれる水蒸気の露点が高くなる。つまり、凝縮器6内の温度が同じであっても、還元処理用ガスに含まれる水蒸気の凝縮が促進されることになる。その結果、一酸化炭素除去器5へ流入する還元処理用ガスに含まれる水蒸気の濃度を低下させて、一酸化炭素除去触媒5aの表面への水の付着を効果的に防止できる。
As described above, in this embodiment, the gas for reduction treatment is circulated in the order of the desulfurizer 1, the
凝縮器6の下流側で上述のように調製された還元処理用ガスは、まず一酸化炭素除去器5に流入する。そして、一酸化炭素除去器5の内部において還元処理用ガスは、一酸化炭素除去触媒5aの還元処理に寄与する。その結果、一酸化炭素除去器5から流出した還元処理用ガス中のH2分圧は、一酸化炭素除去器5の内部での還元処理によって消費された分だけ減少する。
The reducing gas prepared as described above on the downstream side of the
その後、一酸化炭素除去器5から流出した還元処理用ガスは、循環経路Cを通って脱硫器1及び改質器3を循環した後、一酸化炭素変成器4に流入する。そして、一酸化炭素変成器4の内部において還元処理用ガスは、一酸化炭素変成触媒4aの還元処理に寄与する。その結果、一酸化炭素変成器4から流出した還元処理用ガス中のH2分圧は、一酸化炭素変成器4の内部での還元処理によって消費された分だけ減少する。
Thereafter, the reduction gas flowing out from the
そして、一酸化炭素変成器4から流出した還元処理用ガスは、凝縮器6に流入する。凝縮器6に帰還した還元処理用ガスは、一酸化炭素除去器5、脱硫器1、改質器3及び一酸化炭素変成器4を通過する間に取り込んだ水蒸気、特に還元処理によって発生した水蒸気を含んでいる。そして、還元処理用ガス中に含まれる水蒸気は凝縮器6において結露する。このように、凝縮器6の上流側では水蒸気として存在していた水分が、凝縮器6の下流側では液体の水になっているので、凝縮器6の下流側のガス圧の方が、凝縮器6の上流側のガス圧よりも低くなる。つまり、凝縮器6の上流側に対する下流側のガス圧の減少分が、還元処理によって消費されたH2ガスの量であるといえる。
Then, the reduction gas flowing out from the
そこで、制御部15は、凝縮器6の下流側の循環経路Cのガス圧を測定する圧力センサ8の測定結果に基づいて、循環経路Cに流入させるH2ガスの量を調節する。具体的には、制御部15は、凝縮器6の下流側の循環経路Cのガス圧が当初の設定圧力になるように、バルブV9を介してH2ガスを循環経路Cに流入させる。一酸化炭素除去器5及び一酸化炭素変成器4において還元処理が行われている間は、還元処理においてH2ガスが消費されるので、圧力センサ8で測定される凝縮器6の下流側のガス圧は設定圧力を下回ることになる。
他方で、一酸化炭素除去器5の一酸化炭素除去触媒5a及び一酸化炭素変成器4の一酸化炭素変成触媒4aの還元処理がほぼ完了すると、H2ガスが消費されなくなるので、圧力センサ8で測定される凝縮器6の下流側のガス圧は設定圧力のまま変化しないようになる。
Therefore, the
On the other hand, when the reduction process of the carbon
そこで、制御部15は、圧力センサ8で測定される凝縮器6の下流側のガス圧が設定圧力のまま変化しないようになると、一酸化炭素除去触媒5a及び一酸化炭素変成触媒4aの還元処理が完了したと判定する。そして、制御部15は、バルブV9、V10を閉作動させ、バルブV2を開作動させるとともに、バルブV11を開作動せる。その結果、循環経路C中に存在する還元処理用ガスがバルブV11を介して排気されながら、循環経路CがN2ガスで置換される。そして、制御部15は、設定時間経過すると、バルブV11を閉作動させて、N2ガスによる循環経路Cの置換を完了する。その後、制御部15は、全てのバルブを閉作動させ及びポンプP2を停止させる。
Therefore, when the gas pressure on the downstream side of the
<別実施形態>
<1>
上記実施形態では、制御部15が、圧力センサ8の測定結果に基づいて、循環経路Cに流入させるH2ガスの量を調節していたが、他の手法を用いて循環経路Cに流入させるH2ガスの量を調節してもよい。
例えば、一酸化炭素除去器4に収容されている一酸化炭素変成触媒4aの量、及び、一酸化炭素除去器5に収容されている一酸化炭素除去器5aの量は既知である。よって、一酸化炭素変成触媒4aを還元処理するのに必要なH2ガスの量、及び、一酸化炭素除去触媒5aを還元処理するのに必要なH2ガスの量も容易に導出できる。そこで、制御部15は、バルブV9を介して循環経路Cに流入するH2ガスの合計流量を調節して、一酸化炭素変成触媒4a及び一酸化炭素除去触媒5aの還元処理を行えばよい。或いは、制御部15は、循環経路CへのH2ガスの流入時間を調節して、循環経路Cに流入させるH2ガスの量を調節してもよい。また或いは、循環経路C中のガス成分を分析する分析器を設け、制御部15が、その分析結果に基づいて、循環経路Cを通流する還元処理用ガス中にH2ガスが設定量含まれているようにバルブV9の開度を調節するように構成してもよい。
<Another embodiment>
<1>
In the above-described embodiment, the
For example, the amount of the carbon
<2>
上記実施形態では、還元処理用ガスとしてのH2ガスが凝縮器6よりも下流側から循環経路Cに流入する場合について説明したが、H2ガスを循環経路Cの他の部位から流入させてもよい。また、循環経路CへのN2ガスの流入位置も図1〜図4に示した例に限定されず、適宜変更してもよい。
<2>
In the above-described embodiment, the case where the H 2 gas as the reduction processing gas flows into the circulation path C from the downstream side of the
<3>
上記実施形態では、原燃料ガスとしてメタンガス(CH4)を主成分とし、着臭剤として硫黄化合物が添加されている都市ガスを使用するために上記脱硫器1を備えているが、硫黄化合物が含まれていない原燃料ガスを用いる場合には、上記脱硫器1を設けなくてもよい。
<3>
In the above embodiment, methane gas (CH 4) as a main component as the raw fuel gas is provided with the above-described desulfurizer 1 in order to use the city gas sulfur compounds are added as odorant, sulfur compounds When raw fuel gas not contained is used, the desulfurizer 1 may not be provided.
本発明に係る水素含有ガス生成装置は、一酸化炭素含有量が非常に少ない水素含有ガスを低いコストで生成するために利用できる。 The hydrogen-containing gas generating apparatus according to the present invention can be used to generate a hydrogen-containing gas having a very low carbon monoxide content at a low cost.
1 脱硫器
3 改質器
4 一酸化炭素変成器(CO変成器)
4a 一酸化炭素変成触媒(CO変成触媒)
5 一酸化炭素除去器(CO除去器)
5a 一酸化炭素除去触媒(CO除去触媒)
6 凝縮器
7 分離器
10 水素含有ガス生成装置
C 循環経路
D 水分除去手段
P2 ポンプ(ガス付勢手段)
1
4a Carbon monoxide conversion catalyst (CO conversion catalyst)
5 Carbon monoxide remover (CO remover)
5a Carbon monoxide removal catalyst (CO removal catalyst)
6
Claims (6)
前記一酸化炭素変成触媒及び前記一酸化炭素除去触媒を還元処理する還元処理用ガスを、前記改質器、前記一酸化炭素変成器及び前記一酸化炭素除去器を含む循環経路に通流させるガス付勢手段と、
前記還元処理用ガスの前記循環経路における前記一酸化炭素除去器の直前に相当する箇所に設けられて、凝縮器にて前記還元処理用ガス中の水蒸気を凝縮し且つ前記凝縮器によって凝縮された前記還元処理用ガス中の凝縮水を分離器にて分離する水分除去手段とを備える水素含有ガス生成装置。 A reformer that reforms raw fuel to generate a hydrogen-containing gas containing hydrogen, and carbon monoxide that converts carbon monoxide contained in the hydrogen-containing gas into carbon dioxide by a carbon monoxide shift catalyst. A hydrogen-containing gas generation apparatus comprising: a converter; and a carbon monoxide remover that selectively oxidizes carbon monoxide contained in the hydrogen-containing gas after the shift treatment supplied from the carbon monoxide converter using a carbon monoxide removal catalyst. Because
Gas for allowing reduction treatment gas for reducing the carbon monoxide conversion catalyst and the carbon monoxide removal catalyst to flow through a circulation path including the reformer, the carbon monoxide conversion device, and the carbon monoxide removal device. Biasing means;
Provided at a location corresponding to the carbon monoxide remover immediately before the carbon monoxide remover in the circulation path of the reduction treatment gas, the condenser condenses water vapor in the reduction treatment gas and is condensed by the condenser. A hydrogen-containing gas generating device, comprising: a moisture removing unit that separates condensed water in the gas for reduction treatment with a separator.
前記循環経路に前記脱硫器が含まれるように構成されている請求項1〜5の何れか一項に記載の水素含有ガス生成装置。 A desulfurizer for desulfurizing the raw fuel with a desulfurization catalyst, and the desulfurizer and the reformer are connected to supply the raw fuel gas desulfurized by the desulfurizer to the reformer; ,
The hydrogen-containing gas generator according to any one of claims 1 to 5, wherein the desulfurizer is included in the circulation path.
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