JP2007284287A - Method for starting reforming system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は原料ガスを水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成し、その改質ガスを燃料電池に供給する改質システムの起動方法に関し、特に、燃料を燃焼して水蒸気を発生する水蒸気発生手段を備えた改質システムの起動方法に関する。 The present invention relates to a method for starting a reforming system that generates a hydrogen-rich reformed gas by steam reforming a raw material gas and supplies the reformed gas to a fuel cell, and more particularly, generates steam by burning fuel. The present invention relates to a method for starting a reforming system provided with a steam generation means.
従来から、原料ガスと水蒸気の混合物(以下、原料一水蒸気混合物という。)を改質触媒の存在下に水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを生成する改質器が知られている。改質器で得られる水素リッチな改質ガスは、残留するCO(一酸化炭素)をCO選択酸化器で酸化触媒の存在下に酸素含有ガスと反応させてCO2へ変換し、特に低温で作動する固体高分子電解質型燃料電池用には、数ppmレベルまでCOを低減してから燃料として供給される。原料ガスには、メタン等の炭化水素、メタノール等の脂肪族アルコール類、或いはジメチルエーテル等のエーテル類、都市ガスなどが用いられる。このような改質器において、メタンを原料ガスとして使用した場合の水蒸気改質の反応式は、CH4+2H2O→CO2+4H2で示すことができ、好ましい改質反応温度は、650〜750℃の範囲である。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by steam reforming a mixture of a source gas and steam (hereinafter referred to as a source-steam mixture) in the presence of a reforming catalyst. The hydrogen-rich reformed gas obtained in the reformer is converted into CO 2 by reacting residual CO (carbon monoxide) with an oxygen-containing gas in the presence of an oxidation catalyst in a CO selective oxidizer, particularly at low temperatures. For an operating solid polymer electrolyte fuel cell, CO is reduced to several ppm level before being supplied as fuel. As the source gas, hydrocarbons such as methane, aliphatic alcohols such as methanol, ethers such as dimethyl ether, city gas, and the like are used. In such a reformer, the reaction formula of steam reforming when methane is used as a raw material gas can be expressed as CH 4 + 2H 2 O → CO 2 + 4H 2 , and a preferable reforming reaction temperature is 650 to The range is 750 ° C.
改質器の改質反応に必要な熱を供給する方式として外部加熱型と、内部加熱型がある。外部加熱型の改質器は、外部に加熱部を設け、その熱源で原料ガスと水蒸気を反応させて改質ガスを生成するようになっている。内部加熱型の改質器はその供給側(上流側)に部分酸化反応層を設け、該部分酸化反応層で発生した熱を用いて下流側に配備した水蒸気改質反応層を水蒸気改質反応温度まで加熱し、該加熱された水蒸気改質触媒層で水蒸気改質反応をさせて水素リッチな改質ガスを生成するようになっている。 There are an external heating type and an internal heating type as a system for supplying heat necessary for the reforming reaction of the reformer. The external heating type reformer is provided with a heating unit outside, and a reformed gas is generated by reacting a raw material gas and water vapor with a heat source. The internal heating type reformer is provided with a partial oxidation reaction layer on the supply side (upstream side), and the steam reforming reaction layer disposed on the downstream side using the heat generated in the partial oxidation reaction layer is subjected to a steam reforming reaction. Heating to a temperature is performed, and a steam reforming reaction is performed in the heated steam reforming catalyst layer to generate a hydrogen-rich reformed gas.
部分酸化反応は、CH4+1/2・O2→CO+2H2で示すことができ、好ましい部分酸化反応の温度は250℃以上の範囲である。内部加熱型の改質器を改良したものとして自己酸化内部加熱型の改質器が例えば特許文献1、2に記載されている。特許文献1、2の改質器は外側の予備改質室とそれに連通する内側の主改質室を備えた二重構造になっており、予備改質室には改質触媒層が設けられ、主改質室には改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層、シフト触媒層、等が設けられる。なお主改質室の中央部に混合触媒層へ酸化空気を供給する供給管が延長され、その供給管が混合触媒層に延長する部分に複数のノズルからなる空気噴出部が形成されている。
The partial oxidation reaction can be represented by CH 4 + 1/2 · O 2 → CO + 2H 2 , and the preferable partial oxidation reaction temperature is in the range of 250 ° C. or higher. For example,
改質触媒層は原料ガスを水蒸気改質するものであり、例えばNiO−A12O3あるいはNiO−SiO2・A12O3などのNi系改質反応触媒やWO2−SiO2・A12O3やNiO−WO2・SiO2・A12O3などが使用される。混合触媒層を構成する改質触媒は上記と同様なものが使用され、それに均一に分散される酸化触媒は原料一水蒸気混合物中の原料ガスを酸化発熱させて水蒸気改質反応に必要な温度を得るもので、例えば白金(Pt)やロジウム(Rh)あるいはルテニウム(Ru)あるいはパラジウム(Pd)が使用される。なお改質触媒に対する酸化触媒の混合割合は、水蒸気改質すべき原料ガスの種類に応じて1〜15%程度の範囲で選択され、例えば原料ガスとしてメタンを使用する場合は5%±2%程度、メタノールの場合は2%±1%程度の混合割合とされる。またCO選択酸化器に設ける酸化触媒も混合触媒を構成する酸化触媒と同様なものが使用される。
Reforming catalyst layer are those of the raw material gas to steam reforming, for example, NiO-A1 2 O 3 or NiO-SiO 2 · A1 2 O 3 Ni -based reforming catalyst and WO 2 -
改質器に水蒸気を供給するために水蒸気発生手段が設けられる。水蒸気発生手段は気体燃料または液体燃料をバーナで燃焼し、その燃焼ガスで水を加熱して水蒸気を発生するものである。一方、燃料電池からはアノード排ガスが排出されるが、このアノード排ガスには燃料電池で未使用の水素が多く含まれているので、水蒸気発生手段の燃料として利用することが望ましい。そのため燃料電池のアノード排ガス流出部から水蒸気発生手段へアノード排ガス供給用の循環配管が設けられる。 A steam generating means is provided for supplying steam to the reformer. The water vapor generating means burns gaseous fuel or liquid fuel with a burner and heats water with the combustion gas to generate water vapor. On the other hand, anode exhaust gas is discharged from the fuel cell. Since this anode exhaust gas contains a large amount of hydrogen that is not used in the fuel cell, it is desirable to use it as fuel for the steam generating means. Therefore, a circulation pipe for supplying anode exhaust gas from the anode exhaust gas outflow portion of the fuel cell to the water vapor generating means is provided.
改質システムを起動する際には、先ず水蒸気発生手段に原料ガスを燃料として供給し、改質器への水蒸気供給の準備を開始する。それと共に改質器の内部温度を改質反応温度領域に昇温する。改質器を昇温するためには通常プレヒータが設けられ、プレヒータには酸化触媒が充填されると共に、起動に際してその酸化触媒を昇温する電熱ヒータが設けられる。 When starting the reforming system, first, a raw material gas is supplied as fuel to the steam generating means, and preparation for supplying steam to the reformer is started. At the same time, the internal temperature of the reformer is raised to the reforming reaction temperature region. In order to raise the temperature of the reformer, a preheater is usually provided. The preheater is filled with an oxidation catalyst, and an electric heater for raising the temperature of the oxidation catalyst at the time of start-up is provided.
改質システムの起動時にプレヒータの電熱ヒータを起動すると内部の酸化触媒が加熱されて昇温する。酸化触媒が酸化反応温度領域になった状態でプレヒータに原料ガスとスタート用空気を供給すると、酸化触媒の作用により原料ガスが空気と反応して酸化熱(燃焼熱)を生成する。プレヒータから流出する高温ガスは改質器の混合触媒層に供給され、それによって改質器の内部は次第に昇温し、改質温度領域に達すると平常な改質運転が可能な状態、すなわち改質運転状態に入る。 When the electric heater of the preheater is started at the time of starting the reforming system, the internal oxidation catalyst is heated and the temperature is raised. When the raw material gas and start air are supplied to the preheater in a state where the oxidation catalyst is in the oxidation reaction temperature region, the raw material gas reacts with the air by the action of the oxidation catalyst to generate oxidation heat (combustion heat). The high-temperature gas flowing out from the preheater is supplied to the mixed catalyst layer of the reformer, whereby the temperature inside the reformer gradually increases, and when the reforming temperature region is reached, a normal reforming operation is possible, i.e., reforming. Enter the quality driving state.
従来の改質システムでは、起動に際して先ず原料ガスをスタート用燃料として燃料供給配管から水蒸気発生手段に供給し、バーナで燃焼して水蒸気を発生させる。水蒸気発生手段から水蒸気が発生すると、その水蒸気を改質器に供給し、改質器が改質運転状態に達した後、改質器で生成した改質ガスを燃料電池に供給開始する。燃料電池が運転されると水素を含むアノード排ガスが排出されるので、そのアノード排ガスを循環配管で水蒸気発生手段に燃料として供給する。 In the conventional reforming system, at the time of start-up, first, the raw material gas is supplied as fuel for start from the fuel supply pipe to the steam generating means and burned by the burner to generate steam. When steam is generated from the steam generating means, the steam is supplied to the reformer, and after the reformer reaches the reforming operation state, the reformed gas generated in the reformer is started to be supplied to the fuel cell. Since the anode exhaust gas containing hydrogen is discharged when the fuel cell is operated, the anode exhaust gas is supplied as fuel to the water vapor generating means through a circulation pipe.
しかし、改質器が運転状態に至るまでの間に改質器から流出するガスは、環境上の問題から無害化処理を要求されるが、その無害化を実施するには、例えば改質システムに焼却装置を新たに設ける必要があった。また従来の改質システムの起動方法では、起動時に改質器内部が炭素析出温度(原料ガスが炭化して炭素が析出する温度)以上に上昇したとき、存在もしくは残留する原料ガスが炭化する恐れがあった。そこで本発明はこのような従来の改質器システムの起動方法における問題を解決することを課題とし、そのための新しい改質システムの起動方法を提供することを目的とする。 However, the gas flowing out of the reformer before the reformer reaches the operating state is required to be detoxified due to environmental problems. It was necessary to install a new incinerator. Further, in the conventional reforming system start-up method, when the interior of the reformer rises above the carbon deposition temperature (the temperature at which the source gas is carbonized and carbon is precipitated) at the start-up, the existing or remaining source gas may be carbonized. was there. SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve such a problem in the conventional method for starting a reformer system, and to provide a new method for starting a reforming system.
前記課題を解決する本発明の改質システムの起動方法は、燃料を燃焼して水蒸気を発生する水蒸気発生手段と、原料ガスと水蒸気発生手段で発生した水蒸気との混合物から水素リッチな改質ガスを生成して燃料電池に供給する改質器を備えた改質システムの起動方法である。そして、改質システムの起動時に、改質器に新たな原料ガスを連続的に供給し、改質器からの流出ガスを水蒸気発生手段に燃料として供給し、水蒸気発生手段から水蒸気が発生したら、その水蒸気を前記原料ガスに混合して改質器に供給し、改質器を昇温しその温度が改質運転可能状態に達したら、改質器からの流出ガスの供給を水蒸気発生手段から燃料電池へ切り換え、水蒸気発生手段には別系統からの燃料を供給することを特徴とする(請求項1)。 A method for starting a reforming system of the present invention that solves the above-described problem is a hydrogen-rich reformed gas from a mixture of water vapor generating means that burns fuel to generate water vapor, and a raw material gas and water vapor generated by the water vapor generating means. Is a method for starting a reforming system including a reformer that generates and supplies fuel to a fuel cell. Then, when starting the reforming system, new raw material gas is continuously supplied to the reformer, the outflow gas from the reformer is supplied as fuel to the steam generating means, and when steam is generated from the steam generating means, The steam is mixed with the raw material gas and supplied to the reformer. The temperature of the reformer is increased, and when the temperature reaches a state where the reforming operation is possible, supply of the effluent gas from the reformer is performed from the steam generating means. Switching to a fuel cell is performed, and fuel from another system is supplied to the water vapor generating means (claim 1).
上記改質システムの起動方法において、改質器への水蒸気の供給は、改質器が炭素析出温度に達する前に行うことができる(請求項3) In the start-up method of the reforming system, the supply of steam to the reformer can be performed before the reformer reaches the carbon deposition temperature.
上記改質システムの起動方法において、改質器は、予備改質器室と主改質室を有し、予備改質室には改質触媒層が設けられ、主改質室には改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層が少なくとも設けられ、予備改質室に原料ガスと水蒸気の混合物を供給し、混合触媒層には予備改質室からの流出ガスと酸化用空気が供給され、主改質器から流出する改質ガスを燃料電池15に供給するように構成された自己酸化内部加熱型とすることができる(請求項4)。
さらには、改質システムの運転停止中は予備改質室と主改質室の内部に原料ガスが充填され、改質システムの起動時において、改質器が炭素析出温度に達する前に、予備改質室に充填されている原料ガスを原料ガスと水蒸気の混合物で置換することができる(請求項5)。
In the above reforming system start-up method, the reformer has a pre-reformer chamber and a main reforming chamber, the pre-reforming chamber is provided with a reforming catalyst layer, and the main reforming chamber is reformed. At least a mixed catalyst layer in which a catalyst and an oxidation catalyst are mixed is provided, a mixture of raw material gas and water vapor is supplied to the pre-reforming chamber, and an outflow gas and oxidizing air from the pre-reforming chamber are supplied to the mixed catalyst layer. The self-oxidation internal heating type configured to supply the reformed gas flowing out from the main reformer to the
Furthermore, during the shutdown of the reforming system, the inside of the preliminary reforming chamber and the main reforming chamber is filled with the raw material gas, and when the reforming system is started, before the reformer reaches the carbon deposition temperature, The source gas filled in the reforming chamber can be replaced with a mixture of the source gas and water vapor (claim 5).
上記自己酸化内部加熱型の改質器を有する改質システムの起動方法において、さらに本改質システムは原料ガスと水蒸気またはスタート用空気を混合する吸引混合手段と、酸化触媒と加熱ヒータを備えたプレヒータを備え、原料ガスまたは原料ガスと水蒸気の混合物は吸引混合手段およびプレヒータを経由して改質器に供給され、
改質システムの起動時に、プレヒータに原料ガスとスタート用空気を供給し、プレヒータからの流出物で混合触媒層を加熱昇温し、混合触媒層の温度が原料ガスの酸化温度に達したら、混合触媒層に酸化用空気を供給してプレヒータからの流出物と混合することにより原料ガスの少なくとも一部を酸化し、その際発生する酸化熱で混合触媒層の昇温を加速し、
水蒸気発生手段から水蒸気が発生したら、その水蒸気を前記吸引混合手段に原料ガスと共に供給し、吸引混合手段へのスタート用空気の供給を停止すると共に、吸引混合手段から流出する原料ガスと水蒸気の混合物を改質器の予備改質室に供給し、改質器が改質運転状態に達したら、改質器からの流出ガスの供給を水蒸気発生手段から燃料電池に切り換え、水蒸気発生手段には別系統からの燃料を供給することができる(請求項6)。
In the start-up method of the reforming system having the self-oxidation internal heating type reformer, the reforming system further includes suction mixing means for mixing the raw material gas and water vapor or start air, an oxidation catalyst, and a heater. A preheater is provided, and the raw material gas or a mixture of the raw material gas and water vapor is supplied to the reformer via the suction mixing means and the preheater,
When starting the reforming system, supply the raw material gas and start air to the preheater, heat the temperature of the mixed catalyst layer with the effluent from the preheater, and mix when the temperature of the mixed catalyst layer reaches the oxidation temperature of the raw material gas. Oxidizing air is supplied to the catalyst layer and mixed with the effluent from the preheater to oxidize at least a part of the raw material gas, and the temperature of the mixed catalyst layer is accelerated by the oxidation heat generated at that time.
When water vapor is generated from the water vapor generating means, the water vapor is supplied to the suction mixing means together with the raw material gas, the supply of the start air to the suction mixing means is stopped, and the raw material gas and water vapor mixture flowing out from the suction mixing means Is supplied to the preliminary reforming chamber of the reformer, and when the reformer reaches the reforming operation state, the supply of the effluent gas from the reformer is switched from the steam generating means to the fuel cell, and is separated from the steam generating means. Fuel from the system can be supplied (claim 6).
上記いずれかの改質システムの起動方法において、水蒸気発生手段に供給する別系統の燃料は、燃料電池から流出するアノード排ガスとすることができる(請求項7)。 In any one of the above reforming system start-up methods, the fuel of another system supplied to the steam generating means can be anode exhaust gas flowing out from the fuel cell.
上記別系統の燃料を燃料電池から流出するアノード排ガスとする改質器の起動方法において、改質システムは、改質器からの流出物である改質ガスを燃料電池に供給する改質ガス配管と、燃料電池から排出されるアノード排出ガスを水蒸気発生手段に燃料として供給する循環配管と、燃料電池をバイパスするように改質ガス配管と循環配管を接続するバイパス配管を備え、改質システムの起動時に、改質器からの流出ガスを改質ガス配管―バイパス配管―循環配管を経て前記水蒸気発生手段に燃料として供給し、改質器が改質運転状態に達したら、バイパス配管を閉じて改質器からの流出ガスの供給を水蒸気発生手段から燃料電池へ切り換えることができる(請求項8)。 In the start-up method of the reformer that uses the anode fuel flowing out from the fuel cell as the fuel of the different system, the reforming system supplies the reformed gas that is the effluent from the reformer to the fuel cell. A circulation pipe for supplying the anode exhaust gas discharged from the fuel cell as fuel to the water vapor generating means, and a bypass pipe for connecting the reformed gas pipe and the circulation pipe so as to bypass the fuel cell. At start-up, the effluent gas from the reformer is supplied as fuel to the steam generating means via the reformed gas pipe, bypass pipe, and circulation pipe, and when the reformer reaches the reforming operation state, the bypass pipe is closed. The supply of the effluent gas from the reformer can be switched from the steam generating means to the fuel cell.
上記循環配管を設けた改質システムの起動方法において、水蒸気発生手段へ燃料を供給する循環配管に凝縮器を設け、そこでガス中に含まれる水蒸気を凝縮して除去することができる(請求項9)。 In the reforming system starting method provided with the circulation pipe, a condenser is provided in the circulation pipe for supplying fuel to the steam generation means, and the water vapor contained in the gas can be condensed and removed there. ).
本発明の改質システムの起動方法は、請求項1に記載のように、改質システムの起動時に改質器に新たな原料ガスを連続的に供給し、改質器からの流出ガスを水蒸気発生手段に燃料として供給し、水蒸気発生手段から水蒸気が発生したら、その水蒸気を前記原料ガスに混合して改質器に供給し、改質器を昇温しその温度が改質運転状態に達したら、改質器からの流出ガスの供給を水蒸気発生手段から燃料電池へ切り換え、水蒸気発生手段には別系統からの燃料を供給することを特徴とする。かかる起動方法によれば、改質器が平常運転に至るまでの間に改質器から流出するガスを無害化処理するための焼却装置などを設ける必要がなくなる。さらに改質器から流出するガスを有効利用できるので、改質システムの起動時に水蒸気発生手段へスタート用燃料を供給する必要がなくなる。 According to the reforming system start-up method of the present invention, as described in claim 1, when starting the reforming system, new raw material gas is continuously supplied to the reformer, and the outflow gas from the reformer is steamed. When the steam is generated from the steam generating means, the steam is mixed with the raw material gas and supplied to the reformer. The temperature of the reformer is raised and the temperature reaches the reforming operation state. Then, the supply of the effluent gas from the reformer is switched from the steam generating means to the fuel cell, and fuel from another system is supplied to the steam generating means. According to this starting method, it is not necessary to provide an incinerator or the like for detoxifying the gas flowing out from the reformer until the reformer reaches normal operation. Further, since the gas flowing out from the reformer can be used effectively, it is not necessary to supply start fuel to the steam generating means when the reforming system is started.
上記改質システムの起動方法において、請求項3に記載のように、起動時における改質器への水蒸気供給を改質器が炭素析出温度に達する前に行うことが望ましい。改質器の温度が炭素析出温度以上になると、改質器の内部における原料ガスが炭化して触媒劣化等の好ましくない状況が起こるが、このように原料ガスと共に水蒸気を存在させることにより、原料ガスの炭化を効果的に防止できる。
In the reforming system start-up method, as described in
上記改質器システムの起動方法において、請求項5に記載のように、自己酸化内部加熱型の改質器を用いる場合、改質器が炭素析出温度に達する前に、主改質室のみならず、予備改質室に充填されている原料ガスを原料ガスと水蒸気の混合物で置換することができる。このようにすると、改質システムの起動時に予備改質室の内部に原料ガスと共に水蒸気を存在させることにより、該部分における原料ガスの炭化も防止できる。 In the start-up method of the reformer system, when a self-oxidation internal heating type reformer is used as described in claim 5, before the reformer reaches the carbon deposition temperature, only the main reforming chamber is used. Instead, the raw material gas filled in the preliminary reforming chamber can be replaced with a mixture of the raw material gas and water vapor. In this manner, when the reforming system is started, the presence of water vapor together with the raw material gas in the preliminary reforming chamber can prevent carbonization of the raw material gas in the portion.
上記自己酸化内部加熱型の改質器を有する改質システムの起動方法において、請求項6に記載のように、プレヒータからの流出物で混合触媒層を加熱昇温し、混合触媒層の温度が原料ガスの酸化温度に達したら、混合触媒層に酸化用空気を供給してプレヒータからの流出物と混合することにより原料ガスの少なくとも一部を酸化し、その際発生する酸化熱で混合触媒層の昇温を加速することができる。このようにすると、改質器の昇温を加速できるので改質システムの起動時間が一層短縮する。
In the start-up method of the reforming system having the self-oxidation internal heating type reformer, as described in
上記いずれかの改質システムの起動方法において、請求項7に記載のように、水蒸気発生手段に供給する別系統の燃料として燃料電池から流出するアノード排ガスを使用することができる。このようにすると、水蒸気発生手段のバーナを気体燃料専用とすることができ、且つ改質システムの熱効率を高くできる。
In any one of the above reforming system start-up methods, as described in
上記別系統の燃料を燃料電池から流出するアノード排ガスとする改質システムの起動方法において、請求項8に記載のように、燃料電池をバイパスするように改質ガス配管と循環配管を接続するバイパス配管を備え、改質システムの起動時に、改質器からの流出ガスを改質ガス配管―バイパス配管―循環配管を経て前記水蒸気発生手段に燃料として供給し、改質器が改質運転状態に達したら、バイパス配管を閉じて改質器からの流出ガスの供給を水蒸気発生手段から燃料電池へ切り換えることができる。このようにすると、改質システムの構成が簡単になる。 9. A method of starting a reforming system in which the fuel of another system is used as an anode exhaust gas flowing out of a fuel cell, and a bypass for connecting a reformed gas pipe and a circulation pipe so as to bypass the fuel cell according to claim 8. When the reforming system is started up, the effluent gas from the reformer is supplied as fuel to the steam generating means through the reformed gas pipe, the bypass pipe, and the circulation pipe, and the reformer enters the reforming operation state. Once reached, the bypass piping can be closed and the supply of effluent gas from the reformer can be switched from the steam generating means to the fuel cell. This simplifies the configuration of the reforming system.
上記循環配管を設けた改質システムの起動方法において、請求項9に記載のように、水蒸気発生手段へ燃料を供給する循環配管に凝縮器を設け、そこでガス中に含まれる水蒸気を凝縮して除去することができる。このようにすると、改質システム起動時に改質器から流出するガスに水蒸気が含まれている場合、その水蒸気を除去して水蒸気発生手段の燃焼効率もしくは熱効率を高めることができる。
In the start-up method of the reforming system provided with the circulation pipe, as described in
次に図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。図1は本発明の改質システムの起動方法の1例を具体的に説明するためのプロセスフロー図である。改質器1は二重筒型に配置した外側の予備改質室2と内側の主改質室3を備えており全体が薄型に形成される。予備改質室2と主改質室3はそれぞれ細長く断面が扁平状(図示の例では扁平な方形)に形成されると共に、それらの断面は互いに相似形とされる。予備改質室2は外筒と内筒の間に形成され、主改質室3は内筒の内側に形成される。
Next, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a process flow diagram for specifically explaining one example of a method for starting a reforming system of the present invention. The reformer 1 includes an outer preliminary reforming
なお本発明が適用できる改質器1は、このような二重構造に構成されたものに限らず、予備改質室2と主改質室3が別体として構成されるもの、あるいは予備改質室2を有さず主改質室3のみで水蒸気改質を行うように構成されたものにも適用できる。したがって本発明における主改質室3は、図1のような二重構造の内側に配置される主改質室3以外に、別体として配置される主改質室3または予備改質室2を有しない主改質室3(単一の改質室)なども含むことを意味する。
Note that the reformer 1 to which the present invention can be applied is not limited to such a double structure, and the preliminary reforming
予備改質室2に改質触媒層4が設けられ、主改質室3に改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層5とシフト触媒層6が設けられ、シフト触媒層6は高温シフト触媒層7と低温シフト触媒層8により構成される。主改質室3の中央部に沿って酸化用空気を供給する供給管9が混合触媒層5まで延長され、その混合触媒層5の延長部分に空気の噴出部10が設けられる。供給管9は酸化用空気を供給する配管9aに接続され、配管9aの途中に後述するCO選択酸化器(いわゆるPROX)17内に配置した加熱用の熱交換配管が設けられる。
The reforming
予備改質室2の下部に原料―水蒸気混合物の供給部11が設けられ、主改質室3の下部には改質ガスなどの流出ガスの排出部12が設けられる。さらに主改質室3の上部に起動用のプレヒータ13が連接される。プレヒータ13はシステム起動時に高温ガスを生成させ、その高温ガスで混合触媒層5を含む改質器1の内部を迅速に平常運転状態に昇温するもので、その内部には電気ヒータが配置されると共に、白金(Pt)やバラジウム(Pd)等の酸化触媒が充填される。
A raw material-steam
そして改質システムの起動時には、エジェクタにより構成される吸引混合手段14から原料ガスとスタート空気の混合物がプレヒータ13に供給され、混合物中の原料ガスは酸化触媒の存在下に空気に含まれる酸素と反応し、その酸化熱により発生する高温ガスが混合触媒層5に流出する。混合触媒層5に流入した高温ガスは、混合触媒層5を含む改質器1の内部を加熱し、排出部12から排出される。
When the reforming system is started, a mixture of raw material gas and start air is supplied to the
改質器1の排出部12と燃料電池15は改質ガス配管16で連通され、その途中にCO選択酸化器17が設けられる。CO選択酸化器17は改質器1から流出する改質ガスに微量に含まれるCOを酸化触媒の存在下に空気中の酸素と反応させて更に低減するものである。CO選択酸化器17の上流または入口には改質器1から流出する改質ガスと酸化用の空気を混合する混合部18が設けられる。
The
燃料電池15には改質ガス配管16と空気供給管19が接続され、改質システムが平常運転中は改質ガス配管16から供給される改質ガスの主成分である水素と空気供給管19から供給される空気に含まれる酸素が燃料電池15のスタックにおいて反応し発電する。燃料電池15で前記反応により生成するアノード排ガスは、循環配管20を経て吸引混合手段35に流入出来るようになっている。なお循環配管20の途中には凝縮器60と開閉弁20aが設けられる。また燃料電池15で生成する水は水排出管21から水タンク22に排出し、燃料電池15の冷却が必要な場合は、図示しない循環路により水タンク22から冷却水が循環される。水タンク22と水蒸気発生手段30のドラムは水配管23で接続され、その水配管にポンプ24が設けられ、水タンク22には補給水配管25が接続される。
A reformed
燃料電池15をバイパスするように改質ガス配管16と循環配管20を接続するバイパス配管26が設けられ、そのバイパス配管26に開閉弁27が設けられる。さらにバイパス配管26から燃料電池15に分岐する改質ガス配管16の途中に開閉弁28が設けられる。なお、これら開閉弁27,28は図示しない制御装置から遠隔操作により開閉操作できるようになっている。
A
水蒸気発生手段30は改質器1に改質用の水蒸気を供給するもので、燃焼部31とドラム32を有する。燃焼部31にはバーナ33が設けられると共に、その周囲に二次空気を供給する空気配管34が設けられる。バーナ33にはエジェクタからなる吸引混合手段35からの一次空気と燃料の混合物が供給され、吸引混合手段35には補助燃料を供給する燃料配管36、一次空気を供給する空気配管36aおよび循環配管20が接続される。水蒸気発生手段30で発生した水蒸気は、水蒸気配管37を経て吸引混合手段14に供給される。
The steam generating means 30 supplies reforming steam to the reformer 1 and has a
吸引混合手段14には上記水蒸気配管37に加えて、図示しない原料供給部からの原料ガス配管38とスタート用空気配管39が接続される。原料ガス配管38の途中には脱硫装置40が設けられ、そこで原料ガス中に含まれている硫黄成分が除去される。脱硫装置40の出口側における原料ガス配管38はCO選択酸化器17内に設けた熱交換配管を通って吸引混合手段14に接続される。
In addition to the
吸引混合手段14の出口側は配管41に接続され、配管41はCO選択酸化器17に設けた熱交換配管を通って2つの配管42,43に分岐される。配管42の先端部は改質器1における予備改質室2の供給部11に連通し、その途中に流量調整可能な開閉弁44が設けられる。また配管43の先端部はプレヒータ13の入口側に連通し、その途中に開閉弁45が設けられる。これら開閉弁44,45は図示しない制御装置から遠隔操作により開閉される。
The outlet side of the suction mixing means 14 is connected to a
次に図1を参照して本発明の改質システムの起動方法を説明する。改質システムの起動時には、開閉弁45、27、20aを開け、開閉弁28、44を閉じておく。そしてプレヒータ13の電熱ヒータを通電して内部の酸化触媒の昇温を開始すると共に、吸引混合手段14に原料ガス配管38から原料ガスを供給する。吸引混合手段14から流出する原料ガスは配管41、43を通ってプレヒータ13に流入し、そこから改質器1の混合触媒層5に流出する。
Next, a method for starting the reforming system of the present invention will be described with reference to FIG. When starting the reforming system, the on-off
改質システムが運転を停止している間は改質器1の主改質室3には原料ガスが充填されているが、プレヒータから原料ガスが流入すると、主改質室3に充填されていた原料ガスは流入した原料ガスと共に排出部12から改質ガス配管16に流出する。改質ガス配管16の流出ガス(この時点では原料ガス)はCO選択酸化器17、バイパス配管26および循環配管20の凝縮器60を経て吸引混合手段35に流入する。吸引混合手段35に流入した原料ガスはそこで一次空気と混合され、水蒸気発生手段30のバーナ33に供給されて燃焼する。
While the reforming system is not operating, the main reforming
プレヒータ13の内部温度が酸化触媒による酸化反応可能な温度(酸化温度)に達したら、吸引混合手段14にスタート用空気を供給し、吸引混合手段14から流出する原料ガスとスタート用空気の混合物をプレヒータ13に供給する。プレヒータ13では原料ガスがスタート用空気の酸素と反応(燃焼)し、発生する高温ガス(酸化燃焼ガスと未反応原料ガスおよび比較的少ない水素)が混合触媒層5に流入する。混合触媒層5に流入した高温ガスはそこからシフト触媒層6を通過して排出部12から改質ガス配管16に流出する間に混合触媒層5およびシフト触媒層6を加熱する。
When the internal temperature of the
それらを通過した高温ガスはCO選択酸化器17に導かれる。このCO選択酸化器17の入口には空気が同時に供給され、高温ガス中の水素と反応して、CO選択酸化器17の内部を加熱する。それにより、CO選択酸化器17の結露を防止すると共に、そのCO選択酸化器17を熱交換器として原料ガスおよび酸化空気を加熱し、それらをプレヒータ13へ供給して、改質器の改質反応を加速度的に促進する。
The hot gas that has passed through them is guided to the CO
プレヒータ13が発生する高温ガスによる加熱で酸化反応可能な温度領域に維持できる状態に達したら、プレヒータ13の電熱ヒータの通電を停止すると共に、吸引混合手段14へのスタート用空気の供給量を増加し、プレヒータ13からの高温ガスの流出量を増加させて混合触媒層5等の昇温速度を高める。しかしこの時点ではプレヒータ13からの高温ガスの熱量のみでは混合触媒層5や予備改質室2の改質触媒層4等の温度が炭素析出温度領域に達しない。
When reaching a state where the
プレヒータ13から改質器1を経て改質配管16に流出したガスは未反応の原料ガスが含まれており、その流出ガスはCO選択酸化器17等を経て水蒸気発生手段30に燃料として供給される。このようにして水蒸気発生手段30の燃焼を継続することにより、水蒸気発生手段30は所定圧の水蒸気が発生できる状態になる。水蒸気発生手段30の水蒸気発生が開始されたら、吸引混合手段14へのスタート用空気の供給を一時的に停止し、開閉弁45を閉じて開閉弁44を開ける。
The gas flowing out from the
上記開閉弁操作により水蒸気発生手段30から水蒸気が吸引混合手段14に供給されると共に、吸引混合手段14から流出する原料ガスと水蒸気の混合が配管42から改質器1の供給部11に供給され、その混合物は予備改質室2の改質触媒層4を通過して混合触媒層5に流出する。改質システムが運転停止中は予備改質室2の内部にも原料ガスが充填されているが、この操作により予備改質室2の内部は原料ガスと水蒸気の混合物に置換される。そして予備改質室2の内部温度が炭素析出温度以上になったとしても、水蒸気の存在により該部分に存在する原料ガスの炭化が防止される。
By the opening / closing valve operation, water vapor is supplied from the water vapor generating means 30 to the suction mixing means 14, and the mixture of the raw material gas and water vapor flowing out from the suction mixing means 14 is supplied from the
予備改質室2の内部が原料ガスと水蒸気の混合物で十分に置換されたら、開閉弁44を閉じて開閉弁45を開けると共に、吸引混合手段14へのスタート用空気の供給を再開し、吸引混合手段14から流出する原料ガス、水蒸気、スタート用空気の混合物をプレヒータ13に供給する。吸引混合手段14は水蒸気の吸引力によりスタート用空気および原料ガスの吸引量が増加するので、プレヒータ13における酸化熱の発生量も増加する。
When the inside of the preliminary reforming
上記プレヒータ13から流出する高温ガス(酸化燃焼ガス、未反応原料ガスおよび水蒸気の混合物)により混合触媒層5の昇温が加速されると共に、その下流側に設けたシフト触媒層6、さらにはCO選択酸化器17の酸化触媒層が昇温される。そしてCO選択酸化器17からの流出ガスは凝縮器60に流入し、そこで含まれる水蒸気が凝縮により除去された後、吸引混合手段35を経て水蒸気発生手段30に燃料として供給される。
While the temperature rise of the mixed catalyst layer 5 is accelerated by the high temperature gas (a mixture of oxidation combustion gas, unreacted raw material gas and water vapor) flowing out from the
混合触媒層5の酸化触媒による酸化反応が可能な温度(酸化温度)になった時点で、混合触媒層5に酸化用空気を供給してその昇温速度をさらに加速することができる。具体的には、配管9aから酸化用空気を供給管9に供給することにより、その先端部に設けた噴出部10から酸化用空気を混合触媒層5に供給する。混合触媒層5ではプレヒータ13からの流出物と前記酸化用空気が混合され、原料ガスの少なくとも一部がそこで酸化し、その際発生する酸化熱で混合触媒層5の昇温が一層加速する。
When the temperature (oxidation temperature) at which the oxidation reaction of the mixed catalyst layer 5 by the oxidation catalyst is reached, oxidation air can be supplied to the mixed catalyst layer 5 to further accelerate the temperature increase rate. Specifically, by supplying the oxidizing air from the
混合触媒層5の温度が所定温度(例えば240℃程度)になったら、吸引混合手段14へのスタート用空気の供給を停止すると共に、開閉弁45を閉じて開閉弁44を開けることにより、吸引混合手段14から流出する原料ガスと水蒸気の混合物をプレヒータ13から改質器1の供給部11に切り換える。さらに供給管9からの酸化空気の供給量を増加する。これらの操作により原料ガスと水蒸気の混合物は予備改質室2を経て主改質室3の混合触媒層5に流入し、そこで酸化用空気による酸化熱発生により混合触媒層5の昇温がさらに加速されると共に、下流側のシフト触媒層6および主改質室3からの伝熱により予備改質室2の昇温も加速される。
When the temperature of the mixed catalyst layer 5 reaches a predetermined temperature (for example, about 240 ° C.), the supply of start air to the suction mixing means 14 is stopped, and the on-off
この時点では、混合触媒層5で原料ガスの一部が水蒸気改質されて改質ガスが生成するが、その改質ガスと未反応原料ガス、水蒸気等の混合物からなる流出ガスが排出部12から改質ガス配管16に流出し、CO選択酸化器17、凝縮器60、吸引混合手段35を経て水蒸気発生手段30に燃料として供給される。
At this time, a part of the raw material gas is steam reformed in the mixed catalyst layer 5 to generate a reformed gas, but the outflow gas composed of a mixture of the reformed gas and the unreacted raw material gas, steam, etc. is discharged to the
改質器1の内部温度がさらに上昇し、混合触媒層5が改質温度領域(例えば700℃程度)に達したら、改質器1は平常運転状態もしくは平常運転可能状態になる。そこで開閉弁28を開けて開閉弁27を閉じると、改質器1からの流出ガス(この時点の流出ガスは水素リッチな改質ガス)の供給を水蒸気発生手段30から燃料電池15へ切り換える。燃料電池15で生成するアノード排ガスは循環配管20から水蒸気発生手段30に燃料として供給される。この一連の操作により改質システムの起動が完了する。
When the internal temperature of the reformer 1 further rises and the mixed catalyst layer 5 reaches a reforming temperature region (for example, about 700 ° C.), the reformer 1 enters a normal operation state or a normal operation state. Therefore, when the on-off
燃料電池15では改質ガス中の水素の全てを消費しないため、アノード排ガス中には水蒸気発生に必要な燃料成分が残っており、一般的には水蒸気発生手段30に必要な燃料を賄うことができる。なお上記起動操作中において、水蒸気発生手段30における燃焼を安定化させるため、必要に応じて配管36から補助燃料を吸引混合手段35に任意の割合で供給することもできる。
Since the
図2は図1に示した改質システムの変形例である。図2の改質システムの主要部は図1と同じであり、図1と同じ部分には同一符号が付されている。図2の例が図1と異なる部分は、CO選択酸化器17の出口側の改質ガス配管16にアンモニア吸収タンク50を設け、燃料電池15に冷却水循環経路を設け、更に水蒸気発生手段30への水供給を水タンク22ではなくアンモニア吸収タンク50とした点にあり、そのほかは同一である。
FIG. 2 is a modification of the reforming system shown in FIG. The main parts of the reforming system in FIG. 2 are the same as those in FIG. 1, and the same parts as those in FIG. 2 differs from FIG. 1 in that an ammonia absorption tank 50 is provided in the reformed
アンモニア吸収タンク50には水が貯留され、配管51から補給水が必要に応じて供給される。CO選択酸化器17から流出する改質ガスはアンモニア給水タンク50の水中にバブリングにより噴出し、そこで微量含まれているアンモニアが水に吸収されて除去される。アンモニア吸収タンク50内の上方空間にアンモニアを除去された改質ガスが滞留し、その改質ガスは改質ガス配管16および開閉弁28を経て燃料電池15に供給される。なお改質システムの起動時に、改質器1からCO選択酸化器17を経て流出する流出物に水蒸気が含まれているときは、その水蒸気はアンモニア吸収タンク50の水中に凝縮して除去される。ポンプ24によりアンモニア吸収タンク50から配管54に移送される水は水蒸気発生手段30に補給水として供給されるが、その水中に水蒸気が残留する場合は必要により凝縮器60で除去することもできる。
Water is stored in the ammonia absorption tank 50, and makeup water is supplied from the
一方、水タンク22には燃料電池15からの冷却水が配管21により流入すると共に、ポンプ52を設けた配管53により水タンク22の水が冷却水として燃料電池15に供給される。すなわち配管21と配管53およびポンプ52により冷却水の循環路が形成され、配管21は燃料電池15の排水配管を兼用する。
On the other hand, cooling water from the
本発明の起動方法は、原料ガスを水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成して燃料電池に供給する改質システムに利用できる。 The start-up method of the present invention can be used in a reforming system in which a raw material gas is steam reformed to generate a hydrogen-rich reformed gas and supplied to a fuel cell.
1 改質器
2 予備改質室
3 主改質室
4 改質触媒層
5 混合触媒層
6 シフト触媒層
7 高温シフト触媒層
8 低温シフト触媒層
9 供給管
9a 配管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
10 噴出部
11 供給部
12 排出部
13 プレヒータ
14 吸引混合手段
15 燃料電池
16 改質ガス配管
17 CO選択酸化器
18 混合部
19 空気供給管
DESCRIPTION OF
20 循環配管
20a 開閉弁
21 水排出管
22 水タンク
23 水配管
24 ポンプ
25 補給水配管
26 バイパス配管
27、28 開閉弁
20
30 水蒸気発生手段
31 燃焼部
32 ドラム
33 バーナ
34 空気配管
35 吸引混合手段
36 燃料配管
36a 空気配管
37 水蒸気配管
38 原料ガス配管
39 スタート用空気配管
40 脱硫装置
41〜43 配管
44、45 開閉弁
50 アンモニア吸収タンク
51 配管
52 ポンプ
53、54 配管
60 凝縮器
40 Desulfurizer 41-43
Claims (9)
改質システムの起動時に、改質器1に新たな原料ガスを連続的に供給し、改質器1からの流出ガスを水蒸気発生手段30に燃料として供給し、水蒸気発生手段30から水蒸気が発生したら、その水蒸気を前記原料ガスに混合して改質器1に供給し、改質器1を昇温しその温度が改質運転可能状態に達したら、改質器1からの流出ガスの供給を水蒸気発生手段30から燃料電池15へ切り換え、水蒸気発生手段30には別系統からの燃料を供給することを特徴とする改質システムの起動方法。 A reformer 1 for generating hydrogen-rich reformed gas from a mixture of a raw material gas and water vapor generated by the water vapor generating means 30 and supplying the fuel cell 15 with the water vapor generating means 30 for burning the fuel to generate water vapor In the starting method of the reforming system comprising
When the reforming system is started, new raw material gas is continuously supplied to the reformer 1, the outflow gas from the reformer 1 is supplied as fuel to the steam generating means 30, and steam is generated from the steam generating means 30. Then, the water vapor is mixed with the raw material gas and supplied to the reformer 1. The temperature of the reformer 1 is raised, and when the temperature reaches the state where the reforming operation is possible, supply of the outflow gas from the reformer 1 Is switched from the steam generating means 30 to the fuel cell 15, and the steam generating means 30 is supplied with fuel from another system.
改質システムの起動時に、改質器1が炭素析出温度に達する前に、予備改質室2に充填されている原料ガスを原料ガスと水蒸気の混合物で置換することを特徴とする改質システムの起動方法。 In claim 4, during the stoppage of the reforming system, the preliminary reforming chamber 2 and the main reforming chamber 3 are filled with the raw material gas,
When the reforming system is started, before the reformer 1 reaches the carbon deposition temperature, the reforming system is characterized in that the source gas filled in the preliminary reforming chamber 2 is replaced with a mixture of source gas and steam. How to start.
改質システムの起動時に、プレヒータ13に原料ガスとスタート用空気を供給し、プレヒータ13からの流出物で混合触媒層5を加熱昇温し、混合触媒層5の温度が原料ガスの酸化温度に達したら、混合触媒層5に酸化用空気を供給してプレヒータ13からの流出物と混合することにより原料ガスの少なくとも一部を酸化し、その際発生する酸化熱で混合触媒層5の昇温を加速し、
水蒸気発生手段30から水蒸気が発生したら、その水蒸気を前記吸引混合手段14に原料ガスと共に供給し、吸引混合手段14へのスタート用空気の供給を停止すると共に、吸引混合手段14から流出する原料ガスと水蒸気の混合物を改質器1の予備改質室2に供給し、改質器1が改質運転状態に達したら、改質器1からの流出ガスの供給を水蒸気発生手段30から燃料電池15に切り換え、水蒸気発生手段30には別系統からの燃料を供給することを特徴とする改質システムの起動方法。 6. The reforming system according to claim 5, further comprising a suction mixing means 14 for mixing the raw material gas and water vapor or start air, and a preheater 13 comprising an oxidation catalyst and a heater, wherein the raw material gas or the mixture of the raw material gas and water vapor is Supplied to the reformer 1 via the suction mixing means 14 and the preheater 13;
At the start of the reforming system, the raw material gas and the starting air are supplied to the preheater 13, the mixed catalyst layer 5 is heated and heated with the effluent from the preheater 13, and the temperature of the mixed catalyst layer 5 becomes the oxidation temperature of the raw material gas. When it reaches, oxidizing air is supplied to the mixed catalyst layer 5 and mixed with the effluent from the preheater 13 to oxidize at least a part of the raw material gas, and the temperature of the mixed catalyst layer 5 is increased by oxidation heat generated at that time. Accelerate,
When water vapor is generated from the water vapor generating means 30, the water vapor is supplied to the suction mixing means 14 together with the raw material gas, the supply of the start air to the suction mixing means 14 is stopped, and the raw material gas flowing out from the suction mixing means 14 When the reformer 1 reaches the reforming operation state, the effluent gas from the reformer 1 is supplied from the steam generating means 30 to the fuel cell. 15. A reforming system start-up method, wherein the steam generation means 30 is supplied with fuel from another system.
改質システムの起動時に、前記改質器1からの流出ガスを改質ガス配管16―バイパス配管26―循環配管20を経て前記水蒸気発生手段30に燃料として供給し、改質器1が改質運転状態に達したら、バイパス配管26を閉じて改質器1からの流出ガスの供給を水蒸気発生手段30から燃料電池15へ切り換えることを特徴とする改質システムの起動方法。 7. The reforming system according to claim 7, wherein the reforming system uses the reformed gas pipe 16 for supplying the outflow gas from the reformer 1 to the fuel cell 15, and the anode exhaust gas discharged from the fuel cell 15 as fuel for the steam generating means 30. A circulation pipe 20 to be supplied, and a bypass pipe 26 for connecting the reformed gas pipe 16 and the circulation pipe 20 so as to bypass the fuel cell 15;
When the reforming system is started, the effluent gas from the reformer 1 is supplied as fuel to the steam generation means 30 through the reformed gas pipe 16 -bypass pipe 26 -circulation pipe 20 and the reformer 1 reforms. A method for starting a reforming system, characterized in that when the operating state is reached, the bypass pipe 26 is closed and the supply of the outflow gas from the reformer 1 is switched from the steam generating means 30 to the fuel cell 15.
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