JP2013032238A - Hydrogen generator and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素含有ガスを生成する水素生成装置、および水素生成装置を備えた燃料電池システム関するものである。 The present invention relates to a hydrogen generator that generates a hydrogen-containing gas, and a fuel cell system including the hydrogen generator.
燃料電池システムは、発電部の本体である燃料電池スタック(以下、単に「燃料電池」という)に、水素含有ガスと酸素含有ガスとを供給して、水素と酸素との電気化学反応を進行させることにより発生した化学的なエネルギーを、電気的なエネルギーとして取り出して発電するシステムである。また、高効率発電が可能であり、発電運転の際に発生する熱エネルギーを簡単に利用することができるので、高いエネルギー利用効率を実現することが可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。 A fuel cell system supplies a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas to a fuel cell stack (hereinafter simply referred to as a “fuel cell”) that is a main body of a power generation unit, and advances an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. It is a system that takes out the chemical energy generated by this as electrical energy and generates electricity. In addition, high-efficiency power generation is possible, and heat energy generated during power generation operation can be easily used, so development is being promoted as a distributed power generation system that can achieve high energy use efficiency. ing.
燃料電池システムでは、発電時の燃料として水素含有ガスを利用するが、水素含有ガスを供給するためのインフラストラクチャーは整備されていないことが多い。このため、従来の燃料電池システムには、既存のインフラストラクチャーから供給される天然ガスを主成分とする都市ガス、又はLPG等の化石原料を原料として水素含有ガスを生成する水素生成装置が配設されている。水素生成装置は、上記原料を、例えば600〜700℃の温度で、Ru触媒やNi触媒を用いて水蒸気と反応(改質反応)させることによって水素含有ガス(改質ガス)を生成させる改質器を備えている。 In a fuel cell system, a hydrogen-containing gas is used as a fuel for power generation, but an infrastructure for supplying the hydrogen-containing gas is often not established. For this reason, the conventional fuel cell system is provided with a hydrogen generator that generates hydrogen-containing gas using fossil raw materials such as city gas mainly composed of natural gas supplied from the existing infrastructure or LPG. Has been. The hydrogen generator is a reformer that generates hydrogen-containing gas (reformed gas) by reacting the raw material with water vapor using a Ru catalyst or Ni catalyst at a temperature of, for example, 600 to 700 ° C. (reforming reaction). Equipped with a bowl.
インフラストラクチャーから供給される都市ガス、又はLPG等の原料には、原料漏れを検出するため、ジメチルサルファイド(dimethyl sulfide;DMS)、ターシャリーブチルメルカプタン(tertiary-butylmercaptan;TBM)、テトラヒドロチオフェン(tetrahydro thiophene;THT)といった硫黄系の付臭剤が添加されている。また、原料由来の硫黄化合物も含まれる。それらの硫黄系の付臭剤や天然由来の硫黄化合物(総称して「硫黄化合物」とする)は、改質器で用いられるRu触媒やNi触媒といった触媒を被毒し、改質反応を阻害するおそれがある。 In order to detect the leakage of raw materials such as city gas or LPG supplied from infrastructure, dimethyl sulfide (DMS), tertiary-butylmercaptan (TBM), tetrahydrothiophene (tetrahydro thiophene) A sulfur-based odorant such as THT) is added. Moreover, the sulfur compound derived from a raw material is also contained. These sulfur-based odorants and naturally-occurring sulfur compounds (collectively referred to as “sulfur compounds”) poison the catalysts such as Ru catalyst and Ni catalyst used in the reformer and inhibit the reforming reaction. There is a risk.
このため、水素生成装置には、一般に、改質器に導入する前の原料から硫黄化合物を除去するための脱硫器が設けられる。脱硫器として、水添脱硫方法を用いた水添脱硫器(例えば特許文献1および特許文献2)を用いることができる。水添脱硫方法では、水添触媒を用いて硫黄化合物を高温で水添(水素添加)させて硫化水素とする水添反応と、その硫化水素を化学反応により除去する脱硫反応とを行う。これらの反応を合わせて水添脱硫反応と呼ぶ。水添脱硫方法では、化学反応を利用するので、例えば吸着剤を用いる吸着脱硫方法よりも、脱硫容量を大きくでき、脱硫器の小型化を実現できる。
For this reason, the hydrogen generator is generally provided with a desulfurizer for removing sulfur compounds from the raw material before being introduced into the reformer. As the desulfurizer, a hydrodesulfurizer using a hydrodesulfurization method (for example,
上記特許文献1および特許文献2記載の水素生成装置は、改質器において生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成器を備えている。そして、この変成器を通過した水素含有ガスの大部分が燃料電池に供給され、残りの一部が水添脱硫器に供給されている。
The hydrogen generator described in
しかしながら、これまで、変成器等を用いて水素含有ガス中の一酸化炭素を低減せず、水素利用機器(例えば、燃料電池)に供給するよう構成された水素生成装置において、水添脱硫器への適切な水素含有ガスの供給構成について検討されていなかった。 However, until now, in a hydrogen generator configured to supply carbon utilization equipment (for example, a fuel cell) without reducing carbon monoxide in a hydrogen-containing gas using a transformer or the like, to a hydrodesulfurizer The appropriate hydrogen-containing gas supply configuration has not been studied.
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減せず、水素利用機器に供給するよう構成された水素生成装置において、水添脱硫器に適切に水素含有ガスを供給する水素生成装置、及び燃料電池システムを供給することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and is suitable for a hydrodesulfurizer in a hydrogen generator configured to supply carbon utilization equipment without reducing carbon monoxide in a hydrogen-containing gas. It aims at supplying the hydrogen generator which supplies hydrogen containing gas, and a fuel cell system.
本願の発明者は、上記課題について鋭意検討した結果、以下の点に気付いた。 As a result of intensive studies on the above problems, the inventors of the present application have noticed the following points.
改質器で生成した水素含有ガスの一部を水添脱硫器に供給すると、従来の水素生成装置に比べ、水添脱硫器を通過後の原料ガス中に硫黄濃度が高くなる。ここで、本願の発明者は、水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素が、水添脱硫器内でメタン化反応等の副反応を起こし、水添脱硫反応量が低減するためであると推測し、以下の発明を想到した。 When a part of the hydrogen-containing gas generated by the reformer is supplied to the hydrodesulfurizer, the sulfur concentration in the raw material gas after passing through the hydrodesulfurizer becomes higher than that of the conventional hydrogen generator. Here, the inventor of the present application speculates that carbon monoxide contained in the hydrogen-containing gas causes a side reaction such as a methanation reaction in the hydrodesulfurizer, thereby reducing the hydrodesulfurization reaction amount. Then, the following invention has been conceived.
すなわち、本発明の水素生成装置は、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成させる改質器と、前記改質器に供給される原料に含まれる硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、前記改質器を通過後、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する処理が行われていない水素含有ガスの一部を、前記水添脱硫器に流入する前の原料に供給するリサイクル流路と、前記リサイクル流路に設けられた、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減器とを備える。 That is, the hydrogen generator of the present invention includes a reformer that generates a hydrogen-containing gas by a reforming reaction using a raw material, and a hydrodesulfurizer that removes a sulfur compound contained in the raw material supplied to the reformer. And, after passing through the reformer, a part of the hydrogen-containing gas that has not been treated to reduce carbon monoxide in the hydrogen-containing gas is supplied to the raw material before flowing into the hydrodesulfurizer A flow path and a carbon monoxide reducer provided in the recycle flow path for reducing carbon monoxide in the hydrogen-containing gas.
ある好ましい実施形態において、前記一酸化炭素低減器は、一酸化炭素と水蒸気との変成反応に用いられる変成触媒を備える。 In a preferred embodiment, the carbon monoxide reducer includes a shift catalyst used for a shift reaction between carbon monoxide and water vapor.
ある好ましい実施形態において、前記一酸化炭素低減器よりも上流のリサイクル流路を流れる水素含有ガスに酸化ガスを供給する酸化ガス供給器を備え、前記一酸化炭素低減器は、一酸化炭素と酸化ガスとの酸化反応に用いられる酸化触媒を備える。 In a preferred embodiment, the carbon monoxide reducer includes an oxidizing gas supply device that supplies an oxidizing gas to a hydrogen-containing gas that flows through a recycle flow path upstream of the carbon monoxide reducer, and the carbon monoxide reducer includes carbon monoxide and an oxidation gas. An oxidation catalyst used for the oxidation reaction with gas is provided.
ある好ましい実施形態において、前記一酸化炭素低減器は、一酸化炭素のメタン化反応に用いられるメタン化触媒を備える。 In a preferred embodiment, the carbon monoxide reducer includes a methanation catalyst used for a carbon monoxide methanation reaction.
ある好ましい実施形態において、水素生成装置は、前記原料供給路に、原料中の硫黄化合物を物理吸着する吸着脱硫器と、原料が前記吸着脱硫器を経由して前記改質器に供給される第1の流路と、原料が前記吸着脱硫器をバイパスし、かつ前記水添脱硫器を経由して前記改質器に供給される第2の流路と、前記第1の流路と前記第2の流路とを切替える切替器と、起動時の少なくとも一部の期間において、前記切替器を前記第1の流路側に切替える制御器とを備える。 In a preferred embodiment, the hydrogen generator includes an adsorptive desulfurizer that physically adsorbs sulfur compounds in the raw material in the raw material supply path, and a raw material supplied to the reformer via the adsorptive desulfurizer. A first flow path, a second flow path through which the raw material bypasses the adsorption desulfurizer and is supplied to the reformer via the hydrodesulfurizer, the first flow path, and the first flow path And a controller for switching the switch to the first flow path side during at least a part of the start-up period.
ある好ましい実施形態において、前記制御器は、前記水添脱硫器の温度が使用可能な温度未満であると、前記切替器を前記第1の流路側に切替える。 In a preferred embodiment, the controller switches the switch to the first flow path side when the temperature of the hydrodesulfurizer is lower than a usable temperature.
本発明の燃料電池システムは、上記の水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える。 The fuel cell system of the present invention includes the above hydrogen generator and a fuel cell that generates electric power using a hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generator.
ある好ましい実施形態において、前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である。 In a preferred embodiment, the fuel cell is a solid oxide fuel cell.
一酸化炭素の低減された水素含有ガスを水添脱硫器に供給するので、水添脱硫器の脱硫性能の低下を抑制することができる。 Since the hydrogen-containing gas with reduced carbon monoxide is supplied to the hydrodesulfurizer, a decrease in the desulfurization performance of the hydrodesulfurizer can be suppressed.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明による実施の形態1の水素生成装置100の構成を示す概略図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a
水素生成装置100は、改質器1と、水添脱硫器2と、改質器1に原料ガスを供給する原料供給器3および原料供給路5と、水素含有ガス流路6と、リサイクル流路7と、一酸化炭素低減器8とを備える。
The
改質器1は、原料ガスを用いて水素含有ガスを生成する。具体的には、改質器1内において、原料ガスが改質反応して、水素含有ガスが生成される。改質反応は、いずれの形態であってもよく、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応等が挙げられる。図1には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、改質器1を加熱する燃焼器、水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器が設けられる。燃焼器の燃料は、いずれの燃料であってもよい。例えば、天然ガスやLPGなどの原料であってもよいし、改質器1より排出される水素含有ガスであってもよい。また、水素含有ガスの供給先(水素利用機器)で消費されなかった残りの水素含有ガス(オフガス)であってもよい。また、改質器1に、水素含有ガスを生成させる反応の温度を検出する改質温度検出器が設けられていてもよい。改質反応がオートサーマル反応であれば、水素生成装置100には、さらに、改質器1に空気を供給する空気供給器(図示せず)が設けられる。なお、原料ガスは、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、LPG等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含むガスである。
The
原料供給路5は、改質器1に供給される原料ガスが流れる流路である。
The raw
水添脱硫器2は、改質器1に供給される原料ガス中の硫黄化合物を除去する。水添脱硫器2は、容器に水添脱硫用の脱硫剤が充填され構成される。水添脱流用の脱硫剤は、例えば、原料ガス中の硫黄化合物を硫化水素に変換するCoMo系触媒と、その下流に設けられる、硫化水素を吸着除去する硫黄吸着剤であるZnO系触媒、またはCuZn系触媒とで構成される。水添脱硫用の脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、硫黄化合物を硫化水素に変換する機能と硫化水素を吸着する機能を共に有するCuZn系触媒のみで構成されても構わない。
The
原料供給器3は、改質器1へ供給する原料ガスの流量を調整する機器であり、例えば、昇圧器と流量調整弁により構成されるが、これらのいずれか一方により構成されてもよい。昇圧器には、例えば、定容積型ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。
The
原料ガスは、原料ガス供給源より供給される。原料ガス供給源は、所定の供給圧を有しており、例えば、原料ガスボンベ、原料ガスインフラ等が挙げられる。 The source gas is supplied from a source gas supply source. The source gas supply source has a predetermined supply pressure, and examples thereof include a source gas cylinder and a source gas infrastructure.
リサイクル流路7との合流箇所よりも上流の原料供給路5の圧力を検知する圧力検知器(図示せず)が設けられていてもよい。
A pressure detector (not shown) for detecting the pressure in the raw
水素含有ガス流路6は、改質器1で生成された水素含有ガスが流れる流路である。
The hydrogen-containing gas channel 6 is a channel through which the hydrogen-containing gas generated by the
リサイクル流路7は、改質器1より送出され、一酸化炭素を低減する処理が行われていない水素含有ガスの一部を、水添脱硫器2よりも上流の原料供給路5内の原料ガスに供給するための流路である。リサイクル流路7の上流端は、改質器1より送出された水素含有ガスが流れる水素含有ガス流路6であれば、いずれの箇所に接続されていても構わない。
The recycle channel 7 sends a part of the hydrogen-containing gas sent from the
一酸化炭素低減器8は、水素含有ガス流路6から原料供給路5に至るまでのリサイクル流路7に設けられ、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する。一酸化炭素低減器8は、例えばCu−Zn系の変成触媒を備える。
The carbon monoxide reducer 8 is provided in the recycle flow path 7 from the hydrogen-containing gas flow path 6 to the raw
図示しないが、リサイクル流路7に流量制御器が設けられていてもよい。流量制御器は、リサイクル流路7を流れる水素含有ガスの流量を調整する。流量制御器は、水素含有ガスの流路を調整できれば、いずれの構成であってもよく、例えば、流量調整弁等が用いられる。また、流量制御器を制御する制御器(図示せず)を有していてもよい。制御器は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部と、制御プログラムを記憶する記憶部とを備える。演算処理部としては、MPU、CPUが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。 Although not shown, a flow rate controller may be provided in the recycle channel 7. The flow rate controller adjusts the flow rate of the hydrogen-containing gas flowing through the recycle channel 7. The flow controller may have any configuration as long as the flow path of the hydrogen-containing gas can be adjusted. For example, a flow control valve or the like is used. Moreover, you may have a controller (not shown) which controls a flow controller. The controller only needs to have a control function, and includes an arithmetic processing unit and a storage unit that stores a control program. Examples of the arithmetic processing unit include an MPU and a CPU. An example of the storage unit is a memory. The controller may be composed of a single controller that performs centralized control, or may be composed of a plurality of controllers that perform distributed control in cooperation with each other.
次に、本実施形態の水素生成装置100の動作を説明する。ここでは、改質器1において、水蒸気改質反応によって水素含有ガスを生成する場合を例に説明するが、改質反応は水蒸気改質反応に限定されない。
Next, operation | movement of the
原料供給路5から水添脱硫器2を通して原料が改質器1に供給される。原料は、例えばインフラストラクチャーから供給される天然ガスを主体とする都市ガスである。改質器1では、原料の改質反応によって水素含有ガスを生成する。ここでは、水蒸気改質反応を行うので、改質器1に、原料が供給されるとともに、水蒸気改質反応に用いられる水が水供給路(図示せず)から供給される。供給される水の量は、原料中の炭素数に対して例えば2.5〜3倍である。改質器1の燃焼器(図示せず)で燃焼を開始させ、改質器1内の温度を高める。これにより、改質器1で原料の水蒸気改質反応を進行させて水素含有ガスを生成させることができる。
The raw material is supplied from the raw
改質器1で生成された水素含有ガスは、水素含有ガス流路6を通して外部に供給される。このとき燃焼器へは、燃料供給路(図示せず)から燃料として原料を、燃焼用空気供給路(図示せず)から燃焼用の空気を供給し、これにより燃焼器での燃焼を進行させる。
The hydrogen-containing gas generated in the
また、本実施形態では、改質器1で生成された水素含有ガス(一酸化炭素濃度:例えば10%以上)の一部を、原料の供給量の例えば1〜2%の量を目安として、リサイクル流路7へ導入する。リサイクル流路7に導入された水素含有ガスは、一酸化炭素低減器8を通過して、水添脱硫器2に流入する前の原料に付加される。一酸化炭素低減器8を通過することにより、水素含有ガス中の一酸化炭素濃度は例えば0.5%以下に低減される。
In the present embodiment, a part of the hydrogen-containing gas (carbon monoxide concentration: for example, 10% or more) generated in the
なお、一酸化炭素低減器8で変成触媒を用いる場合、変成触媒の変成反応性を発揮させるため、一酸化炭素低減器8を例えば200〜250℃の温度で動作させる。また、水添脱硫器2は、例えば250〜300℃の温度で動作させる。水添脱硫器2の加熱に必要な熱源は特に限定しない。高温で動作する改質器1の近傍に水添脱硫器2を設置することによって、水添脱硫器2を加熱してもよい。
In addition, when using a shift catalyst with the carbon monoxide reducer 8, in order to exhibit the shift reactivity of the shift catalyst, the carbon monoxide reducer 8 is operated at a temperature of 200 to 250 ° C., for example. Moreover, the
本実施形態の水素生成装置100によると、次のような利点がある。
The
従来は、改質反応後の一酸化炭素濃度の高い水素含有ガスを水添脱硫反応に直接利用すると、水添脱硫器2では水添脱硫反応性が低下し、原料中の硫黄化合物を所定の濃度まで低減できないおそれがあった。これに対し、本実施形態では、改質反応によって生成された水素含有ガスを、一酸化炭素低減器8を通過させた後で、原料に付加する。水素含有ガスが付加された原料は水添脱硫器2に供給される。従って、一酸化炭素が低減された水素含有ガスを水添脱硫器2に供給し、水添脱硫反応に利用できるので、水添脱硫反応の反応性を維持できる。
Conventionally, when a hydrogen-containing gas having a high carbon monoxide concentration after the reforming reaction is directly used in the hydrodesulfurization reaction, the hydrodesulfurization reactivity is lowered in the
また、リサイクル流路7に一酸化炭素低減器8を設置することにより、原料供給路5や水素含有ガス流路6に設置する場合と比べて、一酸化炭素低減器8を小さくすることができる。水添反応に必要な水素量は、原料中の硫黄化合物量に依存するが、原料中の硫黄化合物量を数十ppmとすると、原料の供給量の1〜2%となる。すなわち、リサイクル流路7での水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させるために、一酸化炭素低減器8に設ける変成触媒量は、リサイクルさせる水素含有ガス量に対応する量であればよい。例えば、改質反応により生成された後、リサイクル流路7に供給される前の水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するために、改質器1の下流側に変成器を設置する構成と比較して、変成触媒量を数十分の1に減らすことが可能となる。従って、水素生成装置の簡素化、小型化、低コスト化等を実現できる。
In addition, by installing the carbon monoxide reducer 8 in the recycle channel 7, the carbon monoxide reducer 8 can be made smaller than when installed in the raw
本実施形態の水素生成装置の構成は、上記構成に限定されない。以下、水素生成装置の変形例1、2を説明する。 The configuration of the hydrogen generator of this embodiment is not limited to the above configuration. Hereinafter, modified examples 1 and 2 of the hydrogen generator will be described.
変形例1では、一酸化炭素低減器8において、変成触媒の代わりにRu系のメタン化触媒を用いる。その場合、一酸化炭素低減器8を例えば200〜250℃の温度で動作させて、水素含有ガス中の一酸化炭素をメタン化させることにより、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる。変形例1の水素生成装置の構成は、図1に示す水素生成装置100の構成と同様である。
In the first modification, a Ru-based methanation catalyst is used in the carbon monoxide reducer 8 instead of the shift catalyst. In that case, the carbon monoxide reducer 8 is operated at a temperature of, for example, 200 to 250 ° C. to methanate the carbon monoxide in the hydrogen-containing gas, thereby reducing the carbon monoxide in the hydrogen-containing gas. The configuration of the hydrogen generator of
変形例2では、一酸化炭素低減器8において、変成触媒の代わりに、例えばRu系の選択酸化触媒を用いる。 In the modified example 2, in the carbon monoxide reducer 8, for example, a Ru-based selective oxidation catalyst is used instead of the shift catalyst.
図2は、本実施形態の水素生成装置100の変形例2を示す概略図である。図示するように、変形例2では、一酸化炭素低減器8よりも上流のリサイクル流路7に酸化ガス供給器10を設ける。酸化ガス供給器10は、一酸化炭素低減器8よりも上流のリサイクル流路7を流れる水素含有ガスに酸化ガスを供給する。一酸化炭素低減器8を例えば100〜200℃の温度で動作させて、酸化ガス供給器10から供給された空気中の酸素によって、水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化させることで、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a second modification of the
どちらの変形例でも、一酸化炭素を低減した後の水素含有ガスを水添脱硫器2に流入させるので、一酸化炭素による水添脱硫反応の反応性の低下を抑制できる。また、リサイクル流路7に供給する前に水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する構成と比較して、使用する触媒量を低減することが可能となる。従って、水素生成装置の簡素化、小型化、低コスト化等を実現できる。
In either modification, since the hydrogen-containing gas after the reduction of carbon monoxide is caused to flow into the
また、一酸化炭素低減器8の温度を、一酸化炭素低減器8に用いる触媒に対応した動作温度に保つために、一酸化炭素低減器8およびリサイクル流路7に断熱等の構成を施すことが望ましい。 Further, in order to keep the temperature of the carbon monoxide reducer 8 at an operating temperature corresponding to the catalyst used for the carbon monoxide reducer 8, the carbon monoxide reducer 8 and the recycle flow path 7 are provided with a configuration such as heat insulation. Is desirable.
(実施の形態2)
図3は、本発明による実施の形態2の水素生成装置100の構成を示す概略図である。図1に示す実施の形態1の水素生成装置100と同様の構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。以下では、実施の形態1との相違点のみを説明する。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the
本実施形態の水素生成装置100は、吸着脱硫器11、原料が吸着脱硫器11を通過する第1の流路、原料が吸着脱硫器11をバイパスする第2の流路、第1の流路と第2の流路とを切り替える切替器、および、切替器を制御する制御器20を備える点で、実施の形態1と異なっている。図示する例では、水添脱硫器2よりも上流の原料供給路5に分岐路15が設けられており、吸着脱硫器11は、分岐路15に設けられている。
The
吸着脱硫器11は、例えばゼオライト系の吸着脱硫剤を有しており、原料中の硫黄化合物を物理吸着する。
The
第1の流路は、原料が吸着脱硫器11を経由して改質器1に供給される流路である。ここでは、分岐路15および分岐路15よりも下流の原料供給路5が第1の流路に相当する。第2の流路は、原料が吸着脱硫器11をバイパスし、かつ水添脱硫器2を経由して改質器1に供給される流路である。ここでは、原料供給路5が第2の流路に相当する。
The first channel is a channel through which the raw material is supplied to the
原料供給路5には第1弁12、分岐路15には第2弁13がそれぞれ設けられている。また、リサイクル流路7には第3弁14が設けられている。ここで、上記弁12、13は、第1の流路と第2の流路とを切り替える切替器として機能する。制御器20は、水素生成装置100の起動時の少なくとも一部の期間において、切替器を第1の流路側に切替える。例えば、水添脱硫器2の温度が、使用可能な温度未満であると、切替器を第1の流路側に切替えてもよい。
The raw
水添脱硫器2の温度は、図示しないが、水添脱硫器2の温度を直接検知する検知器または間接的に検知する検知器の少なくもいずれか一方を用いて検知される。直接検知する検知器として、水添脱硫器2に設けられた温度検知器16が例示される。間接的に検知する検知器としては、水添脱硫器2の温度に相関して変化する物理量を検知する検知器、例えば、起動(または水添脱硫器2の加熱)を開始してからの時間を計測する計時器(図示せず)が例示される。また、水添脱硫器2を改質器1と熱交換して加熱する形態の場合、改質器1の温度を検知する温度検知器(図示せず)が例示される。
Although not shown, the temperature of the
本実施形態の水素生成装置100の動作をより具体的に説明する。なお、図1に示す実施の形態1の水素生成装置100と同じ動作については説明を省略する。
The operation of the
本実施形態では、水素生成装置100の起動時の少なくとも一部の期間、吸着脱硫器11を通過させた原料を水添脱硫器2に供給する。このような動作により、次のような利点が得られる。
In the present embodiment, the raw material that has passed through the
水添脱硫器2において水添反応を効果的に進行させるためには、250〜300℃の温度で水添脱硫器2を動作させることが好ましい。しかし、水素生成装置100の起動時(以下、「装置起動時」と略する)には、水添反応に必要な熱が得られにくく、水添脱硫器2において十分な脱硫性能が得られない可能性がある。そこで、本実施形態では、装置起動時に、原料が吸着脱硫器11を通過するように、切替器を第1の流路側に切替える。具体的には、第1弁12を閉じて、第2弁13を開く。これにより、原料中の硫黄化合物を吸着脱硫器11で低減することができるので、装置起動時であっても、硫黄化合物による改質触媒の被毒を防止できる。また、吸着脱硫器11の使用時において、第3弁14は閉じている。
In order to effectively advance the hydrogenation reaction in the
なお、第1の流路は、原料が吸着脱硫器11を通過した後、水添脱硫器2を経由せずに、直接改質器1に供給するように構成されていてもよい。例えば、分岐路15の上流端を水添脱硫器2よりも上流側の原料供給路5、分岐路15の下流端を水添脱硫器2よりも下流側の原料供給路5にそれぞれ配置してもよい。この場合、第1弁12を閉じて、第2弁13を開くことにより、第1の流路側に切替えることができる。この場合においても、吸着脱硫器11の使用時において、第3弁14は閉じている。
Note that the first flow path may be configured to supply the raw material directly to the
水添脱硫器2の温度が水添反応の進行に適した温度に達したことを検知すると、原料が吸着脱硫器11を通過せずに水添脱硫器2に供給されるように、切替器を第2の流路側に切替える。例えば温度検知器16によって、水添脱硫器2内の温度が予め設定される水添脱硫温度(例えば250℃)を上回ることが検知されると、第1弁12および第3弁14を開け、第2弁13を閉じる。
When it is detected that the temperature of the
このように、本実施形態によると、水添脱硫器2の温度が低い装置起動時には、吸着脱硫器11により十分な脱硫性能を確保できるとともに、水添脱硫器2の温度が所定の温度よりも高くなると水添脱硫器2の脱硫性能を利用する運転を行うことが可能である。また、吸着脱硫器11を必要な期間のみ使用し、水添脱硫器2の温度が高くなった後は使用しない。これにより、吸着脱硫器11に設けられた吸着剤の寿命が低下することを抑制できる。
Thus, according to the present embodiment, at the time of start-up of the device where the temperature of the
(実施の形態3)
本発明による実施の形態3は、上述した水素生成装置100を備えた燃料電池システムである。
(Embodiment 3)
The third embodiment according to the present invention is a fuel cell system provided with the
図4は、本発明による実施の形態3の燃料電池システム200の概略図である。
FIG. 4 is a schematic diagram of a
燃料電池システム200は、燃料電池30と、水素含有ガス流路6を通して燃料電池30に水素含有ガスを供給する水素生成装置100とで構成される。
The
燃料電池30は、どのような種類の燃料電池であってもよいが、本例では、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を用いる。固体酸化物形燃料電池は、別途供給される空気などの酸化ガスと、水素生成装置100から供給される水素含有ガスとを燃料として発電動作を行う。また、図示していないが、発電と同時に発生する熱を回収する冷却構成を備えていてもよい。燃料電池30の構成および動作は、公知の一般的な固体酸化物形燃料電池の構成および動作と同様であってもよく、その詳細な説明は省略する。
The
本実施形態では、実施の形態1および2で説明した何れかの水素生成装置100を用いることができる。すなわち、改質器1で生成された水素含有ガスは、一酸化炭素を低減する処理に供されることなく、燃料電池30で利用される。一方、改質器1で生成された水素含有ガスの一部は、一酸化炭素低減器8で一酸化炭素を低減する処理に供された後で水添脱硫器2に送られる。このため、水添脱硫器2において水添脱硫反応を効率よく進めることができる。また、一酸化炭素低減器8はリサイクル流路7に設けられているので、水添反応に必要な水素含有ガスの量に対応する量の触媒を備えていればよい。従って、一酸化炭素低減器8を小型化できる。
In the present embodiment, any one of the
なお、本実施形態の燃料電池システムは、リサイクルガスとして、燃料電池30のオフガスを用いてもよい。
Note that the fuel cell system of this embodiment may use the off-gas of the
図5は、本実施形態の燃料電池システム200の変形例3を示す図である。変形例3では、燃料電池30のオフガスをリサイクル流路7によって水添脱硫器2に供給している。以下の説明では、図4に示す燃料電池システム200と同様の構成および動作については説明を省略する。
FIG. 5 is a diagram showing a third modification of the
変形例3では、改質器1で生成された水素含有ガスは、水素含有ガス流路6を通って燃料電池30のアノードに供給され、発電に用いられる。水素含有ガスのうち発電に利用されなかった水素を含むガスは、アノードオフガス(オフガス)としてアノードから排出される。オフガスは、リサイクル流路7により、一酸化炭素低減器8に送られる。一酸化炭素低減器8で一酸化炭素が低減された後のオフガスは、原料供給路5を経て水添脱硫器2に供給される。
In
変形例3でも、図4に示す燃料電池システム200と同様の効果を得ることができる。すなわち、一酸化炭素低減器8によって一酸化炭素の低減されたオフガス(水素含有ガス)を水添脱硫器2で利用するので、水添脱硫器2において水添脱硫反応を効率よく進めることができる。また、一酸化炭素低減器8がリサイクル流路7に設けられているので、一酸化炭素低減器8を小型化できる。
Also in
なお、さらなる変形例として、改質器1で生成され、燃料電池30に送られる前の水素含有ガス、および、燃料電池30のオフガスの両方を水添脱硫器2に供給できるようにリサイクル流路7を構成してもよい。この場合、リサイクル流路7は、燃料電池30に送られる前の水素含有ガスと燃料電池30のオフガスとの何れか一方を水添脱硫器2に送るように切替可能に構成されていてもよい。
As a further modification, a recycle flow path is provided so that both the hydrogen-containing gas generated in the
本発明は、硫黄化合物を含む原料を用い、水添脱硫器を備える水素生成装置、およびそのような水素生成装置を備えた燃料電池システムに適用され得る。 The present invention can be applied to a hydrogen generator using a raw material containing a sulfur compound and including a hydrodesulfurizer, and a fuel cell system including such a hydrogen generator.
1 改質器
2 水添脱硫器
3 原料供給器
5 原料供給路
6 水素含有ガス流路
7 リサイクル流路
8 一酸化炭素低減器
11 吸着脱硫器
12 第1弁
13 第2弁
14 第3弁
15 分岐路
16 温度検知器
20 制御器
30 燃料電池
100 水素生成装置
200 燃料電池システム
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記改質器に供給される原料に含まれる硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、
前記改質器を通過後、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する処理が行われていない水素含有ガスの一部を、前記水添脱硫器に流入する前の原料に供給するリサイクル流路と、
前記リサイクル流路に設けられた、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減器と
を備える水素生成装置。 A reformer that generates a hydrogen-containing gas by a reforming reaction using raw materials;
A hydrodesulfurizer for removing sulfur compounds contained in the raw material supplied to the reformer;
A recycling flow path for supplying a part of the hydrogen-containing gas that has not been treated to reduce carbon monoxide in the hydrogen-containing gas to the raw material before flowing into the hydrodesulfurizer after passing through the reformer When,
A hydrogen generation apparatus comprising: a carbon monoxide reducer that is provided in the recycling flow path and reduces carbon monoxide in a hydrogen-containing gas.
前記一酸化炭素低減器は、一酸化炭素と酸化ガスとの酸化反応に用いられる酸化触媒を備える請求項1に記載の水素生成装置。 An oxidant gas supply device for supplying an oxidant gas to the hydrogen-containing gas flowing through the recycle flow path upstream of the carbon monoxide reducer;
The hydrogen generator according to claim 1, wherein the carbon monoxide reducer includes an oxidation catalyst used for an oxidation reaction between carbon monoxide and an oxidizing gas.
原料が前記吸着脱硫器を経由して前記改質器に供給される第1の流路と、
原料が前記吸着脱硫器をバイパスし、かつ前記水添脱硫器を経由して前記改質器に供給される第2の流路と、
前記第1の流路と前記第2の流路とを切替える切替器と、
起動時の少なくとも一部の期間において、前記切替器を前記第1の流路側に切替える制御器と
を備える請求項1から4のいずれかに記載の水素生成装置。 An adsorption desulfurizer that physically adsorbs sulfur compounds in the raw material to the raw material supply path;
A first flow path through which the raw material is supplied to the reformer via the adsorptive desulfurizer;
A second flow path in which the raw material bypasses the adsorptive desulfurizer and is supplied to the reformer via the hydrodesulfurizer;
A switch for switching between the first flow path and the second flow path;
The hydrogen generator according to any one of claims 1 to 4, further comprising a controller that switches the switch to the first flow path side during at least a part of the period of startup.
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