JP2016155717A - 水素含有ガス生成装置及び水素含有ガス生成装置の運転方法 - Google Patents
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Description
脱硫部に供給される原燃料ガスには、改質部で改質処理された改質ガスの一部がリサイクルガスとしてリサイクルガス路を通して混合されて、原燃料ガスに添加する水素ガスとして、改質部で生成された水素ガスがリサイクルされて用いられる。
尚、脱硫部に供給される原燃料ガスにリサイクルガスを混合させて脱硫処理する手法とは別の手法として、脱硫部に供給される原燃料ガスに水蒸気を添加して脱硫処理する手法が提案されているが、この手法では、水蒸気生成用の水に含まれる不純物の管理が複雑であるので、装置構成が複雑になって、価格が上昇する。
前記脱硫部へ原燃料ガスが供給される原燃料ガス供給経路における前記リサイクルガス路からのリサイクルガスの合流部よりも下流側の部分に、水分を吸着する水分吸着剤が収容されて、通流する気体に含まれる水分を除去する水分除去部が設けられ、
前記リサイクルガス路におけるリサイクルガスの通流を断つ遮断状態に切り換え可能なリサイクルガス遮断手段が設けられ、
前記制御手段が、水分除去タイミングになったと判定すると、前記リサイクルガス遮断手段を前記遮断状態に切り換えると共に、前記脱硫部に供給される原燃料ガスの流量が前記通常運転用流量よりも少ない水分除去運転用流量になるように前記原燃料ガス流量調整手段を制御する水分除去運転を実行する点にある。
そして、制御手段により、水分除去タイミングになったと判定されると、水分除去運転が実行される。
その水分除去運転では、リサイクルガス遮断手段が遮断状態に切り換えられて、原燃料ガスへのリサイクルガスの混合が停止されると共に、脱硫部に供給される原燃料ガスの流量が通常運転用流量よりも少ない水分除去運転用流量になるように原燃料ガス流量調整手段が制御されるので、リサイクルガスが混合されていないドライな原燃料ガスが、通常運転よりも少ない流量で水分除去部を通過して脱硫部に供給される。
そして、次に実行される通常運転では、水分除去部の水分吸着剤が再生されているので、リサイクルガスが混合された原燃料ガスが脱硫部に供給される前に、含有されている水分が水分除去部にて水分吸着剤に吸着されることになり、脱硫部の脱硫触媒に水分が吸着されるのが防止される。
従って、脱硫触媒の耐久性を向上しながら、小型化並びに低廉化を図り得る水素含有ガス生成装置を提供することができる。
前記水分吸着剤が前記水分除去用空間に収容され且つ前記脱硫触媒が前記脱硫用空間に収容されると共に、前記容器に原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給路が前記ガス流入口に接続され、且つ、脱硫処理後の原燃料ガスが前記ガス流出口から流出するように構成されて、
前記脱硫部が前記水分除去部を一体的に備えるように構成されている点にある。
しかも、本来脱硫部を構成するための容器内を、通気自在な仕切り体にて水分除去用空間と脱硫用空間とに区画するだけの簡素な構成で、脱硫部と水分除去部とを一体化することができるので、構成の簡素化をより一層図ることができる。
従って、水素含有ガス生成装置の小型化並びに低廉化をより一層図ることができる。
扁平状の前記容器が、前記水分除去用空間及び前記脱硫用空間が上下方向に並ぶ立ち姿勢で設けられる点にある。
従って、通常運転での脱硫触媒への水分の吸着をより一層的確に防止することができるので、脱硫触媒の耐久性をより一層向上することができる。
つまり、通常運転における所定の単位時間当たりに水分除去部の水分吸着剤に吸着される水分量が実験等により分かるので、通常運転の累積実行時間に基づいて、水分吸着剤の水分吸着量が飽和状態近くになって、水分吸着剤の再生を行うべきタイミング、即ち、水分除去タイミングになったことを、早過ぎることなく且つ遅過ぎることなく的確に判定することができる。
従って、水分除去運転を早過ぎることない且つ遅過ぎることのない適切なタイミングで実行することができるので、通常運転の実行を妨げるのを一層抑制しながら、脱硫触媒の耐久性を的確に向上することができる。
つまり、通常運転において脱硫部を通流する原燃料ガスの所定の単位流量当たりで、水分除去部の水分吸着剤に吸着される水分量が実験等により分かるので、通常運転における脱硫部への原燃料ガスの累積流量に基づいて、水分吸着剤の水分吸着量が飽和状態近くになって、水分吸着剤の再生を行うべきタイミング、即ち、水分除去タイミングになったことを、早過ぎることなく且つ遅過ぎることなく的確に判定することができる。
従って、水分除去運転を早過ぎることない且つ遅過ぎることのない適切なタイミングで実行することができるので、通常運転の実行を妨げるのを一層抑制しながら、脱硫触媒の耐久性を的確に向上することができる。
前記脱硫部に供給される原燃料ガスの流量が通常運転用流量になるように前記原燃料ガス流量調整手段を制御する通常運転を実行する水素含有ガス生成装置の運転方法であって、その特徴構成は、
前記脱硫部へ原燃料ガスが供給される原燃料ガス供給経路における前記リサイクルガス路からのリサイクルガスの合流部よりも下流側の部分に、水分を吸着する水分吸着剤が収容されて、通流する気体に含まれる水分を除去する水分除去部を設け、
前記リサイクルガス路におけるリサイクルガスの通流を断つ遮断状態に切り換え可能なリサイクルガス遮断手段を設け、
水分除去タイミングになったと判定すると、前記リサイクルガス遮断手段を前記遮断状態に切り換えると共に、前記脱硫部に供給される原燃料ガスの流量が前記通常運転用流量よりも少ない水分除去運転用流量になるように前記原燃料ガス流量調整手段を制御する水分除去運転を実行する点にある。
そして、水分除去タイミングになったと判定すると、水分除去運転を実行する。
その水分除去運転では、リサイクルガス遮断手段を遮断状態に切り換えて、原燃料ガスへのリサイクルガスの混合を停止すると共に、脱硫部に供給される原燃料ガスの流量を通常運転用流量よりも少ない水分除去運転用流量になるように原燃料ガス流量調整手段を制御するので、リサイクルガスが混合されていないドライな原燃料ガスが、通常運転よりも少ない流量で水分除去部を通過して脱硫部に供給される。
つまり、水分除去運転では、水分吸着剤を再生するためのドライな原燃料ガスを、水分除去部から脱硫部を通過させて通流させることになるが、水分吸着剤から脱離した水分を脱硫触媒に再吸着させることなく脱硫部外に排出させることができる。
そして、次に実行する通常運転では、水分除去部の水分吸着剤が再生されているので、リサイクルガスが混合された原燃料ガスが脱硫部に供給される前に、含有されている水分が水分除去部にて水分吸着剤に吸着されることになり、脱硫部の脱硫触媒に水分が吸着されるのが防止される。
従って、脱硫触媒の耐久性を向上しながら、小型化並びに低廉化を図り得る水素含有ガス生成装置の運転方法を提供することができる。
図1に示すように、水素含有ガス生成装置Pは、原燃料ガス供給路20を通して供給される炭化水素系の原燃料ガス(例えば、13A等の天然ガスベースの都市ガス)を脱硫処理する脱硫部1、その脱硫部1を脱硫処理が可能な温度に加熱する脱硫部加熱手段H、改質用水供給路21を通して供給される原料水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部J、改質用バーナ3を備えた燃焼部4にて加熱されて、脱硫部1から供給される脱硫処理後の原燃料ガスを水蒸気生成部Jで生成された水蒸気を用いて改質処理して水素ガスを主成分とする改質ガスを生成する改質部2、及び、改質部2で改質処理された改質ガス(この実施形態では、後述する変成部5で変成処理された改質ガス)の一部をリサイクルガスとして原燃料ガス供給路20を通して供給される原燃料ガスに混合するリサイクルガス路22、及び、水素含有ガス生成装置の運転を制御する制御部C等を備えて構成されている。
脱硫部1に原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給路20には、燃料電池Gの出力電力を調整すべく、脱硫部1に供給される原燃料ガスの流量を調整する原燃料ガス流量調整弁7(原燃料ガス流量調整手段の一例)が設けられている。
燃料電池Gは、周知であるので詳細な説明及び図示を省略して簡単に説明すると、例えば、固体高分子膜を電解質層とするセルを複数積層状態に設けた固体高分子型に構成され、各セルの燃料極に水素含有ガス生成装置Pから燃料ガス供給路23を通して燃料ガスを供給し、各セルの酸素極に反応用空気ブロア31により空気を供給して、水素と酸素との電気化学反応により発電を行うように構成されている。又、冷却水ポンプ32により燃料電池Gに冷却水を通流させて、各セルから発生する熱を回収するように構成されている。
改質用バーナ3には、燃料電池Gの燃料極から水素が残存した状態で排出されるオフガスがオフガス路24を通してガス燃料として供給され、並びに、燃焼用空気ブロア33により燃焼用空気供給路25を通して燃焼用空気が供給される。又、改質部2を改質処理可能なように加熱するに当たって、オフガスだけでは不足する不足分として、都市ガス(13A等)がガス燃料供給路26を通して改質用バーナ3に供給される。ガス燃料供給路26には、都市ガスの流量を調整するガス燃料流量調整弁38が設けられ、そのガス燃料流量調整弁38を制御して都市ガスの流量を調整することにより、改質用バーナ3の燃焼量を調整する。
そして、水素含有ガス生成装置Pは、複数の容器Bを、容器厚さ方向を水平方向に向けた立ち姿勢にて容器厚さ方向に積層状態に並べて、それら複数の容器Bを容器並び方向両側から押し付け手段(図示省略)にて押し付けることにより構成されている。
各容器Bは、ステンレス等の伝熱性を有する耐熱金属製であり、容器Bには、内部空間Sを1つ形成するものや、内部空間Sを二つ形成するものがある。ちなみに、内部空間Sを二つ形成する容器Bは、図2に示すように、一対の皿形状容器形成部材41の間に平板状の区画部材42を位置させた状態で、周辺部が溶接接続されて、内部に二つの偏平な内部空間Sが区画形成され、図示を省略するが、内部空間Sを一つ形成する容器Bは、皿形状容器形成部材と平板状容器形成部材とが周辺部を溶接接続されて、内部に一つの偏平な内部空間Sが区画形成されている。
尚、図2は、左から5個目の容器B5を示すものであり、この容器B5は、詳細は後述するが、脱硫部1と脱硫前原燃料通流部15を構成するものである。
左から4個目の容器B4における左側の内部空間Sを有する部分により、上流側改質ガス通流部12が構成され、右側の内部空間Sを有する部分により、脱硫後原燃料通流部13が構成されている。つまり、この左から4個目の容器B4にて、脱硫後原燃料用熱交換器Eaが構成されている。
この左から5個目の容器B5における左側、即ち、脱硫部1側の側面に当て付けた状態で、脱硫部用ヒータ35が設けられている。
左から7個目の容器B7における左側の内部空間Sに変成触媒5cを収容して、左側の内部空間Sを有する部分により変成部5が構成され、右側の内部空間Sを有する部分により、冷却用排ガス通流部11が構成されている。
つまり、左から6個目の容器B6にて構成される変成部5、左から7個目の容器B7にて構成される変成部5、左から8個目の容器B8にて構成される変成部5を、夫々、1段目、2段目、3段目として、順に改質ガスを通流させるように構成されて、変成部5が3段に設けられている。
尚、水素含有ガス生成装置Pの起動時には、脱硫部用ヒータ35を加熱作動させて、脱硫部1を脱硫処理温度に加熱し、並びに、2個の変成部用ヒータ36を加熱作動させて、変成部5を変成処理温度に加熱するように構成されている。
つまり、改質用バーナ3や脱硫部用ヒータ35が、脱硫部加熱手段Hとして機能する。
又、脱硫部1と脱硫後原燃料通流部13とを接続するガス処理流路27には、脱硫後の原燃料ガスに水蒸気を混合させるためのエジェクタ17が設けられている。
尚、図3は、左から5個目の容器B5(以下、単に容器B5と略記する場合がある)における脱硫部1を構成する部分の縦断左側面図であり、図4は、容器B5の縦断正面図である。
容器B5については、右側の皿形状容器形成部材41の下端部分に、右側の内部空間Sの下端部分に連通する状態で、ガス流入口43が取り付けられ、左側の皿形状容器形成部材41の下端部分に、左側の内部空間Sの下端部分に連通する状態で、ガス流出口44が取り付けられている。尚、図3では、容器厚さ方向及び上下方向に直交する方向において、一端側にガス流入口43を取り付け、他端側にガス流出口44を取り付けた構成を示しているが、これは作図の便宜上のものであり、実際には、図4に示すように、ガス流入口43とガス流出口44とは両方とも、当該方向における一端側又は他端側に取付けられている。
又、区画部材42の上端部に、左右の内部空間Sを連通する連通口45が設けられている。
又、その仕切り体46よりも上方で且つ連通口45よりも下方の箇所に、通気自在なカバー板47が内部空間Sを上下に区画するように設けられ、更に、内部空間Sの下端部分で且つガス流出口44の接続部よりも上方の箇所に、通気自在な底板48が内部空間Sを上下に区画するように設けられている。
つまり、容器B5の左側の内部空間Sにおける脱硫用空間Sbが存在する存在する部分に、脱硫部1が構成され、水分除去用空間Saが存在する部分に水分除去部50が構成されることになる。
通常時は、脱硫部1に供給される原燃料ガスの流量が通常運転用流量になるように原燃料ガス流量調整弁7を制御する通常運転を実行する。
ちなみに、燃料電池Gの出力電力を所定の出力電力調整範囲で調整するための原燃料ガスの流量の調整範囲が、通常流量調整範囲として設定され、通常運転用流量は通常流量調整範囲内の流量である。
そして、水分除去タイミングになったと判定すると、リサイクルガス遮断弁19を閉じると共に、脱硫部1に供給される原燃料ガスの流量が通常運転用流量よりも少ない水分除去運転用流量になるように原燃料ガス流量調整弁7を制御する水分除去運転を実行する。
ちなみに、水分除去運転用流量は、通常流量調整範囲の下限流量よりも少なく、しかも、脱硫部1における上流側端部付近(仕切り体46近傍部分)の脱硫触媒1cの温度低下を極力抑制可能な所定の流量に設定される。
つまり、リサイクルガスが混合された原燃料ガスが通流することにより、水分除去部50内の水分吸着剤51の水分吸着量が徐々に増加するが、その水分吸着量が飽和状態に近づくと、水分吸着剤51に水分が吸着され難くなる。
一方、通常運転における所定の単位時間当たりに水分除去部50の水分吸着剤51に吸着される水分量は、実験等により分かる。
そこで、水分除去運転開始用の設定時間としては、例えば、水分除去部50の水分吸着量が飽和状態に近い状態となる通常運転の累積時間に設定される。
制御部Cは、運転開始が指令されると、改質用バーナ3を燃焼させると共に、脱硫部用ヒータ35及び変成部用ヒータ36を作動させる起動処理を実行し、脱硫部1が脱硫処理温度に達すると脱硫部用ヒータ35の作動を停止し、変成部5が変成処理温度に達すると変成部用ヒータ36の作動を停止して起動処理を終了する。
以降、制御部Cは、改質部2を改質処理温度に維持するように、改質用バーナ3の燃焼量を調整すべくガス燃料流量調整弁38を制御すると共に、選択酸化部6を選択酸化処理温度に維持するように、冷却用ファン37の通風量を調節しながら、電力負荷に追従して燃料電池Cの出力電力を出力電力調整範囲で調整すべく、脱硫部1に供給される原燃料ガスの流量を通常流量調整範囲内で調整するように、原燃料ガス流量調整弁7を制御する通常運転を実行し、運転停止が指令されると通常運転を終了する。
尚、実験により、水分除去部50の水分吸着剤51に吸着されている水分を十分に除去可能な時間が求められ、その求められた時間が、水分除去運転用の設定時間に設定される。
すると、脱硫部1を構成する扁平状の容器B5が、水分除去用空間Sa及び脱硫用空間Sbが上下方向に並ぶ立ち姿勢で設けられていることから、流量が通常運転よりも少なくても、ドライな原燃料ガスを水分除去部50の全域にわたって万遍なく通流させることができる。しかも、水分除去部50の水分吸着剤51が脱硫部加熱手段H(改質用バーナ3)により加熱されているので、水分吸着剤51に吸着されている水分がドライな原燃料ガスにより良好に脱離される。これらのことにより、水分除去部50全域にわたって水分吸着剤51を適切に再生することができる。
つまり、水分除去運転では、水分吸着剤51を再生するためのドライな原燃料ガスを、水分除去部50から脱硫部1を通過させて通流させることになるが、水分吸着剤51から脱離した水分を脱硫触媒1cに再吸着させることなく脱硫部1外に排出させることができる。
(A)上記の実施形態のように、水分除去部50を一体的に備えるように脱硫部1を構成する場合、脱硫部1と水分除去部50との配置形態は、上記の実施形態で例示した配置形態、即ち、水分除去部50が上方になる状態で、脱硫部1と水分除去部50とを上下方向に並べて配置する形態に限定されるものではなく、脱硫部1に対するガス流入口43及びガス流出口部44の配置形態に応じて、種々に変更可能である。
例えば、ガス流入口43が脱硫部1の下端部に配置され、ガス流出口部44が脱硫部1の上端部に配置される場合は、水分除去部50が下方になる状態で、脱硫部1と水分除去部50とを上下方向に並べて配置する。
又、ガス流入口43及びガス流出口部44が脱硫部1の左右両側方に振り分けて配置される場合は、脱硫部1と水分除去部50とを横方向に並べて配置する。
又、上記の実施形態では、水分除去運転を制御部Cに自動的に実行させるように構成したが、水分除去運転を手動操作により実行するように構成しても良い。
例えば、外筒の内部に内筒を設けて、内筒内を燃焼空間として内筒を用いて燃焼部を形成し、内筒と外筒との間の空間を触媒収容空間Rとして、内筒と外筒とを用いて改質部2を形成する構成でも良い。
1c 脱硫触媒
2 改質部
7 原燃料ガス流量調整弁(原燃料ガス流量調整手段)
19 リサイクルガス遮断弁(リサイクルガス遮断手段)
20 原燃料ガス供給路
22 リサイクルガス路
43 ガス流入口
44 ガス流出口
46 仕切り体
50 水分除去部
51 水分吸着剤
B 容器
C 制御部(制御手段)
H 脱硫部加熱手段
R 原燃料ガス供給経路
Rc 合流部
Sa 水分除去用空間
Sb 脱硫用空間
Claims (6)
- 硫黄化合物を吸着する脱硫触媒が収容されて、供給される原燃料ガスを脱硫処理する脱硫部と、その脱硫部を脱硫処理が可能な温度に加熱する脱硫部加熱手段と、前記脱硫部により脱硫処理された後の原燃料ガスを改質処理して水素ガスを主成分とする改質ガスを生成する改質部と、その改質部で改質処理された改質ガスの一部をリサイクルガスとして前記脱硫部に供給される原燃料ガスに混合するリサイクルガス路と、前記脱硫部に供給される原燃料ガスの流量を調整する原燃料ガス流量調整手段と、前記脱硫部に供給される原燃料ガスの流量が通常運転用流量になるように前記原燃料ガス流量調整手段を制御する通常運転を実行する制御手段とが設けられた水素含有ガス生成装置であって、
前記脱硫部へ原燃料ガスが供給される原燃料ガス供給経路における前記リサイクルガス路からのリサイクルガスの合流部よりも下流側の部分に、水分を吸着する水分吸着剤が収容されて、通流する気体に含まれる水分を除去する水分除去部が設けられ、
前記リサイクルガス路におけるリサイクルガスの通流を断つ遮断状態に切り換え可能なリサイクルガス遮断手段が設けられ、
前記制御手段が、水分除去タイミングになったと判定すると、前記リサイクルガス遮断手段を前記遮断状態に切り換えると共に、前記脱硫部に供給される原燃料ガスの流量が前記通常運転用流量よりも少ない水分除去運転用流量になるように前記原燃料ガス流量調整手段を制御する水分除去運転を実行する水素含有ガス生成装置。 - ガス流入口とガス流出口とを備えた容器内が、通気自在な仕切り体にて前記ガス流入口側の水分除去用空間と前記ガス流出口側の脱硫用空間とに区画され、
前記水分吸着剤が前記水分除去用空間に収容され且つ前記脱硫触媒が前記脱硫用空間に収容されると共に、前記容器に原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給路が前記ガス流入口に接続され、且つ、脱硫処理後の原燃料ガスが前記ガス流出口から流出するように構成されて、
前記脱硫部が前記水分除去部を一体的に備えるように構成されている請求項1に記載の水素含有ガス生成装置。 - 前記容器が、扁平状に構成され、扁平状の前記容器内が、前記仕切り体にて厚さ方向に直交する方向に前記水分除去用空間と前記脱硫用空間とに区画され、
扁平状の前記容器が、前記水分除去用空間及び前記脱硫用空間が上下方向に並ぶ立ち姿勢で設けられる請求項2に記載の水素含有ガス生成装置。 - 前記制御手段が、前記通常運転の累積実行時間が所定の設定時間に達することに基づいて、前記水分除去タイミングになったと判定する請求項1〜3のいずれか1項に記載の水素含有ガス生成装置。
- 前記制御手段が、前記通常運転における前記脱硫部への原燃料ガスの累積流量が所定の設定流量に達することに基づいて、前記水分除去タイミングになったと判定する請求項1〜3のいずれか1項に記載の水素含有ガス生成装置。
- 硫黄化合物を吸着する脱硫触媒が収容されて、供給される原燃料ガスを脱硫処理する脱硫部と、その脱硫部を脱硫処理が可能な温度に加熱する脱硫部加熱手段と、前記脱硫部により脱硫処理された後の原燃料ガスを改質処理して水素ガスを主成分とする改質ガスを生成する改質部と、その改質部で改質処理された改質ガスの一部をリサイクルガスとして前記脱硫部に供給される原燃料ガスに混合するリサイクルガス路と、前記脱硫部に供給される原燃料ガスの流量を調整する原燃料ガス流量調整手段とが設けられ、
前記脱硫部に供給される原燃料ガスの流量が通常運転用流量になるように前記原燃料ガス流量調整手段を制御する通常運転を実行する水素含有ガス生成装置の運転方法であって、
前記脱硫部へ原燃料ガスが供給される原燃料ガス供給経路における前記リサイクルガス路からのリサイクルガスの合流部よりも下流側の部分に、水分を吸着する水分吸着剤が収容されて、通流する気体に含まれる水分を除去する水分除去部を設け、
前記リサイクルガス路におけるリサイクルガスの通流を断つ遮断状態に切り換え可能なリサイクルガス遮断手段を設け、
水分除去タイミングになったと判定すると、前記リサイクルガス遮断手段を前記遮断状態に切り換えると共に、前記脱硫部に供給される原燃料ガスの流量が前記通常運転用流量よりも少ない水分除去運転用流量になるように前記原燃料ガス流量調整手段を制御する水分除去運転を実行する水素含有ガス生成装置の運転方法。
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