JP2016169124A - Hydrogen generator, fuel cell system using the same and operation method thereof - Google Patents

Hydrogen generator, fuel cell system using the same and operation method thereof Download PDF

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中嶋 知之
Tomoyuki Nakajima
知之 中嶋
貴広 楠山
Takahiro Kusuyama
貴広 楠山
千絵 原田
Chie Harada
千絵 原田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To lengthen a lifetime of a hydrogen generator by setting the lower limit of temperature of a modification catalyst inlet at high when supply speed of a raw material is high.SOLUTION: It has a modifier 100 to which a modification catalyst 101 generating hydrogen-containing gas by modifying a raw material containing at least a sulfide compound and hydrocarbon is filled, a raw material supplier 31 for supplying a raw material to the modifier 100, a heater 20 for heating the modifier 100 and a controller 300 for controlling temperature of a modification catalyst inlet 102 and lifetime of a hydrogen generator can be lengthened by controlling the heater 20 so that lower limit temperature of the modification catalyst inlet 102 when a supply speed of the raw material is relatively high is higher than lower temperature when the supply speed of the raw material is relatively low and the temperature of the modification catalyst inlet 102 becomes the lower limit or higher by a controller 300 and suppressing reduction of hydrogen generation performance of the modification catalyst.SELECTED DRAWING: Figure 1

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それを用いた燃料電池システム並びにその運転方法に関するものである。   The present invention relates to a hydrogen generator that generates a hydrogen-containing gas, a fuel cell system using the same, and an operation method thereof.

小型装置でも高効率発電ができる燃料電池コージェネレーションシステム(以下、単に「燃料電池システム」という)は、分散型エネルギー供給源の発電装置として開発が進められている。   Development of a fuel cell cogeneration system (hereinafter simply referred to as “fuel cell system”) capable of high-efficiency power generation even with a small device is being developed as a power generator for a distributed energy supply source.

この燃料電池システムは、発電部の本体として、燃料電池を備えている。この燃料電池としては、例えば、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、アルカリ水溶液形燃料電池、固体高分子形燃料電池、或いは、固体電解質形燃料電池等が用いられる。   This fuel cell system includes a fuel cell as a main body of the power generation unit. As this fuel cell, for example, a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, an alkaline aqueous fuel cell, a solid polymer fuel cell, a solid electrolyte fuel cell, or the like is used.

これらの燃料電池の内、リン酸形燃料電池や固体高分子形燃料電池(略称、「PEFC」)は、発電運転の際の動作温度が比較的低いため、燃料電池システムを構成する燃料電池として好適に用いられる。特に、固体高分子形燃料電池は、リン酸形燃料電池と比べて電極触媒の劣化が少なく、かつ電解質の逸散が発生しないため、携帯用電子機器や電気自動車等の用途において特に適に用いられる。   Among these fuel cells, phosphoric acid fuel cells and polymer electrolyte fuel cells (abbreviated as “PEFC”) have a relatively low operating temperature during power generation operation, and are therefore used as fuel cells constituting a fuel cell system. Preferably used. In particular, solid polymer fuel cells are particularly suitable for applications such as portable electronic devices and electric vehicles because there is less deterioration of the electrode catalyst compared to phosphoric acid fuel cells and no electrolyte dissipation occurs. It is done.

さて、燃料電池の多く、例えば、リン酸形燃料電池や固体高分子形燃料電池は、発電運転の際に水素を燃料として用いる。しかし、それらの燃料電池において発電運転の際に必要となる水素の供給手段は、通常、インフラストラクチャとして整備されてはいない。   Many fuel cells, such as phosphoric acid fuel cells and polymer electrolyte fuel cells, use hydrogen as a fuel during power generation operation. However, the means for supplying hydrogen necessary for power generation operation in these fuel cells is not usually provided as an infrastructure.

従って、リン酸形燃料電池や固体高分子形燃料電池を備える燃料電池システムにより電力を得るためには、その燃料電池システムの設置場所において、燃料としての水素を生成する必要がある。このため、燃料電池システムは、通常、改質器を有する水素生成装置を備える。   Therefore, in order to obtain electric power from a fuel cell system including a phosphoric acid fuel cell or a polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to generate hydrogen as a fuel at the place where the fuel cell system is installed. For this reason, the fuel cell system usually includes a hydrogen generator having a reformer.

改質器では、一般的な原料インフラガスである都市ガス、天然ガス或いはLPGから水素含有ガスが、改質反応により生成される。例えば、水蒸気改質反応が一般的に用いられている。この水蒸気改質反応では、原料となる都市ガス等と水蒸気とをNi系またはRu系等の貴金属系の改質触媒を用いて、300℃〜700℃程度の高温で反応させることにより、水素を主成分とした水素含有ガスが生成される。   In the reformer, a hydrogen-containing gas is generated by a reforming reaction from city gas, natural gas, or LPG which is a general raw material infrastructure gas. For example, a steam reforming reaction is generally used. In this steam reforming reaction, hydrogen is produced by reacting raw material city gas or the like with steam at a high temperature of about 300 ° C. to 700 ° C. using a noble metal-based reforming catalyst such as Ni-based or Ru-based. A hydrogen-containing gas as a main component is generated.

水蒸気改質反応を安定かつ効率に行うには、供給原料の組成に適した量の水を供給する必要がある。例えば、メタン(CH4)やエタン(C26)が水蒸気改質されて水素と二酸化炭素とが生成される改質反応では、理論的には、1モルのメタンに対して必要な水の量は2モルである。 In order to perform the steam reforming reaction stably and efficiently, it is necessary to supply an amount of water suitable for the composition of the feedstock. For example, in a reforming reaction in which methane (CH 4 ) or ethane (C 2 H 6 ) is steam reformed to generate hydrogen and carbon dioxide, theoretically, the water required for 1 mol of methane. Is 2 moles.

また、1モルのエタンに対しては必要な水の量は4モルである。通常は、改質器への水の供給量が不足すると供給原料中の炭素が析出する等の問題が生じることから、このような問題を防止すべく、原料の供給流量から算出された理論水量の1.5倍程度の水が改質器に供給されるように水供給流量が設定されている。そして、原料の供給流量に応じて水の供給流量が、所望の値になるよう、水素生成装置の運転が制御されている。   Further, the amount of water required for 1 mol of ethane is 4 mol. Usually, if the amount of water supplied to the reformer is insufficient, problems such as precipitation of carbon in the feedstock will occur, so the theoretical water volume calculated from the feed flow rate of the feedstock will prevent such problems. The water supply flow rate is set so that about 1.5 times as much water is supplied to the reformer. The operation of the hydrogen generator is controlled so that the water supply flow rate becomes a desired value in accordance with the raw material supply flow rate.

一般に、水蒸気改質反応は改質触媒層の入口から高温にすると、改質触媒に原料中の炭素種が析出し、性能低下を引き起こす。これを抑制するため、改質触媒層の出口に比べ入
口の温度を低くなるよう温度分布を設定する。また、水蒸気改質反応は、反応温度が高いほど水素生成量が増える平衡反応であるため、改質触媒層の出口の高温域の温度および触媒性能により水素生成量が決まる。
In general, when the steam reforming reaction is performed at a high temperature from the inlet of the reforming catalyst layer, carbon species in the raw material are deposited on the reforming catalyst, causing a decrease in performance. In order to suppress this, the temperature distribution is set so that the inlet temperature is lower than the outlet of the reforming catalyst layer. Further, since the steam reforming reaction is an equilibrium reaction in which the amount of hydrogen generation increases as the reaction temperature increases, the amount of hydrogen generation is determined by the temperature in the high temperature region at the outlet of the reforming catalyst layer and the catalyst performance.

また、改質触媒は、原料に含まれる硫黄化合物の被毒により劣化してしまうため、改質器の前段に脱硫器を設置し、硫黄化合物の除去を行うのが一般的である。しかし、脱硫器を通過し、改質器に供給される原料には、僅かではあるが硫黄化合物が残存し、その硫黄化合物により改質触媒が劣化してしまう。   In addition, since the reforming catalyst deteriorates due to poisoning of the sulfur compound contained in the raw material, it is common to remove the sulfur compound by installing a desulfurizer in front of the reformer. However, a small amount of a sulfur compound remains in the raw material that passes through the desulfurizer and is supplied to the reformer, and the reforming catalyst deteriorates due to the sulfur compound.

改質触媒層の入口側の低温域に、硫黄化合物に耐性の高いルテニウム系触媒を配置し、重質炭化水素を分解することで、出口側の高温域に配置した窒素をアンモニアに変換しない白金−ロジウム系触媒の炭素析出による水素生成能の劣化を抑制する運転方法が提供されている(例えば、特許文献1参照)。   Platinum that does not convert nitrogen placed in the high temperature area on the outlet side to ammonia by disposing a ruthenium-based catalyst highly resistant to sulfur compounds in the low temperature area on the inlet side of the reforming catalyst layer and decomposing heavy hydrocarbons -An operation method is provided that suppresses deterioration of hydrogen generation ability due to carbon deposition of a rhodium-based catalyst (see, for example, Patent Document 1).

特開2013−137865号公報JP2013-137865A

しかしながら、前記従来の構成では、硫黄化合物による改質触媒の劣化抑制については言及されていない。   However, in the conventional configuration, there is no mention of suppression of deterioration of the reforming catalyst by a sulfur compound.

また、従来の水素生成装置では、下記の課題を有していた。水素生成装置の改質触媒層の出口の温度は、通常、入口に比べ高く設定されるため、出口の高温域の温度および触媒性能により水素生成能が決まる。そのため、改質触媒層の出口への硫黄化合物の吸着は、水素生成装置の性能低下に大きく影響を与える。   Further, the conventional hydrogen generator has the following problems. Since the temperature of the outlet of the reforming catalyst layer of the hydrogen generator is usually set higher than that of the inlet, the hydrogen generating ability is determined by the temperature in the high temperature region of the outlet and the catalyst performance. Therefore, the adsorption of the sulfur compound at the outlet of the reforming catalyst layer greatly affects the performance reduction of the hydrogen generator.

また、水素生成装置は、必要とされる水素含有ガス量に応じて原料の供給速度を変更する。改質触媒充填層への原料の供給速度が速くなると、線速度が速くなるが、改質触媒において、時間当たりに吸着できる硫黄化合物量は一定であるため、硫黄化合物の除去率が下がってしまい、高温域の改質触媒層後段に硫黄化合物が吸着することで、水素生成能力が低下してしまう。   Further, the hydrogen generator changes the feed rate of the raw material according to the amount of hydrogen-containing gas required. As the feed rate of the raw material to the reforming catalyst packed bed increases, the linear velocity increases. However, the amount of sulfur compound that can be adsorbed per hour in the reforming catalyst is constant, so the sulfur compound removal rate decreases. When the sulfur compound is adsorbed on the latter stage of the reforming catalyst layer in the high temperature region, the hydrogen generating ability is lowered.

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、原料の供給速度が遅い場合に比べ速い場合、改質触媒層入口の下限温度を高くすることで、商品の耐久性を維持可能な、水素生成装置並びに燃料電池システムと、その運転方法を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described conventional problems. When the raw material supply rate is higher than that when the raw material supply rate is low, the lower limit temperature of the reforming catalyst layer inlet is increased to maintain the durability of the product. An object of the present invention is to provide a generation device, a fuel cell system, and an operation method thereof.

上記従来の課題を解決するために、本発明に係る水素生成装置は、少なくとも硫黄化合物と炭化水素を含む原料を改質して水素含有ガスを生成する改質触媒が充填される改質器と、改質器に原料を供給する原料供給器と、改質器を加熱する加熱器と、改質触媒入口の温度を制御する制御器と、を備え、改質触媒入口の下限温度は、原料の供給速度が相対的に速い場合の下限温度が、原料の供給速度が相対的に遅い場合の下限温度より高く、制御器が、改質触媒入口の温度が下限温度以上になるよう加熱器を制御するものである。   In order to solve the above-described conventional problems, a hydrogen generator according to the present invention includes a reformer filled with a reforming catalyst that reforms a raw material containing at least a sulfur compound and a hydrocarbon to generate a hydrogen-containing gas. A raw material supplier for supplying the raw material to the reformer, a heater for heating the reformer, and a controller for controlling the temperature of the reforming catalyst inlet, wherein the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet is the raw material The lower limit temperature when the feed rate of the feed is relatively high is higher than the lower limit temperature when the feed rate of the raw material is relatively slow, and the controller sets the heater so that the temperature of the reforming catalyst inlet is equal to or higher than the lower limit temperature. It is something to control.

これによって、改質触媒層入口を原料の供給速度に対応して適切に設定した下限温度以上に維持することができ、原料の供給速度が異なる場合も硫黄化合物を改質触媒に吸着させる十分な速度を維持できるため、改質触媒の単位重量あたりの硫黄化合物の吸着量を必要量確保することができる。   As a result, the reforming catalyst layer inlet can be maintained at a temperature not less than a lower limit temperature appropriately set corresponding to the feed rate of the raw material, and even when the feed rate of the raw material is different, the reforming catalyst is sufficiently adsorbed. Since the speed can be maintained, the necessary amount of sulfur compound adsorbed per unit weight of the reforming catalyst can be secured.

本発明の水素生成装置によれば、改質触媒層入口の温度を原料の供給速度に対応して適切に設定した下限温度以上に維持することで、硫黄化合物を改質触媒に吸着させる十分な速度を維持することができ、改質触媒層入口側で硫黄化合物の吸着量を必要量確保できるため、改質触媒層出口側への硫黄化合物のスリップを抑制することができる。   According to the hydrogen generator of the present invention, the temperature at the inlet of the reforming catalyst layer is maintained above the lower limit temperature appropriately set corresponding to the feed rate of the raw material, so that the sulfur compound is sufficiently adsorbed on the reforming catalyst. The speed can be maintained, and a necessary amount of sulfur compound can be secured on the reforming catalyst layer inlet side, so that slip of the sulfur compound toward the reforming catalyst layer outlet side can be suppressed.

そして、水素生成量に大きく影響する改質触媒層の出口への硫黄化合物の吸着を抑制することで、改質触媒の水素生成能力の低下を抑制し、水素生成装置の性能低下を抑制することができる。その結果、水素生成装置の寿命を延ばすことができる。   And by suppressing the adsorption of sulfur compounds at the outlet of the reforming catalyst layer, which greatly affects the amount of hydrogen generation, it is possible to suppress a decrease in the hydrogen generation capacity of the reforming catalyst and to suppress a decrease in the performance of the hydrogen generator. Can do. As a result, the lifetime of the hydrogen generator can be extended.

本発明の実施の形態1にかかる水素生成装置の構成の一例を示すブロック図1 is a block diagram showing an example of the configuration of a hydrogen generator according to Embodiment 1 of the present invention. 同実施の形態にかかる改質器の構成の一例を示すブロック図The block diagram which shows an example of a structure of the reformer concerning the embodiment 同実施の形態の実施例1にかかる水素生成装置の原料の供給速度と改質触媒入口の下限温度との関係の一例を示すグラフThe graph which shows an example of the relationship between the supply speed | rate of the raw material of the hydrogen generator concerning Example 1 of the embodiment, and the minimum temperature of the reforming catalyst inlet 同実施の形態の実施例1にかかる水素生成装置の原料の供給速度と改質触媒入口の下限温度との関係の一例を示すグラフThe graph which shows an example of the relationship between the supply speed | rate of the raw material of the hydrogen generator concerning Example 1 of the embodiment, and the minimum temperature of the reforming catalyst inlet 同実施の形態の実施例3にかかる水素生成装置の改質触媒入口の下限温度と原料の供給速度との関係の一例を示すグラフThe graph which shows an example of the relationship between the minimum temperature of the reforming catalyst inlet of the hydrogen generator concerning Example 3 of the same embodiment, and the feed rate of a raw material 本発明の実施の形態2の実施例4にかかる水素生成装置の原料の供給速度と改質触媒出口の上限温度との関係の一例を示すグラフThe graph which shows an example of the relationship between the feed rate of the raw material of the hydrogen generator concerning Example 4 of Embodiment 2 of this invention, and the upper limit temperature of a reforming catalyst exit 同実施の形態の実施例5にかかる水素生成装置の原料の供給速度と改質触媒出口の上限温度との関係の一例を示すグラフThe graph which shows an example of the relationship between the supply speed | rate of the raw material of the hydrogen generator concerning Example 5 of the embodiment, and the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 同実施の形態の実施例6にかかる水素生成装置の原料の供給速度と改質触媒出口の上限温度との関係の一例を示すグラフThe graph which shows an example of the relationship between the feed rate of the raw material of the hydrogen generator concerning Example 6 of the embodiment, and the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 本発明の実施の形態3にかかる改質器と加熱器の構成の一例を示すブロック図Block diagram showing an example of the configuration of a reformer and a heater according to a third embodiment of the present invention 本発明の実施の形態4にかかる水素生成装置の構成の一例を示すブロック図FIG. 6 is a block diagram showing an example of the configuration of a hydrogen generator according to Embodiment 4 of the present invention. 本発明の実施の形態5にかかる燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図FIG. 5 is a block diagram showing an example of the configuration of a fuel cell system according to a fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態6にかかる燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図FIG. 7 is a block diagram showing an example of the configuration of a fuel cell system according to Embodiment 6 of the present invention.

第1の発明である水素生成装置は、少なくとも硫黄化合物と炭化水素を含む原料を改質して水素含有ガスを生成する改質触媒が充填される改質器と、前記改質器に前記原料を供給する原料供給器と、前記改質器を加熱する加熱器と、前記改質器の改質触媒入口の温度を制御する制御器とを備え、前記改質触媒入口の下限温度は、前記原料の供給速度が相対的に速い場合の下限温度が、前記原料の供給速度が相対的に遅い場合の下限温度より高く、前記制御器は、前記改質触媒入口の温度が前記下限温度以上になるよう前記加熱器を制御することを特徴とする。   A hydrogen generator according to a first aspect of the present invention includes a reformer that is filled with a reforming catalyst that reforms a raw material containing at least a sulfur compound and a hydrocarbon to generate a hydrogen-containing gas, and the raw material in the reformer And a controller for controlling the temperature of the reforming catalyst inlet of the reformer, the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet is The lower limit temperature when the feed rate of the raw material is relatively high is higher than the lower limit temperature when the feed rate of the raw material is relatively slow, and the controller has a temperature of the reforming catalyst inlet equal to or higher than the lower limit temperature. It is characterized by controlling the said heater so that it may become.

本発明の水素生成装置によれば、改質触媒層入口の温度を原料の供給速度に対応して適切に設定した下限温度以上に維持することで、硫黄化合物を改質触媒に吸着させる十分な速度を維持することができ、改質触媒層入口側で硫黄化合物の吸着量を必要量確保できるため、改質触媒層出口側への硫黄化合物のスリップを抑制することができる。   According to the hydrogen generator of the present invention, the temperature at the inlet of the reforming catalyst layer is maintained above the lower limit temperature appropriately set corresponding to the feed rate of the raw material, so that the sulfur compound is sufficiently adsorbed on the reforming catalyst. The speed can be maintained, and a necessary amount of sulfur compound can be secured on the reforming catalyst layer inlet side, so that slip of the sulfur compound toward the reforming catalyst layer outlet side can be suppressed.

そして、水素生成量に大きく影響する改質触媒層の出口への硫黄化合物の吸着を抑制す
ることで、改質触媒の水素生成能力の低下を抑制し、水素生成装置の性能低下を抑制することができる。その結果、水素生成装置の寿命を延ばすことができる。
And by suppressing the adsorption of sulfur compounds at the outlet of the reforming catalyst layer, which greatly affects the amount of hydrogen generation, it is possible to suppress a decrease in the hydrogen generation capacity of the reforming catalyst and to suppress a decrease in the performance of the hydrogen generator. Can do. As a result, the lifetime of the hydrogen generator can be extended.

第2の発明である水素生成装置は、特に、第1の発明において、前記改質器の改質触媒出口の温度において、前記原料の供給速度が相対的に速い場合の温度が、前記原料の供給速度が相対的に遅い場合の温度以下になるよう前記制御器が、前記加熱器を制御することを特徴とする。   In the hydrogen generator according to the second invention, in particular, in the first invention, the temperature when the feed rate of the raw material is relatively high at the temperature of the reforming catalyst outlet of the reformer is the temperature of the raw material. The controller controls the heater so that the temperature is equal to or lower than a temperature when the supply speed is relatively slow.

本発明の水素生成装置によれば、原料の供給速度が速い場合の改質触媒出口の上限温度を、原料の供給速度が遅い場合の改質触媒出口の上限温度以下に設定することにより、水素生成装置の性能低下を抑制することができる。   According to the hydrogen generator of the present invention, the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet when the feed rate of the raw material is high is set to be equal to or lower than the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet when the feed rate of the raw material is slow. It is possible to suppress the performance degradation of the generation device.

これは、触媒のシンタリングによる性能低下は、反応温度が高いほど促進され、また、原料の供給量が速いほど改質触媒で反応量が多くなることで促進されるが、これらを相補的に設定することで性能低下を抑制できるためである。その結果、水素生成装置の寿命を延ばすことができる。   This is because the performance degradation due to the sintering of the catalyst is promoted as the reaction temperature is higher, and as the feed rate is increased, the reaction amount is increased by the reforming catalyst. This is because the performance degradation can be suppressed by setting. As a result, the lifetime of the hydrogen generator can be extended.

第3の発明である水素生成装置は、特に、第1または第2の発明における加熱器が、少なくとも前記原料を燃焼する燃焼器を含み、前記制御器が、前記原料の供給速度が相対的に速い場合、前記燃焼器に供給する空気供給量と燃料供給量の量論比であるλが前記原料の供給速度が相対的に遅い場合よりも大きくなるよう制御することを特徴とする。   In the hydrogen generator according to the third aspect of the invention, in particular, the heater in the first or second aspect of the invention includes a combustor that burns at least the raw material, and the controller has a relatively high supply rate of the raw material. When the speed is high, λ, which is the stoichiometric ratio of the air supply amount to the combustor and the fuel supply amount, is controlled to be larger than when the raw material supply speed is relatively slow.

本発明の水素生成装置によれば、改質器の加熱手段としての加熱器に燃焼器を用い、λの制御により、新たな構成を設けずに、改質触媒層入口の温度を原料の供給速度に対応して適切に設定した下限温度以上に維持することができる。   According to the hydrogen generator of the present invention, a combustor is used as a heating unit of the reformer, and the temperature of the reforming catalyst layer inlet is supplied to the raw material by controlling λ without providing a new configuration. It can be maintained above the lower limit temperature appropriately set according to the speed.

その結果、硫黄化合物を改質触媒に吸着させる十分な速度を維持することができ、改質触媒層入口側で硫黄化合物の吸着量を必要量確保できるため、改質触媒層出口側への硫黄化合物のスリップを抑制することができ、水素生成装置の性能低下を抑制することができる。そのため、水素生成装置の寿命を延ばすことができる。   As a result, a sufficient speed for adsorbing the sulfur compound to the reforming catalyst can be maintained, and a necessary amount of sulfur compound can be secured on the reforming catalyst layer inlet side. The slip of the compound can be suppressed, and the performance degradation of the hydrogen generator can be suppressed. Therefore, the lifetime of the hydrogen generator can be extended.

第4の発明である水素生成装置は、特に第1から第3のいずれか1つの発明において、前記改質器に水を供給する水供給器を備え、前記制御器が、前記原料の供給速度が相対的に速い場合、前記原料と改質水とのスチーム/カーボンモル比であるS/Cが前記原料の供給速度が相対的に遅い場合よりも小さくなるよう前記原料供給器及び前記水供給器を制御することを特徴とする。   A hydrogen generator according to a fourth aspect of the present invention is the hydrogen generation apparatus according to any one of the first to third aspects of the invention, comprising a water supply unit for supplying water to the reformer, wherein the controller is configured to supply the raw material. Is relatively fast, the S / C, which is the steam / carbon molar ratio between the raw material and the reforming water, is smaller than when the raw material supply rate is relatively slow. It is characterized by controlling the vessel.

本発明の水素生成装置によれば、改質器の温度制御手段として、S/Cを制御することにより、新たな構成を設けずに、改質触媒層入口の温度を原料の供給速度に対応して適切に設定した下限温度以上に維持することができる。   According to the hydrogen generating apparatus of the present invention, the temperature at the reforming catalyst layer inlet corresponds to the feed rate of the raw material without providing a new configuration by controlling S / C as the temperature control means of the reformer. Thus, the temperature can be maintained at a temperature that is appropriately set or lower.

その結果、硫黄化合物を改質触媒に吸着させる十分な速度を維持することができ、改質触媒層入口側で硫黄化合物の吸着量を必要量確保できるため、改質触媒層出口側への硫黄化合物のスリップを抑制することができ、水素生成装置の性能低下を抑制することができる。そのため、水素生成装置の寿命を延ばすことができる。   As a result, a sufficient speed for adsorbing the sulfur compound to the reforming catalyst can be maintained, and a necessary amount of sulfur compound can be secured on the reforming catalyst layer inlet side. The slip of the compound can be suppressed, and the performance degradation of the hydrogen generator can be suppressed. Therefore, the lifetime of the hydrogen generator can be extended.

第5の発明である燃料電池システムは、特に、第1〜第4の少なくとも1つの発明の水素生成装置と、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ことを特徴とする。   A fuel cell system according to a fifth aspect of the invention includes, in particular, a hydrogen generator of at least one of the first to fourth aspects of the invention, and a fuel cell that generates power using a hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generator. It is characterized by that.

本発明の燃料電池システムによれば、改質触媒層入口の温度を原料の供給速度に対応して適切に設定した下限温度以上に維持することで、硫黄化合物を改質触媒に吸着させる十分な速度を維持することができ、改質触媒層入口側で硫黄化合物の吸着量を必要量確保できるため、改質触媒層出口側への硫黄化合物のスリップを抑制することができ、水素生成装置の性能低下を抑制することができるため、燃料電池システムの寿命を延ばすことができる。   According to the fuel cell system of the present invention, the temperature of the reforming catalyst layer inlet is maintained at the lower limit temperature appropriately set corresponding to the feed rate of the raw material, so that the sulfur compound can be sufficiently adsorbed on the reforming catalyst. The speed can be maintained, and the necessary amount of sulfur compound adsorption can be secured on the reforming catalyst layer inlet side, so that the slip of sulfur compound to the reforming catalyst layer outlet side can be suppressed, and the hydrogen generator Since performance degradation can be suppressed, the life of the fuel cell system can be extended.

第6の発明である水素生成装置の運転方法は、少なくとも硫黄化合物と炭化水素を含む原料を改質して水素含有ガスを生成する改質触媒が充填される改質器と、前記改質器に前記原料を供給する原料供給器と、前記改質器を加熱する加熱器と、前記改質触媒入口の温度を制御する制御器と、を備えた水素生成装置の運転方法であって、前記改質触媒入口の下限温度は、前記原料の供給速度が相対的に速い場合の下限温度が、前記原料の供給速度が相対的に遅い場合の下限温度より高く、前記改質触媒入口の温度が前記下限温度以上になるよう加熱するステップを備えることを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, there is provided an operation method of a hydrogen generator, a reformer filled with a reforming catalyst for reforming a raw material containing at least a sulfur compound and a hydrocarbon to generate a hydrogen-containing gas, and the reformer And a controller for controlling the temperature of the reforming catalyst inlet, comprising: a raw material supplier for supplying the raw material to the raw material; a heater for heating the reformer; The lower limit temperature of the reforming catalyst inlet is such that the lower limit temperature when the feed rate of the raw material is relatively high is higher than the lower limit temperature when the feed rate of the raw material is relatively slow, and the temperature of the reforming catalyst inlet is A step of heating so as to be equal to or higher than the lower limit temperature is provided.

本発明の水素生成装置の運転方法によれば、改質触媒層入口の温度を原料の供給速度に対応して適切に設定した下限温度以上に維持することで、硫黄化合物を改質触媒に吸着させる十分な速度を維持することができ、改質触媒層入口側で硫黄化合物の吸着量を必要量確保できるため、改質触媒層出口側への硫黄化合物のスリップを抑制することができる。   According to the operation method of the hydrogen generator of the present invention, the sulfur compound is adsorbed to the reforming catalyst by maintaining the temperature of the reforming catalyst layer inlet at or above the lower limit temperature appropriately set corresponding to the feed rate of the raw material. A sufficient amount of the sulfur compound can be maintained, and the amount of sulfur compound adsorbed on the reforming catalyst layer inlet side can be secured, so that slip of the sulfur compound toward the reforming catalyst layer outlet side can be suppressed.

水素生成装置では、改質触媒層の入口に比べ出口の温度を高くなるよう温度分布を設定し、改質触媒層の出口の高温域の温度および触媒性能により水素生成量が決まるため、改質触媒層の出口への硫黄化合物の吸着を抑制することで、水素生成装置の性能低下を抑制することができる。その結果、水素生成装置の寿命を延ばすことができる。   In the hydrogen generator, the temperature distribution is set so that the outlet temperature is higher than the inlet of the reforming catalyst layer, and the amount of hydrogen generated is determined by the temperature and catalyst performance in the high temperature region at the outlet of the reforming catalyst layer. By suppressing the adsorption of the sulfur compound at the outlet of the catalyst layer, it is possible to suppress a decrease in the performance of the hydrogen generator. As a result, the lifetime of the hydrogen generator can be extended.

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。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同じ参照符号を付し、その説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding elements are denoted by the same reference symbols throughout the drawings, and the description thereof is omitted.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1にかかる水素生成装置400の構成の一例を示すブロック図であり、図2は本発明の実施の形態1にかかる改質器100の構成の一例を示すブロック図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of the hydrogen generator 400 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows an example of the configuration of the reformer 100 according to the first embodiment of the present invention. It is a block diagram.

図1に示すように、本実施の形態の水素生成装置400は、水素含有ガスを生成する反応器の一つである改質器100と、改質器100の温度を検知する改質器温度検知器80と、改質器100に原料を供給する原料供給器31と、原料の供給量を検出する原料供給量検出器30と、に原料含まれる硫黄化合物を除去する脱硫器10と、改質器100に水を供給する水供給器51と、水の供給量を検出する水供給量検出器50と、改質器100を加熱する加熱器20と、加熱器20に空気を供給する空気供給器71と、空気の供給量を検出する空気供給量検出器70と、改質器100が生成する水素含有ガス中のCOを低減する反応器の一つであるCO低減器150と、CO低減器150の温度を検知するCO低減器温度検知器90と、水素生成装置400を制御する制御器300とを備え、改質器100で生成された水素含有ガスは、水素供給経路41を介して水素利用機器201に供給される。   As shown in FIG. 1, a hydrogen generator 400 according to the present embodiment includes a reformer 100 that is one of reactors that generate a hydrogen-containing gas, and a reformer temperature that detects the temperature of the reformer 100. The detector 80, the raw material supply device 31 for supplying the raw material to the reformer 100, the raw material supply amount detector 30 for detecting the supply amount of the raw material, the desulfurizer 10 for removing sulfur compounds contained in the raw material, A water supply 51 that supplies water to the mass device 100, a water supply amount detector 50 that detects the supply amount of water, a heater 20 that heats the reformer 100, and air that supplies air to the heater 20 A supply device 71, an air supply amount detector 70 for detecting the supply amount of air, a CO reduction device 150 that is one of the reactors for reducing CO in the hydrogen-containing gas produced by the reformer 100, a CO CO reducer temperature detector 90 for detecting the temperature of reducer 150, hydrogen And a controller 300 for controlling the deposition apparatus 400, the hydrogen-containing gas generated in the reformer 100 is supplied to the hydrogen utilizing device 201 via a hydrogen supply line 41.

図2に示すように、改質器100は、原料及び水蒸気を用いて水蒸気改質反応により水素含有ガスを生成する。改質器100はステンレス構造体で構成され、水蒸気改質反応を進行させる改質触媒101が充填される。   As shown in FIG. 2, the reformer 100 generates a hydrogen-containing gas by a steam reforming reaction using raw materials and steam. The reformer 100 is made of a stainless steel structure and is filled with a reforming catalyst 101 that causes a steam reforming reaction to proceed.

改質触媒101のうち、原料の流通方向に対し、原料の入口側に充填された改質触媒1
01を改質触媒入口102、水素含有ガスの出口側に充填された改質触媒101を改質触媒出口103とした。改質触媒101は、入口から出口にかけて温度が高くなるよう設定し、改質触媒入口102を350から400℃、改質触媒出口103を660℃に制御した。
Of the reforming catalyst 101, the reforming catalyst 1 filled on the inlet side of the raw material with respect to the flow direction of the raw material.
01 was the reforming catalyst inlet 102, and the reforming catalyst 101 filled on the outlet side of the hydrogen-containing gas was used as the reforming catalyst outlet 103. The reforming catalyst 101 was set to increase in temperature from the inlet to the outlet, and the reforming catalyst inlet 102 was controlled at 350 to 400 ° C. and the reforming catalyst outlet 103 was controlled at 660 ° C.

本実施の形態では、改質触媒101に、アルミナビーズを担体としてRuを担持させたものを用いた。原料として、ガス会社から配管を通じて各家庭等に供給される都市ガス(13A)を用いた。都市ガスには、漏洩を検知するために、主に硫黄化合物からなる付臭剤が少なくとも一種類以上含有され、付臭が行われている。   In the present embodiment, the reforming catalyst 101 is used in which Ru is supported using alumina beads as a carrier. As a raw material, city gas (13A) supplied from a gas company to each household through piping was used. In order to detect leakage, city gas contains at least one odorant mainly composed of a sulfur compound and is odorized.

これら付臭剤にふくまれる硫黄化合物は、改質触媒101を硫黄被毒し劣化させてしまう。そのため、予め、脱硫器10にて硫黄化合物を取り除いた原料を、改質器100に供給した。脱硫器10には、ステンレス構造体を有する脱硫容器に、常温用吸着脱硫剤である銀をイオン交換したゼオライトを充填した吸着脱硫器を常温で用いた。   The sulfur compounds included in these odorants will poison and reform the reforming catalyst 101. Therefore, the raw material from which the sulfur compound was removed by the desulfurizer 10 was supplied to the reformer 100 in advance. As the desulfurizer 10, an adsorptive desulfurizer in which a desulfurization vessel having a stainless steel structure was filled with zeolite ion-exchanged with silver, which is an adsorption desulfurization agent for normal temperature, was used at normal temperature.

改質器温度検知器80は、熱電対によって構成され、改質器100の温度を検知する。改質器温度検知器80は、改質器100の内部に設けた鞘管に設置され、触媒温度を直接測定した。   The reformer temperature detector 80 is configured by a thermocouple and detects the temperature of the reformer 100. The reformer temperature detector 80 was installed in a sheath tube provided inside the reformer 100, and directly measured the catalyst temperature.

原料供給器31は、原料を改質器100に供給する。原料供給器31には、昇圧器及び流量調整弁の組み合わせを用いた。   The raw material supplier 31 supplies the raw material to the reformer 100. For the raw material supplier 31, a combination of a booster and a flow rate adjustment valve was used.

水供給器51は、ポンプ及び流量調整弁の組み合わせによって構成され、水を改質器100に供給する。水供給量検出器50によって水の供給量の調整を行った。   The water supply unit 51 is configured by a combination of a pump and a flow rate adjustment valve, and supplies water to the reformer 100. The water supply amount was adjusted by the water supply amount detector 50.

加熱器20は、燃料器により構成され、改質器100を加熱する。加熱器20の燃料には、改質器100にて改質反応を行わずに排出される原料、もしくは、改質器100より排出される水素含有ガスの一部もしくは全部を用いた。   The heater 20 is composed of a fuel device and heats the reformer 100. As the fuel for the heater 20, a raw material discharged without performing the reforming reaction in the reformer 100 or a part or all of the hydrogen-containing gas discharged from the reformer 100 was used.

空気供給器71は、ファンによって構成され、加熱器20に燃焼空気を供給する。   The air supply unit 71 is configured by a fan and supplies combustion air to the heater 20.

CO低減器150は、改質器100から出た水素含有ガス中のCOをシフト反応、選択酸化反応、メタン化反応のうち、少なくとも一つの反応を用い、低減させる。CO低減器150でのCO低減反応には、100℃から300℃の反応熱が必要であり、本実施の形態では、相対的に高温である改質器100と隣接させて、伝熱により加熱する方法を用いた。   The CO reducer 150 reduces CO in the hydrogen-containing gas output from the reformer 100 using at least one of a shift reaction, a selective oxidation reaction, and a methanation reaction. The CO reduction reaction in the CO reducer 150 requires reaction heat of 100 ° C. to 300 ° C. In this embodiment, the CO reduction reaction is performed adjacent to the relatively high temperature reformer 100 and heated by heat transfer. The method used was used.

CO低減器温度検知器90は、熱電対によって構成され、CO低減器150の温度を検知する。CO低減器温度検知器90、CO低減器150の内部に設けた鞘管に設置され、触媒温度を直接測定した。   The CO reducer temperature detector 90 is constituted by a thermocouple and detects the temperature of the CO reducer 150. The catalyst temperature detector 90 and the CO reducer 150 were installed in a sheath tube provided inside, and the catalyst temperature was directly measured.

制御器300は、水素生成装置400を制御し、演算部301と、制御プログラムを記憶する記憶部302とを備える。演算部301としてはMPU、記憶部302としてはメモリを用いた。記憶部302には、水素生成装置400の各種の動作を制御するためのプログラムが格納されており、演算部301は、記憶部302から必要なプログラムを読み出してこれを実行することによって、水素生成装置400の各種の動作を制御する。   The controller 300 controls the hydrogen generator 400 and includes a calculation unit 301 and a storage unit 302 that stores a control program. An MPU is used as the calculation unit 301, and a memory is used as the storage unit 302. The storage unit 302 stores a program for controlling various operations of the hydrogen generator 400, and the calculation unit 301 reads out a necessary program from the storage unit 302 and executes it to generate hydrogen. Various operations of the apparatus 400 are controlled.

原料供給器31から改質器100に至る原料の供給路の途中には、原料の供給量を検出する原料供給量検出器30が設けられ、その検出出力が演算部301に入力されている。また、水供給器51から改質器100に至る水の供給路の途中には、水の供給量を検出す
る水供給量検出器50が設けられ、その検出出力が演算部301に入力されている。原料供給量検出器30及び水供給量検出器50は、流量計で構成されている。
A raw material supply amount detector 30 for detecting the supply amount of the raw material is provided in the middle of the raw material supply path from the raw material supply device 31 to the reformer 100, and its detection output is input to the calculation unit 301. A water supply amount detector 50 that detects the amount of water supply is provided in the middle of the water supply path from the water supply device 51 to the reformer 100, and the detection output is input to the calculation unit 301. Yes. The raw material supply amount detector 30 and the water supply amount detector 50 are composed of flow meters.

空気供給器71から加熱器20に至る空気の供給経路の途中には、空気の供給量を検出する空気供給量検出器70が設けられ、その検出出力が演算部301に入力されている。空気供給量検出器70は流量計で構成され、空気供給量検出器70によって空気の供給量の調整を行った。   An air supply amount detector 70 for detecting the air supply amount is provided in the middle of the air supply path from the air supply device 71 to the heater 20, and the detection output is input to the calculation unit 301. The air supply amount detector 70 is composed of a flow meter, and the air supply amount detector 70 adjusts the air supply amount.

以下、実施の形態1の水素生成装置400の動作、作用について説明する。なお、以下の動作、作用は、制御器300が水素生成装置400を制御することによって行われる。   Hereinafter, operation | movement and an effect | action of the hydrogen generator 400 of Embodiment 1 are demonstrated. The following operations and actions are performed by the controller 300 controlling the hydrogen generator 400.

水素生成装置400は、水素利用機器が4NLMの水素量を必要とする場合、原料の供給速度を1NLMとし、必要水素量を供給する。   When the hydrogen-using device requires a 4NLM amount of hydrogen, the hydrogen generator 400 supplies the necessary amount of hydrogen with a raw material supply rate of 1NLM.

水素利用機器が12NLMの水素量を必要とする場合は、原料の供給速度を3NLMとし、必要水素量を供給する。原料中には、脱硫器10を通過した後にも数十ppb以下の硫黄化合物を含んでおり、改質触媒101に供給されると硫黄による被毒が起こり、水素生成量を低下させる原因となる。   When the hydrogen utilization device requires a hydrogen amount of 12 NLM, the supply rate of the raw material is set to 3 NLM, and the necessary hydrogen amount is supplied. The raw material contains a sulfur compound of several tens of ppb or less even after passing through the desulfurizer 10, and when it is supplied to the reforming catalyst 101, poisoning due to sulfur occurs, causing a reduction in the amount of hydrogen produced. .

本実施の形態の水素生成装置400では、改質器に500ccの改質触媒101を充填し、原料の供給速度が1NLMであるときの改質触媒入口102の下限温度を350℃、原料の供給速度が3NLMであるときの改質触媒入口102の下限温度を400℃となるよう制御した。   In the hydrogen generator 400 of the present embodiment, the reformer is filled with 500 cc of the reforming catalyst 101, the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102 when the feed rate of the feed is 1 NLM, and the feed of the feed is performed. The lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102 when the speed was 3NLM was controlled to be 400 ° C.

なお、脱硫器10を通過した原料中には、10ppbの硫黄化合物が含まれていた。また、水素生成装置400の商品寿命として6万時間、平均の原料の供給速度を2NLMとを想定したため、耐久後には、硫黄原子として累計100mgの硫黄化合物が改質触媒101に供給される。   The raw material that passed through the desulfurizer 10 contained 10 ppb of sulfur compound. Further, since it is assumed that the product life of the hydrogen generator 400 is 60,000 hours and the average raw material supply rate is 2NLM, a total of 100 mg of sulfur compounds are supplied to the reforming catalyst 101 as sulfur atoms after the endurance.

原料の供給速度が3NLMである際、改質触媒入口102の温度を下限温度以下の350℃とし、原料の供給速度が1NLMである際にも、改質触媒入口102の温度を下限温度の350℃とした場合には、耐久後に全改質触媒の体積500ccのうち、改質触媒入口102側から390ccの改質触媒101に硫黄化合物が吸着した。   When the feed rate of the raw material is 3NLM, the temperature of the reforming catalyst inlet 102 is set to 350 ° C. below the lower limit temperature, and even when the feed rate of the raw material is 1 NLM, the temperature of the reforming catalyst inlet 102 is set to 350 ° C., which is the lower limit temperature. In the case where the temperature was set to 0 ° C., sulfur compounds were adsorbed on the reforming catalyst 101 of 390 cc from the reforming catalyst inlet 102 side out of the total reforming catalyst volume of 500 cc after the endurance.

改質触媒出口103部分にも硫黄化合物が吸着したため、原料の供給速度が3NLMである際の水素生成量は、初期に12NLMであったが、耐久後に9.6NLMまで低下した。   Since the sulfur compound was also adsorbed at the reforming catalyst outlet 103, the amount of hydrogen produced when the feed rate of the raw material was 3NLM was initially 12NLM, but decreased to 9.6NLM after the endurance.

一方、原料の供給速度が3NLMである際、改質触媒入口102の温度を下限温度である400℃とし、原料の供給速度が1NLMである際、改質触媒入口102の温度を下限温度である350℃とした場合には、耐久後に、全改質触媒の体積500ccのうち、改質触媒入口102側から240ccの改質触媒101に硫黄化合物が吸着した。   On the other hand, when the feed rate of the raw material is 3NLM, the temperature of the reforming catalyst inlet 102 is 400 ° C. which is the lower limit temperature, and when the feed rate of the raw material is 1NLM, the temperature of the reforming catalyst inlet 102 is the lower limit temperature. In the case of 350 ° C., the sulfur compound was adsorbed to the 240 cc reforming catalyst 101 from the reforming catalyst inlet 102 side out of the total reforming catalyst volume of 500 cc after the endurance.

改質触媒出口103部分に硫黄化合物が吸着しなかったため、原料の供給速度が3NLMである際の水素生成量は10.8NLMを維持した。   Since the sulfur compound was not adsorbed on the reforming catalyst outlet 103 portion, the hydrogen generation amount was maintained at 10.8 NLM when the feed rate of the raw material was 3 NLM.

以上のように、本実施の形態の水素生成装置では、改質触媒層の入口に比べ出口の温度を高くなるよう温度分布を設定し、原料の供給速度が遅い場合にくらべ、速い場合に、改質触媒入口102の下限温度を高くすることで、硫黄化合物と改質触媒101中のRuとの化学吸着反応速度を促進させることができる。   As described above, in the hydrogen generator of the present embodiment, the temperature distribution is set so that the outlet temperature is higher than the inlet of the reforming catalyst layer, and when the feed rate of the raw material is low, Increasing the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102 can accelerate the chemisorption reaction rate between the sulfur compound and Ru in the reforming catalyst 101.

そのため、改質触媒層の出口への硫黄化合物の吸着を抑制し、水素生成装置の水素生成量低下を抑制することができる。その結果、水素生成装置の寿命を延ばすことができる。   Therefore, adsorption of sulfur compounds at the outlet of the reforming catalyst layer can be suppressed, and a decrease in the hydrogen generation amount of the hydrogen generator can be suppressed. As a result, the lifetime of the hydrogen generator can be extended.

ここでは、原料の供給速度が3NMLの際に改質触媒入口102の温度を400℃、原料供給速度が1NMLの際に改質触媒入口102の温度を350℃としたが、下限温度以上であれば、この限りではなく、原料の供給速度が遅い場合に比べ、速い場合に、改質触媒入口102の温度が同じでも、高くてもよい。   Here, the temperature of the reforming catalyst inlet 102 is 400 ° C. when the feed rate of the raw material is 3 NML, and the temperature of the reforming catalyst inlet 102 is 350 ° C. when the feed rate of the raw material is 1 NML. For example, the temperature of the reforming catalyst inlet 102 may be the same or higher when the feed rate is higher than when the feed rate is low.

なお、本実施の形態では、上記の水素生成装置の構成および運転方法を用いたが、これに限るものでなく、下記のような構成および運転方法を用いることができる。   In the present embodiment, the above-described configuration and operation method of the hydrogen generator are used. However, the present invention is not limited to this, and the following configuration and operation method can be used.

本実施の形態では、改質器100における水素含有ガスの生成のために、水蒸気改質反応を用いたが、原料から水素含有ガスが生成される反応であれば、いずれの反応でも構わず、他にオートサーマル反応、部分酸化反応などが例示され、その組み合わせでもよい。   In the present embodiment, the steam reforming reaction is used to generate the hydrogen-containing gas in the reformer 100. However, any reaction may be used as long as the hydrogen-containing gas is generated from the raw material. Other examples include autothermal reaction and partial oxidation reaction, and combinations thereof may be used.

改質触媒101に、アルミナビーズを担体としてRuを担持させたものを用いたが、改質反応を進行させることが可能であれば、いずれの触媒であっても構わない。   As the reforming catalyst 101, a catalyst in which Ru is supported using alumina beads as a carrier is used, but any catalyst may be used as long as the reforming reaction can proceed.

一般的に、Ruの他に、Pt、Rh、Pd、Ir、Re及びNiからなる群の中から選択される少なくとも1種の触媒金属に好適に用いられてもよい。異なる触媒金属を担持させた触媒複数種を原料の流通方向に対して、直列に設置してもよい。また、担体としてハニカムを用いることもできる。   In general, in addition to Ru, it may be suitably used for at least one catalyst metal selected from the group consisting of Pt, Rh, Pd, Ir, Re, and Ni. A plurality of types of catalysts carrying different catalytic metals may be installed in series with respect to the flow direction of the raw material. A honeycomb can also be used as the carrier.

本実施の形態では、原料として都市ガスを用いたが、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物が含まれていればよく、具体的には、天然ガス、都市ガス、LPG、LNG等の炭化水素、及びメタノール、エタノール等のアルコールが例示される。   In the present embodiment, city gas is used as a raw material, but it is sufficient that an organic compound having at least carbon and hydrogen as constituent elements is contained. Specifically, natural gas, city gas, LPG, LNG, etc. Examples are hydrocarbons and alcohols such as methanol and ethanol.

脱硫器10には吸着脱硫器を用いたが、脱硫方式には他に水添脱硫方式があり、改質器100で生成された水素含有ガスの一部を脱硫器10に供給するためのリサイクルガス経路(図示せず)を備え、脱硫器10に充填される水添脱硫触媒としては、CuZn系触媒(CoMo系触媒などとの組み合わせも含む)などが挙げられる。   An adsorptive desulfurizer is used as the desulfurizer 10, but there is another hydrodesulfurization method as a desulfurization method, and recycling for supplying a part of the hydrogen-containing gas generated in the reformer 100 to the desulfurizer 10. Examples of the hydrodesulfurization catalyst provided with a gas path (not shown) and filled in the desulfurizer 10 include a CuZn-based catalyst (including a combination with a CoMo-based catalyst).

また、脱硫方式として、水添脱硫方式と吸着脱硫方式とを組み合わせて用いる構成も取ることができる。例えば、リサイクルガス経路から水素含有ガスを水添脱硫方式の脱硫器10に供給できない起動時や停止時のステップにおいて、吸着脱硫方式の脱硫器10に原料ガスを流通させ硫黄化合物を吸着脱硫する方法などである。   Moreover, the structure using combining a hydrodesulfurization system and an adsorption desulfurization system as a desulfurization system can also be taken. For example, a method of adsorbing and desulfurizing a sulfur compound by circulating a raw material gas through an adsorptive desulfurization type desulfurizer 10 at a start-up or stop step when hydrogen-containing gas cannot be supplied to a hydrodesulfurization type desulfurizer 10 from a recycle gas path. Etc.

CO低減器150に改質器100を隣接させ、伝熱によりCO低減器を加熱する方法を用いたが、加熱器20により直接加熱する方法を用いてもよく、併用してもよい。改質器100とCO低減器150からなる構成を採っているが、水素利用機器201が水素含有ガスのCO濃度の上限を設けていなければ、CO低減器150を設ける必要はなく、改質器100のみからなる構成でもよい。   Although the reformer 100 is adjacent to the CO reducer 150 and the CO reducer is heated by heat transfer, the method of directly heating by the heater 20 may be used or may be used in combination. Although the structure which consists of the reformer 100 and the CO reducer 150 is taken, if the hydrogen utilization apparatus 201 does not provide the upper limit of the CO concentration of the hydrogen-containing gas, it is not necessary to provide the CO reducer 150. A configuration consisting of only 100 is also possible.

改質器温度検知器80およびCO低減器温度検知器90として熱電対を用いたが、他にサーミスタなどが例示される。なお、改質器100およびCO低減器150の内部の触媒温度を直接測定することが望ましいが、検知された値から触媒温度を推定できるのであれば、改質器100およびCO低減器150の外部、あるいは近傍に温度検知部を設置してもかまわない。   Thermocouples are used as the reformer temperature detector 80 and the CO reducer temperature detector 90, but other examples include a thermistor. Although it is desirable to directly measure the catalyst temperature inside the reformer 100 and the CO reducer 150, if the catalyst temperature can be estimated from the detected value, the outside of the reformer 100 and the CO reducer 150 Alternatively, a temperature detector may be installed in the vicinity.

原料供給器31には、昇圧器及び流量調整弁の組み合わせを用いたが、少なくともいずれか一方により構成されればよい。水供給器51には、ポンプ及び流量調整弁の組み合わせを用いたが、少なくともいずれか一方により構成されればよい。また、水供給量検出器50によって水の供給量の調整を行ったが、操作量に基づいて行ってもよい。   The raw material supplier 31 uses a combination of a booster and a flow rate adjustment valve, but may be configured by at least one of them. Although the combination of the pump and the flow rate adjusting valve is used for the water supply device 51, it may be configured by at least one of them. Further, although the water supply amount is adjusted by the water supply amount detector 50, the adjustment may be performed based on the operation amount.

加熱器20には燃焼器を用いたが、少なくとも燃焼器を含めばよく、ヒータを併用しても構わない。加熱器20の燃料には、改質器100にて改質反応を行わずに排出される原料、もしくは、改質器100より排出される水素含有ガスを用いたが、燃料供給器(図示せず)から直接供給される燃料を用いてもよい。   Although the combustor is used as the heater 20, at least the combustor may be included, and a heater may be used in combination. As the fuel for the heater 20, a raw material discharged without performing the reforming reaction in the reformer 100 or a hydrogen-containing gas discharged from the reformer 100 is used. May be used directly.

加熱器20に供給される水素含有ガスは、改質器100から加熱器20に直接供給されてもよいし、水素利用機器201を経由し、水素利用機器201から排出されて加熱器20に供給されてもよい。加熱器20において、燃料供給器(図示せず)から水素含有ガスに燃料を追加して燃焼されてもよい。   The hydrogen-containing gas supplied to the heater 20 may be supplied directly from the reformer 100 to the heater 20, or is discharged from the hydrogen utilization device 201 via the hydrogen utilization device 201 and supplied to the heater 20. May be. In the heater 20, the fuel may be added to the hydrogen-containing gas from a fuel supplier (not shown) and burned.

本実施の形態では、空気供給器71には、ファンを用いたが、ファン及びポンプの少なくともいずれか一方により構成されればよい。空気供給量検出器70によって空気の供給量の調整を行ったが、操作量に基づいて供給量を調整してもよい。   In the present embodiment, a fan is used as the air supply unit 71, but it may be configured by at least one of a fan and a pump. Although the air supply amount is adjusted by the air supply amount detector 70, the supply amount may be adjusted based on the operation amount.

制御器300は、制御機能を有するものであれば、水素生成装置400全体あるいは一部を制御するどのような制御装置でもよい。演算部301としては、MPUの他に、CPUなどが例示される。   The controller 300 may be any controller that controls the whole or a part of the hydrogen generator 400 as long as it has a control function. As the computing unit 301, a CPU or the like is exemplified in addition to the MPU.

制御器300は、単独の制御器でも複数の制御器でもよい。つまり、制御器300のそれぞれが、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、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。この点は、後述の他の実施形態の制御器においても同様である。   The controller 300 may be a single controller or a plurality of controllers. That is, each of the controllers 300 may be configured by a single controller that performs centralized control, or may be configured by a plurality of controllers that perform distributed control in cooperation with each other. This also applies to controllers of other embodiments described later.

図3は、実施の形態1の実施例1にかかる水素生成装置の原料の供給速度と改質触媒入口の下限温度との関係の一例を示す図である。   FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the relationship between the feed rate of the raw material of the hydrogen generator according to Example 1 of the first embodiment and the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet.

本実施例では、図3に示すように、原料の供給速度に閾値を設定し、原料の供給速度が2NML以下の場合に改質触媒入口102の下限温度を350℃に設定し、原料の供給速度が2NMLより高い場合に改質触媒入口102の下限温度を400℃に設定した。   In this embodiment, as shown in FIG. 3, a threshold is set for the feed rate of the raw material, and when the feed rate of the raw material is 2 NML or less, the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102 is set to 350 ° C. When the speed was higher than 2NML, the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102 was set to 400 ° C.

以上のように、本実施例においては、原料の供給速度に閾値を設け、原料の供給速度が閾値より高い場合よりも、閾値以下の場合に、改質触媒入口102の下限温度を高くすることにより、硫黄化合物と改質触媒101中のRuとの化学吸着反応速度を促進させることができる。   As described above, in this embodiment, a threshold value is provided for the feed rate of the raw material, and the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102 is increased when the feed rate of the raw material is lower than the threshold value than when the feed rate is higher than the threshold value. Thus, the chemisorption reaction rate between the sulfur compound and Ru in the reforming catalyst 101 can be promoted.

そのため、改質触媒層の出口への硫黄化合物の吸着を抑制し、水素生成装置の水素生成量低下を抑制することができる。その結果、水素生成装置の寿命を延ばすことができる。   Therefore, adsorption of sulfur compounds at the outlet of the reforming catalyst layer can be suppressed, and a decrease in the hydrogen generation amount of the hydrogen generator can be suppressed. As a result, the lifetime of the hydrogen generator can be extended.

ここでは、原料の供給速度の閾値を2NMLと設定しているが、この速度に限るものではない。また、改質触媒入口102の下限温度に関しても改質触媒入口102の各下限温度に限るものではない。   Here, the threshold value of the raw material supply rate is set to 2 NML, but it is not limited to this rate. Further, the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102 is not limited to each lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102.

図4は、実施の形態1の実施例1にかかる水素生成装置400の原料の供給速度と改質
触媒入口の下限温度との関係の一例を示す図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a relationship between a raw material supply rate of the hydrogen generator 400 according to Example 1 of the first embodiment and a lower limit temperature of the reforming catalyst inlet.

本実施例では、図4に示すように、原料の供給速度に複数の閾値を設定し、原料の供給速度が速いほど改質触媒入口102の下限温度を高くするようステップ状に設定した。具体的には、原料の供給速度が2.6NMLより速いある場合に、改質触媒入口102の下限温度を400℃に設定し、原料の供給速度が2.6NML以下で2.2NMLより速い場合に改質触媒入口102の下限温度を390℃に設定し、以降、1.8NML,1.4NMLに閾値を設け、1.4NML以下の場合に、改質触媒入口102の下限温度を350℃に設定し、水素生成装置400の運転を行った。   In this embodiment, as shown in FIG. 4, a plurality of threshold values are set for the feed rate of the raw material, and the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102 is set to be higher as the feed rate of the raw material is higher. Specifically, when the feed rate of the raw material is higher than 2.6 NML, the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102 is set to 400 ° C., and the feed rate of the raw material is 2.6 NML or less and faster than 2.2 NML Then, the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102 is set to 390 ° C., and thereafter, thresholds are set at 1.8 NML and 1.4 NML. When the lower limit temperature is 1.4 NML or lower, the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102 is set to 350 ° C. The hydrogen generator 400 was set up and operated.

以上のように、本実施例においては、原料の供給速度に複数の閾値を設け、原料の供給速度が閾値以下の場合よりも、閾値より速い場合に、改質触媒入口102の下限温度を高くすることにより、改質触媒層の出口への硫黄化合物の吸着を抑制し、水素生成装置の水素生成量低下を抑制することができる。   As described above, in this embodiment, a plurality of threshold values are provided for the feed rate of the raw material, and the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102 is set higher when the feed rate of the raw material is faster than the threshold value than when the feed rate is lower than the threshold value. By doing so, adsorption | suction of the sulfur compound to the exit of a reforming catalyst layer can be suppressed, and the hydrogen production amount fall of a hydrogen generator can be suppressed.

その結果、水素生成装置の寿命を延ばすことができる。さらに、原料の供給速度が遅い場合に比べ原料の供給速度が速い場合に改質触媒101の硫黄化合物の吸着性能の低下を原料の供給速度に対しより細かい間隔でステップ毎に抑制できるため、水素生成装置の寿命を長くすることができる。   As a result, the lifetime of the hydrogen generator can be extended. Further, since the decrease in the adsorption performance of the sulfur compound of the reforming catalyst 101 can be suppressed for each step at a finer interval with respect to the feed rate of the raw material when the feed rate of the raw material is faster than when the feed rate of the raw material is slow. The lifetime of the generator can be increased.

ただし、原料の供給速度の閾値の設定数は本実施例で設定した数の限りではなく、閾値を等間隔に設定しなくともよい。また、改質触媒入口102の下限温度に関しても改質触媒入口102の各下限温度に限るものではない。   However, the set number of threshold values of the raw material supply speed is not limited to the number set in the present embodiment, and the threshold values may not be set at equal intervals. Further, the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102 is not limited to each lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102.

図5は、実施の形態1の実施例3にかかる水素生成装置400の改質触媒入口の下限温度と原料の供給速度との関係の一例を示す図である。   FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the relationship between the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet of the hydrogen generator 400 according to Example 3 of the first embodiment and the feed rate of the raw material.

本実施例では、図5に示すように、原料の供給速度が速いほど改質触媒入口102の下限温度を高くするように、原料の供給速度と改質触媒入口102の下限温度を関数の関係に設定し、原料の供給速度と改質触媒入口102の下限温度を連続的に設定するようにした。   In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the relationship between the feed rate of the raw material and the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102 is a function relationship so that the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102 becomes higher as the feed rate of the raw material becomes higher. The feed rate of the raw material and the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102 were set continuously.

具体的には、原料の供給速度Rと改質触媒入口102の下限温度Tinが、Tin=25×R+325で示される一次関数となるよう、改質触媒入口102の下限温度を設定し、その結果、原料の供給速度が1NLMの場合、水素生成装置400の改質触媒入口102の下限温度を350℃に設定し、3NLMの場合に、改質触媒入口102の下限温度を400℃に設定するよう、水素生成装置400の運転を行った。   Specifically, the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102 is set so that the feed rate R of the raw material and the lower limit temperature Tin of the reforming catalyst inlet 102 become a linear function represented by Tin = 25 × R + 325, and the result When the feed rate of the raw material is 1 NLM, the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102 of the hydrogen generator 400 is set to 350 ° C., and in the case of 3 NLM, the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102 is set to 400 ° C. Then, the hydrogen generator 400 was operated.

以上のように、本実施例においては、原料の供給速度が速い場合に改質触媒入口102の下限温度が高くなるよう、原料の供給速度により連続的に改質触媒入口102の下限温度を設定することにより、改質触媒層の出口への硫黄化合物の吸着を抑制し、水素生成装置の水素生成量低下を抑制することができる。   As described above, in this embodiment, the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102 is continuously set according to the raw material supply rate so that the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102 becomes higher when the raw material supply rate is high. By doing so, adsorption | suction of the sulfur compound to the exit of a reforming catalyst layer can be suppressed, and the hydrogen production amount fall of a hydrogen generator can be suppressed.

その結果、水素生成装置の寿命を延ばすことができる。さらに、原料の供給速度が遅い場合に比べ原料の供給速度が速い場合に増加する改質触媒101の硫黄化合物の吸着性能の低下を原料の供給速度に対し連続的に設定し、原料の供給速度に対して最適な硫黄化合物の吸着性能の低下の抑制を実現できるため、水素生成装置の寿命をさらに長くすることができる。   As a result, the lifetime of the hydrogen generator can be extended. Further, the lowering of the sulfur compound adsorption performance of the reforming catalyst 101, which is increased when the raw material supply rate is higher than that when the raw material supply rate is low, is continuously set with respect to the raw material supply rate. In contrast, since it is possible to suppress the decrease in the adsorption performance of the optimum sulfur compound, the life of the hydrogen generator can be further extended.

ここでは、原料の供給速度と改質触媒入口102の下限温度の関係を一次関数で設定しているがこの限りではなく、他の関数でもよいし、閾値を設けて、それぞれ異なる関数を設定してもよい。また、改質触媒入口102の下限温度に関しても改質触媒入口102の各下限温度に限るものではない。   Here, the relationship between the feed rate of the raw material and the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102 is set by a linear function. However, the present invention is not limited to this, and other functions may be used, and different functions may be set by providing threshold values. May be. Further, the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102 is not limited to each lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102.

(実施の形態2)
水素生成装置の構成、改質触媒入口の温度の制御については、実施の形態1と同様のため、説明を省略する。
(Embodiment 2)
Since the configuration of the hydrogen generator and the control of the reforming catalyst inlet temperature are the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted.

以下、実施の形態2の水素生成装置400の動作、作用について説明する。なお、以下の動作、作用は、制御器300が水素生成装置400を制御することによって行われる。   Hereinafter, the operation and action of the hydrogen generator 400 of Embodiment 2 will be described. The following operations and actions are performed by the controller 300 controlling the hydrogen generator 400.

水素生成装置400は、水素利用機器が4NLMの水素量を必要とする場合、原料の供給速度を1NLMとし、必要水素量を供給する。水素利用機器が12NLMの水素量を必要とする場合、原料の供給速度を3NLMとし、必要水素量を供給する。本実施の形態の水素生成装置400では、改質器100に500ccの改質触媒101を充填し、原料の供給速度が1NLMであるときの改質触媒出口103の上限温度を700℃、原料の供給速度が3NLMであるときの改質触媒出口103の上限温度を660℃となるよう制御した。水素生成装置400の商品寿命として6万時間、平均の原料の供給速度を2NLMとを想定したため、耐久後には、原料の総供給量として7200m3が改質触媒101に供給される。   When the hydrogen-using device requires a 4NLM amount of hydrogen, the hydrogen generator 400 supplies the necessary amount of hydrogen with a raw material supply rate of 1NLM. When the hydrogen utilization device requires a hydrogen amount of 12 NLM, the supply rate of the raw material is set to 3 NLM and the necessary hydrogen amount is supplied. In the hydrogen generator 400 of the present embodiment, the reformer 100 is charged with 500 cc of the reforming catalyst 101, the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103 when the feed rate of the feed is 1 NLM, The upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103 when the supply rate was 3NLM was controlled to be 660 ° C. Since the product life of the hydrogen generator 400 is assumed to be 60,000 hours and the average feed rate of the raw material is 2 NLM, 7200 m 3 is supplied to the reforming catalyst 101 as a total feed amount after the endurance.

原料の供給速度が3NLMである際、改質触媒出口103の温度を上限温度以上の680℃とし、原料の供給速度が1NLMである際、改質触媒出口103の温度を上限温度の640℃とした場合には、初期に0.5cm3/gであったRuの表面積を示すCO吸着量が、耐久後に改質触媒出口103で0.1cm3/gとなり、水素生成に必要なRu表面積が低下したため、原料の供給速度が3NLMである際の水素生成量は、初期に12NLMであったが、耐久後に10.3NLMまで低下した。 When the feed rate of the raw material is 3NLM, the temperature of the reforming catalyst outlet 103 is set to 680 ° C. which is equal to or higher than the upper limit temperature, and when the feed rate of the raw material is 1NLM, the temperature of the reforming catalyst outlet 103 is set to 640 ° C. which is the upper limit temperature. In this case, the CO adsorption amount indicating the surface area of Ru, which was 0.5 cm 3 / g in the initial stage, becomes 0.1 cm 3 / g at the reforming catalyst outlet 103 after endurance, and the Ru surface area necessary for hydrogen generation is Due to the decrease, the amount of hydrogen produced when the feed rate of the raw material was 3NLM was initially 12 NLM, but decreased to 10.3 NLM after the endurance.

本実施の形態では、原料の供給速度が3NLMである際、改質触媒出口103の温度を上限温度の660℃とし、原料の供給速度が1NLMである際、改質触媒出口103の温度も上限温度以下の660℃とした場合には、初期に0.5cm3/gであったRuの表面積を示すCO吸着量が、耐久後に改質触媒出口103で0.3cm3/gとなり、Ru表面積の低下を抑制できたため、原料の供給速度が3NLMである際の水素生成量は10.9NLMを維持した。 In the present embodiment, when the feed rate of the raw material is 3NLM, the temperature of the reforming catalyst outlet 103 is set to the upper limit temperature of 660 ° C., and when the feed rate of the raw material is 1 NLM, the temperature of the reforming catalyst outlet 103 is also set to the upper limit. When the temperature is 660 ° C. or lower, the CO adsorption amount indicating the surface area of Ru, which was 0.5 cm 3 / g in the initial stage, becomes 0.3 cm 3 / g at the reforming catalyst outlet 103 after the endurance, and the Ru surface area Therefore, the hydrogen generation amount was maintained at 10.9 NLM when the feed rate of the raw material was 3 NLM.

以上のように、本実施の形態の水素生成装置では、改質触媒層の入口に比べ出口の温度を高くなるよう温度分布を設定し、原料の供給速度が速い場合の改質触媒出口103の上限温度を、遅い場合の改質触媒出口103の上限温度以下にすることで、水素生成装置の性能低下を抑制することができる。   As described above, in the hydrogen generator of the present embodiment, the temperature distribution is set so that the outlet temperature is higher than the inlet of the reforming catalyst layer, and the reforming catalyst outlet 103 when the feed rate of the raw material is high is set. By setting the upper limit temperature to be equal to or lower than the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103 when it is slow, it is possible to suppress a decrease in performance of the hydrogen generator.

これは、触媒のシンタリングは、反応温度が高いほど促進され、また、原料の供給速度が速いほど改質触媒101で反応量が多くなることで促進されるが、原料の供給速度が速い場合の触媒のシンタリングを改質触媒出口103の温度を低くすることで抑制し、性能低下を抑制できるためである。その結果、水素生成装置の寿命を延ばすことができる。   This is because the sintering of the catalyst is promoted as the reaction temperature is higher, and the reaction rate is increased in the reforming catalyst 101 as the feed rate of the raw material is faster, but the feed rate of the raw material is faster. This is because the sintering of this catalyst can be suppressed by lowering the temperature of the reforming catalyst outlet 103, and the performance degradation can be suppressed. As a result, the lifetime of the hydrogen generator can be extended.

本実施の形態では、原料の供給速度が3NMLの際、速度が1NMLの際、ともに改質触媒出口103の温度を660℃としたが、上限温度以下であれば、この限りではなく、原料の供給速度が遅い場合に比べ、速い場合に、改質触媒入口102の温度が、高くても低くてもよい。   In the present embodiment, when the feed rate of the raw material is 3 NML and the speed is 1 NML, the temperature of the reforming catalyst outlet 103 is set to 660 ° C. The temperature of the reforming catalyst inlet 102 may be higher or lower when it is faster than when the supply rate is slower.

図6は、実施の形態2の実施例4にかかる水素生成装置の原料の供給速度と改質触媒出口の上限温度との関係の一例を示す図である。   FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the relationship between the feed rate of the raw material of the hydrogen generator according to Example 4 of the second embodiment and the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet.

本実施例では、図6に示すように、原料の供給速度に閾値を設定し、原料の供給速度が2NML以下の場合に改質触媒出口103の上限温度を700℃に設定し、原料の供給速度が2NMLより高い場合に改質触媒出口103の上限温度を660℃に設定した。   In this embodiment, as shown in FIG. 6, a threshold is set for the feed rate of the raw material, and when the feed rate of the raw material is 2 NML or less, the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103 is set to 700 ° C. When the speed was higher than 2 NML, the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103 was set to 660 ° C.

以上のように、本実施例においては、原料の供給速度に閾値を設け、原料の供給速度が閾値より高い場合よりも、閾値以下場合に、改質触媒出口103の上限温度を高くすることにより、改質触媒出口103の触媒のシンタリングを抑制し、水素生成装置の水素生成量低下を抑制することができる。その結果、水素生成装置の寿命を延ばすことができる。   As described above, in this embodiment, a threshold value is provided for the feed rate of the raw material, and the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103 is increased when the feed rate of the raw material is lower than the threshold value than when the feed rate is higher than the threshold value. Thus, sintering of the catalyst at the reforming catalyst outlet 103 can be suppressed, and a decrease in the hydrogen generation amount of the hydrogen generator can be suppressed. As a result, the lifetime of the hydrogen generator can be extended.

ここでは、原料の供給速度の閾値を2NMLと設定しているが、この速度に限るものではない。また、改質触媒出口103の上限温度に関しても改質触媒出口103の各上限温度に限るものではない。   Here, the threshold value of the raw material supply rate is set to 2 NML, but it is not limited to this rate. Further, the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103 is not limited to each upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103.

図7は、実施の形態2の実施例5にかかる水素生成装置400の原料の供給速度と改質触媒出口103の上限温度との関係の一例を示す図である。   FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the relationship between the raw material supply speed of the hydrogen generator 400 according to Example 5 of the second embodiment and the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103.

本実施例では、図7に示すように、原料の供給速度に複数の閾値を設定し、原料の供給速度が速いほど改質触媒出口103の上限温度を高くするようステップ状に設定した。具体的には、原料の供給速度が2.6NMLより速いある場合に、改質触媒出口103の上限温度を660℃に設定し、原料の供給速度が2.6NML以下で2.2NMLより速い場合に改質触媒出口103の上限温度を668℃に設定し、以降、1.8NML,1.4NMLに閾値を設け、1.4NML以下の場合に、改質触媒出口103の上限温度を700℃に設定し、水素生成装置400の運転を行った。   In this embodiment, as shown in FIG. 7, a plurality of threshold values are set for the feed rate of the raw material, and the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103 is set to be higher as the feed rate of the raw material is higher. Specifically, when the feed rate of the raw material is faster than 2.6 NML, the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103 is set to 660 ° C., and the feed rate of the raw material is 2.6 NML or less and faster than 2.2 NML Then, the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103 is set to 668 ° C., and a threshold value is set to 1.8 NML and 1.4 NML, and the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103 is set to 700 ° C. when 1.4 NML or less. The hydrogen generator 400 was set up and operated.

以上のように、本実施例においては、原料の供給速度に複数の閾値を設け、原料の供給速度が閾値以下の場合よりも、閾値より速い場合に、改質触媒出口103の上限温度を高くすることにより、改質触媒出口103の触媒のシンタリングを抑制し、水素生成装置の水素生成量低下を抑制することができる。   As described above, in this embodiment, a plurality of threshold values are provided for the feed rate of the raw material, and the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103 is increased when the feed rate of the raw material is faster than the threshold value, compared to the case where the feed rate is lower than the threshold value. By doing so, the sintering of the catalyst at the reforming catalyst outlet 103 can be suppressed, and the decrease in the hydrogen generation amount of the hydrogen generator can be suppressed.

その結果、水素生成装置の寿命を延ばすことができる。さらに、原料の供給速度が遅い場合に比べ原料の供給速度が速い場合に、改質触媒出口103の触媒のシンタリングを原料の供給速度に対しより細かい間隔でステップ毎に抑制できるため、水素生成装置の寿命を長くすることができる。   As a result, the lifetime of the hydrogen generator can be extended. Furthermore, when the feed rate of the raw material is higher than when the feed rate of the raw material is slow, the sintering of the catalyst at the reforming catalyst outlet 103 can be suppressed step by step at a finer interval than the feed rate of the raw material. The lifetime of the device can be extended.

ただし、原料の供給速度の閾値の設定数は本実施例で設定した数の限りではなく、閾値を等間隔に設定しなくともよい。また、改質触媒出口103の上限温度に関しても改質触媒出口103の各上限温度に限るものではない。   However, the set number of threshold values of the raw material supply speed is not limited to the number set in the present embodiment, and the threshold values may not be set at equal intervals. Further, the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103 is not limited to each upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103.

図8は、実施の形態2の実施例6にかかる水素生成装置の改質触媒出口の上限温度と原料の供給速度との関係の一例を示す図である。   FIG. 8 is a diagram illustrating an example of the relationship between the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet of the hydrogen generator according to Example 6 of the second embodiment and the feed rate of the raw material.

本実施例では、図8に示すように、原料の供給速度が速いほど改質触媒出口103の上限温度を高くするように、原料の供給速度と改質触媒出口103の上限温度を関数の関係
に設定し、原料の供給速度と改質触媒出口103の上限温度を連続的に設定するようにした。
In this embodiment, as shown in FIG. 8, the relationship between the feed rate of the raw material and the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103 is a function so that the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103 becomes higher as the feed rate of the raw material becomes higher. The feed rate of the raw material and the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103 were set continuously.

具体的には、原料の供給速度Rと改質触媒出口103の上限温度Tinが、Tin=−20×R+720で示される一次関数となるよう、改質触媒出口103の上限温度を設定し、その結果、原料の供給速度が1NLMの場合、水素生成装置400の改質触媒出口103の上限温度を700℃に設定し、3NLMの場合に、改質触媒出口103の上限温度を660℃に設定するよう、水素生成装置400の運転を行った。   Specifically, the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103 is set so that the feed rate R of the raw material and the upper limit temperature Tin of the reforming catalyst outlet 103 become a linear function represented by Tin = −20 × R + 720. As a result, when the feed rate of the raw material is 1 NLM, the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103 of the hydrogen generator 400 is set to 700 ° C., and when 3 NLM, the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103 is set to 660 ° C. Thus, the operation of the hydrogen generator 400 was performed.

以上のように、本実施例においては、原料の供給速度が速い場合に改質触媒出口103の上限温度が高くなるよう、原料の供給速度により連続的に改質触媒出口103の上限温度を設定することにより、改質触媒出口103の触媒のシンタリングを抑制し、水素生成装置の水素生成量低下を抑制することができる。   As described above, in this embodiment, the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103 is continuously set according to the raw material supply rate so that the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103 becomes higher when the raw material supply rate is high. By doing so, the sintering of the catalyst at the reforming catalyst outlet 103 can be suppressed, and the decrease in the hydrogen generation amount of the hydrogen generator can be suppressed.

その結果、水素生成装置の寿命を延ばすことができる。さらに、原料の供給速度が遅い場合に比べ原料の供給速度が速い場合に増加する改質触媒出口103の触媒のシンタリングを原料の供給速度に対し連続的に設定し、原料の供給速度に対して最適な触媒のシンタリングの抑制を実現できるため、水素生成装置の寿命をより長くすることができる。   As a result, the lifetime of the hydrogen generator can be extended. Furthermore, the sintering of the catalyst at the reforming catalyst outlet 103, which is increased when the raw material supply rate is higher than when the raw material supply rate is low, is set continuously with respect to the raw material supply rate. In addition, since the optimum sintering of the catalyst can be suppressed, the life of the hydrogen generator can be further extended.

ここでは、原料の供給速度と改質触媒出口103の上限温度の関係を一次関数で設定しているがこの限りではなく、他の関数でもよいし、閾値を設けて、それぞれ異なる関数を設定してもよい。また、改質触媒出口103の上限温度に関しても改質触媒出口103の各上限温度に限るものではない。   Here, the relationship between the feed rate of the raw material and the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103 is set by a linear function. However, the present invention is not limited to this, and other functions may be used, and different functions may be set by providing threshold values. May be. Further, the upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103 is not limited to each upper limit temperature of the reforming catalyst outlet 103.

(実施の形態3)
図9は、本発明の実施の形態3にかかる改質器100と加熱器20の構成の一例を示すブロック図である。本実施の形態の水素生成装置400は、図1と同様の構成であるため重複する説明は省略し、異なる部分について説明をする。
(Embodiment 3)
FIG. 9 is a block diagram showing an example of the configuration of the reformer 100 and the heater 20 according to the third embodiment of the present invention. Since the hydrogen generator 400 according to the present embodiment has the same configuration as that of FIG. 1, redundant description will be omitted, and different parts will be described.

改質器100の反応容器は同心2重円筒形状で、外筒111と内筒112で囲まれた空間の上下端面を中空2重円筒形状の上面板113と底面板114とで閉塞した縦型の容器である。改質触媒101は、反応容器に充填されている。原料および水は上方より供給され、改質反応を行い生成した水素含有ガスは下方に排出される。   The reaction vessel of the reformer 100 has a concentric double cylindrical shape, and is a vertical type in which the upper and lower end surfaces of the space surrounded by the outer cylinder 111 and the inner cylinder 112 are closed with a hollow double cylindrical upper surface plate 113 and a bottom surface plate 114. The container. The reforming catalyst 101 is filled in a reaction vessel. The raw material and water are supplied from above, and the hydrogen-containing gas generated by the reforming reaction is discharged downward.

加熱器20は燃焼器で構成され、燃料および空気は上方より供給され、火炎21は下向きに保持され、燃焼反応を行い、燃焼排ガスは下方に排出される。加熱器20は改質器100と熱交換可能なように改質触媒101より上部に構成され、火炎21の元は改質触媒101より上部に位置し、火炎21の先端は改質触媒入口102と改質触媒出口103の間に位置する。   The heater 20 is composed of a combustor, fuel and air are supplied from above, the flame 21 is held downward, a combustion reaction is performed, and the combustion exhaust gas is discharged downward. The heater 20 is configured above the reforming catalyst 101 so as to be able to exchange heat with the reformer 100, the origin of the flame 21 is located above the reforming catalyst 101, and the tip of the flame 21 is the reforming catalyst inlet 102. And the reforming catalyst outlet 103.

以下、実施の形態3の水素生成装置400の動作、作用について説明する。なお、以下の動作、作用は、制御器300が水素生成装置400を制御することによって行われる。   Hereinafter, the operation and action of the hydrogen generator 400 of Embodiment 3 will be described. The following operations and actions are performed by the controller 300 controlling the hydrogen generator 400.

原料の供給速度が3NLMである際も1NLMである際も、空気供給量と燃料供給量の量論比であるλを1.5とした場合には、改質触媒入口102の温度は350℃となり、耐久後に全改質触媒の体積500ccのうち改質触媒入口102側から390ccの改質触媒101に硫黄化合物が吸着した。改質触媒出口103部分にも硫黄化合物が吸着したため、原料の供給速度が3NLMである際の水素生成量は初期に12NLMであったが、耐久後に9.6NLMまで低下した。   When the feed rate of the raw material is 3 NLM and 1 NLM, the temperature of the reforming catalyst inlet 102 is 350 ° C. when λ, which is the stoichiometric ratio between the air supply amount and the fuel supply amount, is 1.5. After the endurance, the sulfur compound was adsorbed on the 390 cc reforming catalyst 101 from the reforming catalyst inlet 102 side out of the total reforming catalyst volume of 500 cc. Since the sulfur compound was also adsorbed at the reforming catalyst outlet 103, the amount of hydrogen produced when the feed rate of the raw material was 3NLM was initially 12NLM, but decreased to 9.6NLM after the endurance.

本実施の形態では、原料の供給速度が3NLMである際に、λを2.0にすることで、λを1.5に設定する場合より、火炎21が短くなり、火炎21の先端が改質触媒出口103より改質触媒入口102を加熱するため、改質触媒入口102の温度は下限温度である400℃となった。原料の供給速度が1NLMである際にλを1.5とし、改質触媒入口102の温度は下限温度である350℃となった。   In the present embodiment, when the feed rate of the raw material is 3NLM, by setting λ to 2.0, the flame 21 becomes shorter than when λ is set to 1.5, and the tip of the flame 21 is modified. Since the reforming catalyst inlet 102 is heated from the quality catalyst outlet 103, the temperature of the reforming catalyst inlet 102 becomes 400 ° C. which is the lower limit temperature. When the feed rate of the raw material was 1 NLM, λ was 1.5, and the temperature of the reforming catalyst inlet 102 was 350 ° C., which is the lower limit temperature.

耐久後に、全改質触媒の体積500ccのうち、改質触媒入口102側から240ccの改質触媒101に硫黄化合物が吸着した。改質触媒出口103部分に硫黄化合物が吸着しなかったため、原料の供給速度が3NLMである際の水素生成量は10.8NLMを維持した。   After the endurance, sulfur compounds were adsorbed to the 240 cc reforming catalyst 101 from the reforming catalyst inlet 102 side out of the total reforming catalyst volume of 500 cc. Since the sulfur compound was not adsorbed on the reforming catalyst outlet 103 portion, the hydrogen generation amount was maintained at 10.8 NLM when the feed rate of the raw material was 3 NLM.

以上のように、本実施の形態の水素生成装置では、改質器100の加熱手段としての加熱器20に燃焼器を用い、λの制御により、新たな構成を設けずに、改質触媒入口102の温度を原料の供給速度によって適切に設定した下限温度以上に維持することができる。   As described above, in the hydrogen generator of the present embodiment, the combustor is used as the heater 20 as the heating means of the reformer 100, and the reforming catalyst inlet is not provided by providing a new configuration by controlling λ. The temperature of 102 can be maintained at or above the lower limit temperature appropriately set according to the feed rate of the raw material.

その結果、硫黄化合物を改質触媒に吸着させる十分な速度を維持することができ、改質触媒層入口側で硫黄化合物の吸着量を必要量確保できるため、改質触媒層出口側への硫黄化合物のスリップを抑制することができ、水素生成装置の性能低下を抑制することができる。そのため、水素生成装置の寿命を延ばすことができる。   As a result, a sufficient speed for adsorbing the sulfur compound to the reforming catalyst can be maintained, and a necessary amount of sulfur compound can be secured on the reforming catalyst layer inlet side. The slip of the compound can be suppressed, and the performance degradation of the hydrogen generator can be suppressed. Therefore, the lifetime of the hydrogen generator can be extended.

本実施の形態では、原料の供給速度が3NMLの際にλを2.0、原料供給速度が1NMLの際にλを1.5としたが、改質触媒入口102の温度が原料の供給速度によって設定される下限温度以上であればよく、この値に限るものではない。   In this embodiment, λ is 2.0 when the feed rate of the raw material is 3 NML, and λ is 1.5 when the feed rate of the raw material is 1 NML, but the temperature of the reforming catalyst inlet 102 is the feed rate of the raw material. It is sufficient that the temperature is equal to or higher than the lower limit temperature set by, and is not limited to this value.

(実施の形態4)
図10は、本発明の実施の形態4にかかる水素生成装置400の構成の一例を示すブロック図である。本実施の形態の水素生成装置400は、図1と同様の構成であるため、説明を省略し、異なる部分について説明をする。
(Embodiment 4)
FIG. 10 is a block diagram showing an example of the configuration of the hydrogen generator 400 according to Embodiment 4 of the present invention. Since the hydrogen generator 400 according to the present embodiment has the same configuration as that of FIG. 1, description thereof is omitted and only different portions will be described.

改質器100の反応容器は同心2重円筒形状で、外筒内116と内筒112で囲まれた空間の上下端面を中空2重円筒形状の上面板113と底面板114とで閉塞した縦型の容器である。改質触媒101は、反応容器に充填されている。   The reaction vessel of the reformer 100 has a concentric double cylindrical shape, and the upper and lower end surfaces of the space surrounded by the inner cylinder 116 and the inner cylinder 112 are closed by a hollow double cylindrical upper surface plate 113 and a bottom surface plate 114. This is a mold container. The reforming catalyst 101 is filled in a reaction vessel.

原料および水は上方より供給され、改質反応を行い生成した水素含有ガスは下方に排出される。外筒内116の外側に同心円筒の外筒外117を構成し、水素含有ガスは、外筒内116と外筒外117で囲まれた経路を上方に排出される。さらに、改質器100の上方には、CO低減器150と蒸発器52が構成される。   The raw material and water are supplied from above, and the hydrogen-containing gas generated by the reforming reaction is discharged downward. A concentric cylindrical outer cylinder 117 is formed outside the outer cylinder 116, and the hydrogen-containing gas is discharged upward along a path surrounded by the outer cylinder 116 and the outer cylinder 117. Further, a CO reducer 150 and an evaporator 52 are formed above the reformer 100.

CO低減器150の容器は外筒161と内筒外162で囲まれた空間の上下端面を中空2重円筒形状の上面板163と底面板164とで閉塞した縦型の容器である。蒸発器52は内筒外162と内筒内165に囲まれた空間からなる。CO低減器150と蒸発器52は、外側と内側に同心円筒状に、熱交換可能に構成される。   The container of the CO reducer 150 is a vertical container in which the upper and lower end surfaces of the space surrounded by the outer cylinder 161 and the inner cylinder outer 162 are closed by a hollow double cylindrical top plate 163 and bottom plate 164. The evaporator 52 includes a space surrounded by the inner cylinder outer 162 and the inner cylinder inner 165. The CO reducer 150 and the evaporator 52 are configured in a concentric cylindrical shape on the outer side and the inner side so that heat can be exchanged.

内筒112のうち側に同心円筒の燃焼筒166を構成し、燃焼器である加熱器20から排出される燃焼排ガスは、内筒112と燃焼筒166で囲まれた経路を、上方に排出される。   A concentric cylindrical combustion cylinder 166 is formed on the side of the inner cylinder 112, and combustion exhaust gas discharged from the heater 20 as a combustor is discharged upward along a path surrounded by the inner cylinder 112 and the combustion cylinder 166. The

以下、実施の形態2の水素生成装置400の動作、作用について説明する。なお、以下の動作、作用は、制御器300が水素生成装置400を制御することによって行われる。   Hereinafter, the operation and action of the hydrogen generator 400 of Embodiment 2 will be described. The following operations and actions are performed by the controller 300 controlling the hydrogen generator 400.

原料の供給速度が3NLMである際も1NLMである際も、原料と改質水とのスチーム/カーボンモル比であるS/Cを3.0とした場合には、改質触媒入口102の温度は350℃となり、耐久後に全改質触媒の体積500ccのうち改質触媒入口102側から390ccの改質触媒101に硫黄化合物が吸着した。改質触媒出口103部分にも硫黄化合物が吸着したため、原料の供給速度が3NLMである際の水素生成量は初期に12NLMであったが、耐久後に9.6NLMまで低下した。   Regardless of whether the feed rate of the raw material is 3NLM or 1NLM, when the S / C, which is the steam / carbon molar ratio of the raw material and reforming water, is 3.0, the temperature of the reforming catalyst inlet 102 350 ° C. After the endurance, the sulfur compound was adsorbed on the reforming catalyst 101 of 390 cc from the reforming catalyst inlet 102 side in the 500 cc volume of all the reforming catalysts. Since the sulfur compound was also adsorbed at the reforming catalyst outlet 103, the amount of hydrogen produced when the feed rate of the raw material was 3NLM was initially 12NLM, but decreased to 9.6NLM after the endurance.

本実施の形態では、原料の供給速度が3NLMである際に、S/Cを2.7にすることで、S/Cを3.0と設定する場合より、蒸発器52での水の蒸発量が減少するため、改質触媒入口102に供給される原料と水蒸気の混合ガスの温度が上がり、改質触媒入口102の温度は下限温度である400℃となった。   In the present embodiment, when the feed rate of the raw material is 3NLM, the S / C is set to 2.7, so that the evaporation of water in the evaporator 52 is made more than when the S / C is set to 3.0. Since the amount decreased, the temperature of the mixed gas of the raw material and steam supplied to the reforming catalyst inlet 102 increased, and the temperature of the reforming catalyst inlet 102 reached 400 ° C., which is the lower limit temperature.

原料の供給速度が1NLMである際にS/Cを3.0とし、改質触媒入口102の温度は下限温度である350℃となった。耐久後に、全改質触媒の体積500ccのうち、改質触媒入口102側から240ccの改質触媒101に硫黄化合物が吸着した。改質触媒出口103部分に硫黄化合物が吸着しなかったため、原料の供給速度が3NLMである際の水素生成量は10.8NLMを維持した。   When the feed rate of the raw material was 1 NLM, S / C was 3.0, and the temperature of the reforming catalyst inlet 102 was 350 ° C., which is the lower limit temperature. After the endurance, sulfur compounds were adsorbed to the 240 cc reforming catalyst 101 from the reforming catalyst inlet 102 side out of the total reforming catalyst volume of 500 cc. Since the sulfur compound was not adsorbed on the reforming catalyst outlet 103 portion, the hydrogen generation amount was maintained at 10.8 NLM when the feed rate of the raw material was 3 NLM.

以上のように本実施の形態の水素生成装置では、改質器100の温度制御手段として、S/Cを制御することにより、新たな構成を設けずに、改質触媒層入口の温度を原料の供給速度によって適切に設定した下限温度以上に維持することができる。   As described above, in the hydrogen generator of the present embodiment, the temperature of the reformer 100 is controlled by controlling the S / C so that the temperature at the inlet of the reforming catalyst layer is controlled without providing a new configuration. Can be maintained at a temperature not less than a lower limit temperature appropriately set depending on the supply speed.

その結果、硫黄化合物を改質触媒に吸着させる十分な速度を維持することができ、改質触媒層入口側で硫黄化合物の吸着量を必要量確保できるため、改質触媒層出口側への硫黄化合物のスリップを抑制することができ、水素生成装置の性能低下を抑制することができる。そのため、水素生成装置の寿命を延ばすことができる。   As a result, a sufficient speed for adsorbing the sulfur compound to the reforming catalyst can be maintained, and a necessary amount of sulfur compound can be secured on the reforming catalyst layer inlet side. The slip of the compound can be suppressed, and the performance degradation of the hydrogen generator can be suppressed. Therefore, the lifetime of the hydrogen generator can be extended.

本実施の形態では、原料の供給速度が3NMLの際にS/Cを2.7、原料供給速度が1NMLの際にS/Cを3.0としたが、改質触媒入口102の温度が原料の供給速度によって設定される下限温度以上であればよく、この値に限るものではない。   In the present embodiment, S / C is set to 2.7 when the feed rate of the raw material is 3 NML, and S / C is set to 3.0 when the feed rate of the raw material is 1 NML. It should just be more than the minimum temperature set by the supply rate of a raw material, and is not restricted to this value.

(実施の形態5)
図11は、本発明の実施の形態5に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。
(Embodiment 5)
FIG. 11 is a block diagram showing an example of the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 5 of the present invention.

図11に示すように、本実施形態の燃料電池システム500aは、水素生成装置400と、燃料電池200とを備える。燃料電池200は、水素生成装置400より供給される水素含有ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する。   As shown in FIG. 11, the fuel cell system 500 a of the present embodiment includes a hydrogen generator 400 and a fuel cell 200. The fuel cell 200 generates electricity by reacting the hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generator 400 with the oxidant gas.

本実施の形態では、燃料電池200に固体高分子形燃料電池(PEFC)を用いた。水素生成装置400から燃料電池200に至る水素供給経路41には封止器40を設置し、燃料電池200から加熱器20に至る燃料供給経路42と水素供給経路41にバイパス経路43を設置し、バイパス経路43にバイパス封止器44を設置した。   In the present embodiment, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is used for the fuel cell 200. A sealer 40 is installed in the hydrogen supply path 41 from the hydrogen generator 400 to the fuel cell 200, a bypass path 43 is installed in the fuel supply path 42 and the hydrogen supply path 41 from the fuel cell 200 to the heater 20, A bypass sealer 44 was installed in the bypass path 43.

燃料電池システム500aは制御器300を備える。制御器300は、演算部301の本体としての中央演算処理装置(CPU)と記憶部302を備えている。原料供給器31から改質器100に至る原料の供給路の途中に原料の供給量を検出する原料供給量検出器30が設けられ、その検出出力が演算部301に入力されている。   The fuel cell system 500 a includes a controller 300. The controller 300 includes a central processing unit (CPU) as a main body of the calculation unit 301 and a storage unit 302. A raw material supply amount detector 30 for detecting the supply amount of the raw material is provided in the middle of the raw material supply path from the raw material supply device 31 to the reformer 100, and the detection output is input to the calculation unit 301.

また、水供給器51から改質器100に至る水の供給路の途中に水の供給量を検出する
水供給量検出器50が設けられ、その検出出力が演算部301に入力されている。原料供給量検出器30及び水供給量検出器50は、ここでは、それぞれ、マスフローメータ等の流量計で構成されている。
A water supply amount detector 50 that detects the amount of water supply is provided in the middle of the water supply path from the water supply device 51 to the reformer 100, and the detection output is input to the calculation unit 301. Here, the raw material supply amount detector 30 and the water supply amount detector 50 are each composed of a flow meter such as a mass flow meter.

制御器300に備えられる記憶部302には、燃料電池システム500aの各種の動作を制御するためのプログラムが格納されており、演算部301は、記憶部302から必要なプログラムを読み出してこれを実行することによって、燃料電池システム500aの各種の動作を制御する。   The storage unit 302 provided in the controller 300 stores a program for controlling various operations of the fuel cell system 500a. The calculation unit 301 reads out a necessary program from the storage unit 302 and executes it. By doing so, various operations of the fuel cell system 500a are controlled.

燃料電池200から出力制御器61に至る電流経路には、発電電流検出器60が設けられ、その検出出力が演算部301に入力されている。発電電流検出器60はここでは、電流計で構成されている。   A generated current detector 60 is provided in the current path from the fuel cell 200 to the output controller 61, and the detected output is input to the calculation unit 301. Here, the generated current detector 60 is composed of an ammeter.

また、この演算部301は、発電電流検出器60から得られた発電電流と出力制御器61から得られた発電電圧および発電時間より、発電量を検出することを可能としている。制御器300に備える演算部301は、これらの検出出力を含む各種の検出出力を入力されて上述の各構成要素を制御することにより燃料電池システム500aの全体の動作を制御する。   In addition, the calculation unit 301 can detect the power generation amount from the generated current obtained from the generated current detector 60, the generated voltage obtained from the output controller 61, and the generated time. The arithmetic unit 301 included in the controller 300 controls the overall operation of the fuel cell system 500a by inputting various detection outputs including these detection outputs and controlling the above-described components.

また、同じく制御器300に備えられる記憶部302には、燃料電池システム500aの各種の動作を制御するためのプログラムが格納されており、演算部301は、記憶部302から必要なプログラムを読み出してこれを実行することによって、燃料電池システム500aの各種の動作を制御する。   Similarly, the storage unit 302 provided in the controller 300 stores programs for controlling various operations of the fuel cell system 500a. The calculation unit 301 reads out necessary programs from the storage unit 302. By executing this, various operations of the fuel cell system 500a are controlled.

以下に、実施の形態2の燃料電池システム500aの動作、作用について説明する。なお、以下の動作、作用は、制御器300が水素生成装置400を制御することによって行われる。   The operation and action of the fuel cell system 500a according to Embodiment 2 will be described below. The following operations and actions are performed by the controller 300 controlling the hydrogen generator 400.

水素生成装置400が起動すると、加熱器20における燃焼を開始する。このとき、封止器40を閉止し、バイパス封止器44を開放し、水素供給経路41から分岐して伸び、加熱器20に至る燃焼用の燃料供給経路42がガス通気状態となっている。よって、原料供給器31の動作開始により原料が改質器100に供給されると、改質器100を通過した原料は、上記燃焼用の燃料供給経路42を用いて加熱器20に供給される。   When the hydrogen generator 400 is activated, combustion in the heater 20 is started. At this time, the sealer 40 is closed, the bypass sealer 44 is opened, the fuel supply path 42 for combustion reaching the heater 20 is branched from the hydrogen supply path 41 and extending to the heater 20. . Therefore, when the raw material is supplied to the reformer 100 by starting the operation of the raw material supplier 31, the raw material that has passed through the reformer 100 is supplied to the heater 20 using the combustion fuel supply path 42. .

同時に、空気供給器71の動作開始により、燃焼用の空気が加熱器20に供給される。加熱器20において、点火電極(図示せず)により着火動作がおこなわれ、燃焼用の空気を用いて、燃料の燃焼が起こる。このようにして、加熱器20から供給される燃焼熱により、改質器100が加熱される。   At the same time, combustion air is supplied to the heater 20 by starting the operation of the air supply device 71. In the heater 20, an ignition operation is performed by an ignition electrode (not shown), and combustion of fuel occurs using combustion air. In this way, the reformer 100 is heated by the combustion heat supplied from the heater 20.

次いで、水供給器51の動作開始により、改質器100に水が供給される。水の供給開始後、改質器100で生成された水素含有ガスの組成が燃料電池200への供給に適した組成になった段階で、封止器40を開放、バイパス封止器44を閉止することで、燃料電池200に水素含有ガスが供給される。   Next, water is supplied to the reformer 100 when the operation of the water supplier 51 starts. After the start of water supply, when the composition of the hydrogen-containing gas generated in the reformer 100 becomes a composition suitable for supply to the fuel cell 200, the sealer 40 is opened and the bypass sealer 44 is closed. As a result, the hydrogen-containing gas is supplied to the fuel cell 200.

燃料電池200は、酸化剤供給経路(図示せず)から供給される酸化剤ガスと水素含有ガスを反応させて発電する。また、燃料電池システム500aを停止させる場合は、原料供給器31と水供給器51を停止させる。   The fuel cell 200 generates electricity by reacting an oxidant gas supplied from an oxidant supply path (not shown) and a hydrogen-containing gas. Moreover, when stopping the fuel cell system 500a, the raw material supply device 31 and the water supply device 51 are stopped.

原料の供給速度が3NLMである際、改質触媒入口102の温度を下限温度以下の350℃とし、原料の供給速度が1NLMである際にも、改質触媒入口102の温度を下限温
度の350℃とした場合には、耐久後に全改質触媒の体積500ccのうち、改質触媒入口102側から390ccの改質触媒101に硫黄化合物が吸着した。
When the feed rate of the raw material is 3NLM, the temperature of the reforming catalyst inlet 102 is set to 350 ° C. below the lower limit temperature, and even when the feed rate of the raw material is 1 NLM, the temperature of the reforming catalyst inlet 102 is set to 350 ° C., which is the lower limit temperature. In the case where the temperature was set to 0 ° C., sulfur compounds were adsorbed on the reforming catalyst 101 of 390 cc from the reforming catalyst inlet 102 side out of the total reforming catalyst volume of 500 cc after the endurance.

改質触媒出口103部分にも硫黄化合物が吸着したため、原料の供給速度が3NLMである際の初期の水素生成量は12NLM、発電量は750Wであったが、耐久後に水素生成量は9.6NLM、発電量は600Wまで低下した。   Since the sulfur compound was also adsorbed at the reforming catalyst outlet 103, the initial hydrogen generation amount when the feed rate of the raw material was 3NLM was 12NLM and the power generation amount was 750W, but the hydrogen generation amount after the endurance was 9.6NLM The power generation amount dropped to 600W.

一方、本実施の形態では、制御器は、原料の供給速度が3NLMである際、改質触媒入口102の温度を下限温度である400℃とし、原料の供給速度が1NLMである際、改質触媒入口102の温度を下限温度である350℃とした場合には、耐久後に、全改質触媒の体積500ccのうち、改質触媒入口102側から240ccの改質触媒101に硫黄化合物が吸着した。   On the other hand, in this embodiment, when the feed rate of the raw material is 3NLM, the controller sets the temperature of the reforming catalyst inlet 102 to 400 ° C., which is the lower limit temperature, and when the feed rate of the raw material is 1NLM, When the temperature of the catalyst inlet 102 was 350 ° C., which is the lower limit temperature, sulfur compounds were adsorbed on the reforming catalyst 101 of 240 cc from the reforming catalyst inlet 102 side out of the total reforming catalyst volume of 500 cc after the endurance. .

改質触媒出口103部分に硫黄化合物が吸着しなかったため、原料の供給速度が3NLMである際の水素生成量は10.8NLM、発電量は675Wを維持した。   Since the sulfur compound was not adsorbed at the reforming catalyst outlet 103 portion, the hydrogen generation amount was maintained at 10.8 NLM and the power generation amount was 675 W when the feed rate of the raw material was 3 NLM.

以上のように本実施の形態の水素生成装置では、改質触媒入口102に比べ改質触媒出口103の温度を高くなるよう温度分布を設定し、原料の供給速度が遅い場合にくらべ、速い場合に、改質触媒入口102の下限温度を高くすることで、改質触媒層の出口への硫黄化合物の吸着を抑制し、水素生成装置の水素生成量低下を抑制することができる。   As described above, in the hydrogen generator of the present embodiment, the temperature distribution is set so that the temperature of the reforming catalyst outlet 103 is higher than that of the reforming catalyst inlet 102, and the case where the temperature is higher than when the feed rate of the raw material is low. Furthermore, by increasing the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102, it is possible to suppress adsorption of sulfur compounds at the outlet of the reforming catalyst layer and to suppress a decrease in the amount of hydrogen generated by the hydrogen generator.

その結果、水素生成装置400ならびに燃料電池システム500aの寿命を延ばすことができる。   As a result, the lifetimes of the hydrogen generator 400 and the fuel cell system 500a can be extended.

ここでは、原料の供給速度が3NMLの際に改質触媒入口102の温度を400℃、原料供給速度が1NMLの際に改質触媒入口102の温度を350℃としたが、下限温度以上であれば、この限りではなく、原料の供給速度が遅い場合に比べ、速い場合に、改質触媒入口102の温度が同じでも、高くてもよい。   Here, the temperature of the reforming catalyst inlet 102 is 400 ° C. when the feed rate of the raw material is 3 NML, and the temperature of the reforming catalyst inlet 102 is 350 ° C. when the feed rate of the raw material is 1 NML. For example, the temperature of the reforming catalyst inlet 102 may be the same or higher when the feed rate is higher than when the feed rate is low.

なお、本実施の形態では、燃料電池200に固体高分子形燃料電池(PEFC)を用いたが、いずれの種類の燃料電池であってもよく、他に、固体酸化物形燃料電池、リン酸形燃料電池、または溶融炭酸塩形燃料電池等を用いることができる。   In the present embodiment, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is used as the fuel cell 200. However, any type of fuel cell may be used, and a solid oxide fuel cell, phosphoric acid may be used. A fuel cell or a molten carbonate fuel cell can be used.

(実施の形態6)
図12は、本発明の実施の形態6に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。
(Embodiment 6)
FIG. 12 is a block diagram showing an example of the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 6 of the present invention.

図12に示すように燃料電池200は改質器100と熱交換可能に構成されており、改質器100の加熱器20として用いられている。固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜を用いており、通常80℃から90℃で作動する。また、固体高分子形燃料電池の作動温度は、高温でも200℃程度が限界とされており、改質器100の加熱器20として用いられない。   As shown in FIG. 12, the fuel cell 200 is configured to be able to exchange heat with the reformer 100, and is used as the heater 20 of the reformer 100. The polymer electrolyte fuel cell uses a polymer electrolyte membrane and normally operates at 80 to 90 ° C. Further, the operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell is limited to about 200 ° C. even at a high temperature, and is not used as the heater 20 of the reformer 100.

しかし、固体酸化物形燃料電池は、耐熱性セラミックス系の電解質を用い、700℃から1000℃で作動し、運転温度が改質器100の設定温度600℃から700℃より高温であるため、改質器100の加熱器20として用いることができる。また、溶融炭酸塩形燃料電池も作動温度は650℃から700℃であり、改質器100の加熱器20として用いることができる。   However, the solid oxide fuel cell uses a heat-resistant ceramic-based electrolyte, operates at 700 ° C. to 1000 ° C., and the operating temperature is higher than the set temperature 600 ° C. to 700 ° C. of the reformer 100. It can be used as the heater 20 of the mass device 100. The molten carbonate fuel cell also has an operating temperature of 650 ° C. to 700 ° C. and can be used as the heater 20 of the reformer 100.

本実施の形態の燃料電池システム500bは、燃料電池200を改質器100の加熱器
20として用い、改質触媒入口102に比べ改質触媒出口103の温度を高くなるよう温度分布を設定し、原料の供給速度が遅い場合にくらべ、速い場合に、改質触媒入口102の下限温度を高くすることで、改質触媒層の出口への硫黄化合物の吸着を抑制し、改質器100の水素生成量低下を抑制することができる。
The fuel cell system 500b of the present embodiment uses the fuel cell 200 as the heater 20 of the reformer 100, sets the temperature distribution so that the temperature of the reforming catalyst outlet 103 is higher than the reforming catalyst inlet 102, When the feed rate of the raw material is low, the lower limit temperature of the reforming catalyst inlet 102 is increased to suppress the adsorption of sulfur compounds to the outlet of the reforming catalyst layer, and the hydrogen of the reformer 100 is increased. A decrease in the production amount can be suppressed.

その結果、改質器100ならびに燃料電池システム500bの寿命を延ばすことができる。   As a result, the life of the reformer 100 and the fuel cell system 500b can be extended.

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造、機能の両者もしくはいずれかの詳細を実質的に変更できる。   From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are apparent to persons skilled in the art. Accordingly, the foregoing description should be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. Without departing from the spirit of the invention, both the structure and / or function thereof can be substantially changed.

以上のように、本発明にかかる水素生成装置およびそれを用いた燃料電池システム並びにその運転方法は、原料の供給速度が速い場合に硫黄による改質触媒の劣化を抑制し、水素生成量の低下を抑制することができ、水素生成装置の寿命を延ばすことができるので、高い耐久性を有し、商品性の高い水素生成装置及び燃料電池システムに応用できる。   As described above, the hydrogen generator according to the present invention, the fuel cell system using the hydrogen generator, and the operation method thereof suppress the deterioration of the reforming catalyst due to sulfur when the feed rate of the raw material is high, and reduce the hydrogen generation amount. Can be suppressed, and the life of the hydrogen generator can be extended, so that it can be applied to a hydrogen generator and a fuel cell system having high durability and high commerciality.

10 脱硫器
20 加熱器
21 火炎
30 原料供給量検出器
31 原料供給器
40 封止器
41 水素供給経路
50 水供給量検出器
51 水供給器
52 蒸発器
60 発電電流検出器
61 出力制御器
70 空気供給量検出器
71 空気供給器
80 改質器温度検知器
100 改質器
101 改質触媒
102 改質触媒入口
103 改質触媒出口
111 外筒
112 内筒
113 上面板
114 底面板
150 CO低減器
161 外筒
163 上面板
164 底面板
200 燃料電池
201 水素利用機器
300 制御器
301 演算部
302 記憶部
400 水素生成装置
500a 燃料電池システム
500b 燃料電池システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Desulfurizer 20 Heater 21 Flame 30 Raw material supply amount detector 31 Raw material supply device 40 Sealing device 41 Hydrogen supply path 50 Water supply amount detector 51 Water supply device 52 Evaporator 60 Power generation current detector 61 Output controller 70 Air Supply amount detector 71 Air supply device 80 Reformer temperature detector 100 Reformer 101 Reforming catalyst 102 Reforming catalyst inlet 103 Reforming catalyst outlet 111 Outer cylinder 112 Inner cylinder 113 Top plate 114 Bottom plate 150 CO reducer 161 Outer cylinder 163 Top plate 164 Bottom plate 200 Fuel cell 201 Hydrogen-utilizing device 300 Controller 301 Calculation unit 302 Storage unit 400 Hydrogen generator 500a Fuel cell system 500b Fuel cell system

Claims (6)

少なくとも硫黄化合物と炭化水素を含む原料を改質して水素含有ガスを生成する改質触媒が充填される改質器と、
前記改質器に前記原料を供給する原料供給器と、
前記改質器を加熱する加熱器と、
前記改質器の改質触媒入口の温度を制御する制御器と、
を備え、
前記改質触媒入口の下限温度は、前記原料の供給速度が相対的に速い場合の下限温度が、前記原料の供給速度が相対的に遅い場合の下限温度より高く、
前記制御器は、前記改質触媒入口の温度が前記の下限温度以上になるよう前記加熱器を制御する、水素生成装置。
A reformer filled with a reforming catalyst that reforms a raw material containing at least a sulfur compound and a hydrocarbon to generate a hydrogen-containing gas;
A raw material supplier for supplying the raw material to the reformer;
A heater for heating the reformer;
A controller for controlling the temperature of the reforming catalyst inlet of the reformer;
With
The lower limit temperature of the reforming catalyst inlet is lower than the lower limit temperature when the feed rate of the raw material is relatively high, and the lower limit temperature when the feed rate of the raw material is relatively slow,
The said controller is a hydrogen generator which controls the said heater so that the temperature of the said reforming catalyst inlet_port | entrance becomes more than the said minimum temperature.
前記制御器は、前記改質器の改質触媒出口の温度は、前記原料の供給速度が相対的に速い場合の温度が、前記原料の供給速度が相対的に遅い場合の温度以下になるよう前記加熱器を制御する、請求項1に記載の水素生成装置。   In the controller, the temperature at the reforming catalyst outlet of the reformer is such that the temperature when the feed rate of the raw material is relatively fast is equal to or lower than the temperature when the feed rate of the raw material is relatively slow. The hydrogen generator according to claim 1, wherein the heater is controlled. 前記加熱器は少なくとも前記原料を燃焼する燃焼器を含み、
前記制御器は、前記原料の供給速度が相対的に速い場合、前記燃焼器に供給する空気供給量と燃料供給量の量論比であるλが前記原料の供給速度が相対的に遅い場合よりも大きくなるよう制御する、請求項1又は2に記載の水素生成装置。
The heater includes a combustor that burns at least the raw material,
When the feed rate of the raw material is relatively high, the controller has a stoichiometric ratio between the air supply amount and the fuel supply amount supplied to the combustor is λ, which is a relatively slow supply rate of the raw material. The hydrogen generator according to claim 1, wherein the hydrogen generator is controlled to be larger.
前記改質器に水を供給する水供給器を備え、
前記制御器は、前記原料の供給速度が相対的に速い場合、前記原料と改質水とのスチーム/カーボンモル比であるS/Cが前記原料の供給速度が相対的に遅い場合よりも小さくなるよう前記原料供給器及び前記水供給器を制御する制御器を備えた、請求項1〜3のいずれかに記載の水素生成装置。
A water supply for supplying water to the reformer,
In the controller, when the feed rate of the raw material is relatively high, S / C, which is a steam / carbon molar ratio between the raw material and reforming water, is smaller than when the feed rate of the raw material is relatively slow. The hydrogen generator according to any one of claims 1 to 3, further comprising a controller for controlling the raw material supplier and the water supplier.
請求項1〜4のいずれかに記載の水素生成装置と、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燃料電池システム。   A fuel cell system comprising the hydrogen generator according to any one of claims 1 to 4 and a fuel cell that generates electric power using a hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generator. 少なくとも硫黄化合物と炭化水素を含む原料を改質して水素含有ガスを生成する改質触媒が充填される改質器と、
前記改質器に前記原料を供給する原料供給器と、
前記改質器を加熱する加熱器と、
前記改質触媒入口の温度を制御する制御器と、
を備えた水素生成装置の運転方法であって、
前記改質触媒入口の下限温度は、前記原料の供給速度が相対的に速い場合の下限温度が、前記原料の供給速度が相対的に遅い場合の下限温度より高く、
前記改質触媒入口の温度が前記下限温度以上になるよう加熱するステップを備えた、
水素生成装置の運転方法。
A reformer filled with a reforming catalyst that reforms a raw material containing at least a sulfur compound and a hydrocarbon to generate a hydrogen-containing gas;
A raw material supplier for supplying the raw material to the reformer;
A heater for heating the reformer;
A controller for controlling the temperature of the reforming catalyst inlet;
A method of operating a hydrogen generator comprising:
The lower limit temperature of the reforming catalyst inlet is lower than the lower limit temperature when the feed rate of the raw material is relatively high, and the lower limit temperature when the feed rate of the raw material is relatively slow,
Heating the reforming catalyst inlet so that the temperature becomes equal to or higher than the lower limit temperature,
Operation method of hydrogen generator.
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