JP2019112254A - Hydrogen generation apparatus and fuel cell system using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素含有ガスを生成する水素生成装置及びそれを用いた燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a hydrogen generator that generates a hydrogen-containing gas and a fuel cell system using the same.
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。 A fuel cell cogeneration system (hereinafter simply referred to as "fuel cell system") capable of high-efficiency power generation even with a small-sized device has been developed as a power generation device of 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。 The fuel cell system includes a fuel cell as a main body of a power generation unit. As this fuel cell, for example, a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, an alkaline aqueous solution fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell, a solid electrolyte fuel cell or the like is used.
これらの燃料電池の内で、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, a phosphoric acid fuel cell or a polymer electrolyte fuel cell (abbreviated as "PEFC") has a relatively low operating temperature during power generation operation, and thus the fuel cell constituting the fuel cell system Are preferably used. In particular, the polymer electrolyte fuel cell is particularly suitable for applications such as portable electronic devices and electric vehicles because the deterioration of the electrode catalyst is less and the electrolyte does not occur as compared with the phosphoric acid fuel cell. Used.
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、未だ、インフラストラクチャとして整備されてはいない。 Now, many fuel cells, for example, a phosphoric acid fuel cell and a polymer electrolyte fuel cell use hydrogen as a fuel during power generation operation. However, the hydrogen supply means required for power generation operation in these fuel cells has not yet been established 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。 Therefore, in order to obtain power by 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 installation site of the fuel cell system.
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。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。改質反応としては、水蒸気改質反応が一般的に用いられている。 For this reason, the fuel cell system usually comprises a hydrogen generator having a reformer. In the reformer, a hydrogen-containing gas is generated by a reforming reaction from town gas, natural gas or LPG, which is a common raw material infra gas. As the reforming reaction, a steam reforming reaction is generally used.
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、600℃〜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 this steam reforming reaction, hydrogen is reacted by reacting city gas as a raw material with steam at a high temperature of about 600 ° C. to 700 ° C. using a Ni-based or Ru-based noble metal-based reforming catalyst. A hydrogen-containing gas, which is the main component, is generated.
改質触媒を用いて生成された水素含有ガスにはCOが含まれるが、特に固体高分子型燃料電池はCOによる電極被毒が起こりやすいため、供給される水素含有ガス中のCO濃度を数十体積ppmに低減する必要がある。 Although hydrogen is contained in the hydrogen-containing gas produced using the reforming catalyst, especially in polymer electrolyte fuel cells, electrode poisoning by CO tends to occur, so the concentration of CO in the supplied hydrogen-containing gas can be It is necessary to reduce to 10 volume ppm.
そこで、改質器の後段に設けられたCO除去器にて、水素含有ガスに選択酸化空気を加え、水素含有ガス中に含まれるCOを選択的に酸化させることによってCO濃度を低減する。この選択酸化反応では、PtやRuなどの貴金属系の選択酸化触媒が用いられる。 Therefore, CO concentration is reduced by selectively oxidizing CO contained in the hydrogen-containing gas by adding selective oxidation air to the hydrogen-containing gas in a CO remover provided downstream of the reformer. In this selective oxidation reaction, a noble metal-based selective oxidation catalyst such as Pt or Ru is used.
また、さらに後段にメタン化触媒を設け、巣水素含有ガス中に含まれるCOをメタン化させることによって、CO濃度を低減する。このメタン化反応では、Ruなど貴金属系のメタン化触媒が用いられる(例えば、特許文献1参照)。 Further, a methanation catalyst is provided further downstream to methanate CO contained in the hydrogen-containing gas, thereby reducing the CO concentration. In this methanation reaction, a noble metal-based methanation catalyst such as Ru is used (see, for example, Patent Document 1).
COのメタン化反応では、(化1)に示すCOのメタン化反応でCO濃度が低減されるが、選択酸化触媒が高温となったとき、(化2)に示すCO2の逆シフト反応が起こり、水素含有ガス中のCO濃度が高くなるため、メタン化触媒を適切な温度に保つことが必要である。 In the methanation reaction of CO, although the CO concentration is reduced in the methanation reaction of CO shown in (Chem. 1), when the selective oxidation catalyst becomes high temperature, the reverse shift reaction of CO 2 shown in (Chem. 2) is As it happens and the concentration of CO in the hydrogen-containing gas is high, it is necessary to keep the methanation catalyst at a suitable temperature.
しかしながら、従来の構成では、選択酸化による水素含有ガス中のCO濃度の低減過程には、前段の選択酸化反応部における、酸素によるCOの酸化反応および、後段のメタン化反応部における、COのメタン化反応とCO2の逆シフト反応があるため、選択酸化反応部の発熱反応によりメタン化部が高温となるとき、CO2の逆シフト反応が促進され、CO濃度が高くなるという課題を有していた。 However, in the conventional configuration, in the process of reduction of the CO concentration in the hydrogen-containing gas by selective oxidation, the oxidation reaction of CO with oxygen in the selective oxidation reaction section at the front stage and methane of CO in the methanation reaction section at the rear stage since there is inverse shift reaction of the reaction and CO 2, when the methanation unit is hot due to the exothermic reaction of selective oxidation reaction unit, the reverse shift reaction of CO 2 is promoted, a problem that the CO concentration becomes high It was
本発明は、従来の課題を解決するもので、水素含有ガス中のCO濃度を確実に低減できる水素生成装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the conventional problems, and it is an object of the present invention to provide a hydrogen generator capable of reliably reducing the CO concentration in a hydrogen-containing gas.
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、原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器と、同一の触媒が充填され、選択酸化反応部とメタン化反応部とからなり、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させるCO除去器と、CO除去器に流入する水素含有ガスに選択酸化反応に必要な選択酸化空気を供給する選択酸化空気供給器と、を備え、メタン化反応部の上流部を冷却する構成としたものである。 In order to solve the conventional problems, the hydrogen generator according to the present invention is charged with the same catalyst as the reformer that reforms the raw material to generate the hydrogen-containing gas, and the selective oxidation reaction unit and the methanation reaction And a CO remover for reducing the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen-containing gas, and a selective oxidation air supply for supplying the selective oxidation air necessary for the selective oxidation reaction to the hydrogen-containing gas flowing into the CO remover. And cooling the upstream portion of the methanation reaction unit.
これによって、CO除去器のメタン化反応部の上流部の温度を低く抑えて、高温ほど促進されるCO2の逆シフト反応を抑制して、COの生成を抑制することで、水素含有ガス中のCO濃度を確実に低減することができる。 By this, the temperature of the upstream portion of the methanation reaction portion of the CO remover is suppressed low, and the reverse shift reaction of CO 2 promoted as the high temperature is suppressed to suppress the generation of CO, thereby containing the hydrogen-containing gas. The concentration of CO can be reliably reduced.
本発明の水素生成装置によれば、常にCOの生成を抑制することができるため、水素含有ガス中のCO濃度を確実に低減できる、信頼性の高い水素生成装置並びに燃料電池システムを提供することができる。 According to the hydrogen generator of the present invention, since the generation of CO can always be suppressed, it is possible to provide a highly reliable hydrogen generator and a fuel cell system capable of reliably reducing the concentration of CO in a hydrogen-containing gas. Can.
第1の発明は、原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器と、同一の触媒が充填され、選択酸化反応部とメタン化反応部とからなり、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させるCO除去器と、CO除去器に流入する水素含有ガスに選択酸化反応に必要な選択酸化空気を供給する選択酸化空気供給器と、を備える、水素生成装置であって、メタン化反応部の上流部を冷却する構成としたものである。 According to a first aspect of the present invention, a reformer for reforming a raw material to generate a hydrogen-containing gas, and a catalyst containing the same catalyst, comprising a selective oxidation reaction portion and a methanation reaction portion, which are contained in the hydrogen-containing gas A hydrogen generator comprising: a CO remover for reducing the concentration of carbon monoxide; and a selective oxidation air feeder for supplying selective oxidation air necessary for selective oxidation reaction to a hydrogen-containing gas flowing into the CO remover. The upstream portion of the methanation reaction portion is cooled.
これによって、CO除去器のメタン化反応部の上流部の温度を低く抑えて、高温ほど促進されるCO2の逆シフト反応を抑制して、COの生成を抑制することができるので、水素含有ガス中のCO濃度を確実に低減することができる。 As a result, the temperature of the upstream portion of the methanation reaction portion of the CO remover can be suppressed low, and the reverse shift reaction of CO 2 promoted as the temperature increases can be suppressed to suppress the generation of CO. The CO concentration in the gas can be reliably reduced.
第2の発明は、特に、第1の発明において、CO除去器と熱交換して改質に必要な水を蒸発させる蒸発器を備える構成としたものである。 In the second invention, in particular, in the first invention, an evaporator that exchanges heat with the CO remover to evaporate water necessary for reforming is provided.
これによって、新たな冷却構成を設けることなく、改質に必要な水を蒸発させる蒸発器によって、CO除去器のメタン化反応部の上流部を冷却して、メタン化反応部の上流部の温度を低く抑えることができ、高温ほど促進されるCO2の逆シフト反応を抑制して、COの生成を抑制することで、より簡易な構成で、水素含有ガス中のCO濃度を確実に低減することができる。 By this, the upstream part of the methanation reaction part of the CO remover is cooled by the evaporator which evaporates the water necessary for reforming without providing a new cooling configuration, and the temperature of the upstream part of the methanation reaction part Can be suppressed low, and by suppressing the CO 2 reverse shift reaction that is promoted as the temperature increases and suppressing the generation of CO, the CO concentration in the hydrogen-containing gas can be reliably reduced with a simpler configuration. be able to.
第3の発明は、特に、第1の発明または第2の発明において、選択酸化反応部の触媒の温度が、メタン化反応部の触媒の温度よりも高いことを特徴としたものである。 The third invention is particularly characterized in that in the first invention or the second invention, the temperature of the catalyst in the selective oxidation reaction part is higher than the temperature of the catalyst in the methanation reaction part.
これによって、CO除去器の選択酸化反応部の触媒の温度がメタン化反応部の触媒の温度よりも高いので、選択酸化反応の反応速度を十分高くすることができるため、CO濃度の低減を促進することができる。そのため、CO除去器に充填する触媒量を削減することができ、水素生成装置を小型化することができる。 Since the temperature of the catalyst in the selective oxidation reaction part of the CO remover is higher than the temperature of the catalyst in the methanation reaction by this, the reaction rate of the selective oxidation reaction can be sufficiently high, thereby promoting the reduction of the CO concentration. can do. Therefore, the amount of catalyst loaded in the CO remover can be reduced, and the hydrogen generator can be miniaturized.
第4の発明は、特に、第1から第3のいずれか1つの発明の水素生成装置と、水素生成
装置で生成された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である。
A fourth invention is, in particular, a fuel cell system comprising the hydrogen generator according to any one of the first to third inventions, and a fuel cell that generates electric power using a hydrogen-containing gas generated by the hydrogen generator. is there.
これによって、CO除去器のメタン化反応部の上流部の温度を低く抑え、高温ほど促進されるCO2の逆シフト反応を抑制し、COの生成を抑制することで、水素含有ガス中のCO濃度を確実に低減し、信頼性の高い燃料電池システムを提供することができる。 As a result, the temperature of the upstream portion of the methanation reaction portion of the CO remover is suppressed low, the reverse shift reaction of CO 2 promoted as the temperature increases is suppressed, and the generation of CO is suppressed, whereby CO in the hydrogen-containing gas The concentration can be reliably reduced, and a highly reliable fuel cell system can be provided.
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、本実施の形態によって本発明が限定されるわけではない。また、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て、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited by the present embodiment. Moreover, below, the same referential mark is attached | subjected to the element which is the same or it corresponds through all the figures, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における水素生成装置の構成を示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a hydrogen generator in
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、原料に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に燃料を供給する燃料供給器22と、燃料の供給量を検出する燃料供給量検出器21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で生成された水素含有ガス中のCOの濃度を低減する反応器であるCO除去器150と、CO除去器150の温度を検知するCO低減器温度検知器90と、CO除去器150を冷却する冷却器62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を介して外部に供給される。
As shown in FIG. 1, the hydrogen generator 400 of the present embodiment includes a
改質器100は、ステンレス構造体で構成され、改質反応を進行させる改質触媒が充填されており、原料及び水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する。改質触媒には、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。改質器100での改質反応には、550℃から660℃の温度が必要であり、加熱器20と隣接させ加熱する構成とする。
The
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)を用いる。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。これら付臭剤に含まれる硫黄化合物は、改質触媒を硫黄被毒し劣化させてしまう。 As a raw material, city gas (13A) supplied from a gas company to each household through piping is used. In order to detect leakage, the city gas contains at least one or more odorant mainly composed of a sulfur compound, and odorant is performed. The sulfur compounds contained in these odorants poison the reforming catalyst and degrade it.
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に供給する。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、常温で用いる。
Therefore, the raw material from which the sulfur compound has been removed in advance by the
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、触媒温度を測定する。
The reformer temperature detector 80 is constituted by a thermocouple and detects the temperature of the
原料供給器31は、昇圧器及び流量調整弁の組み合わせによって構成され、原料を改質器100に供給する。原料供給器31は、原料供給量検出器30によって検出された原料の供給量に応じて制御器300の制御により原料の供給量の調整を行う。
The raw
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。水供給器51は、水供給量検出器50によって検出された水の供給量に応じて制御器300の制御により水の供給量の調整を行う。
The
加熱器20は、燃焼器により構成され、改質器100を加熱する。加熱器20の燃料には、都市ガスを用いる。燃料供給器22は、昇圧器及び流量調整弁の組み合わせによって構成され、燃料を加熱器20に供給する。燃料供給器22は、燃料供給量検出器21によって検出された燃料の供給量に応じて制御器300の制御により燃料の供給量の調整を行う。
The
空気供給器71は、ファンによって構成され、加熱器20に燃焼用の空気を供給する。空気供給器71は、空気供給量検出器70によって検出された空気の供給量に応じて制御器300の制御により空気の供給量の調整を行う。
The
CO除去器150は、選択酸化反応およびメタン化反応を用い、改質器100から排出された水素含有ガス中のCO濃度を10ppm以下まで低減させる。CO除去器150には、アルミナビーズを担体としてRuを担持させた一種類の触媒を充填する。
The
CO除去器150の上流部で選択酸化空気に含まれるO2が選択酸化反応に用いられるが、O2が残っている部分で選択酸化反応が、O2が残っていない下流部でメタン化反応が生じる。CO除去器150での選択酸化反応には、150℃から200℃、メタン化反応には100℃から150℃の温度が必要であり、相対的に高温である改質器100と隣接させ、伝熱により加熱する構成とする。
While O 2 contained in the selective oxidation air upstream portion of the
選択酸化空気供給器92は、ファンによって構成され、CO除去器150に選択酸化空気を供給する。選択酸化空気供給器92は、選択酸化空気供給量検出器91によって検出された選択酸化空気の供給量に応じて制御器300の制御により選択酸化空気の供給量の調整を行う。
The selective
CO低減器温度検知器90は、熱電対によって構成され、CO除去器150の温度を検知する。また、CO低減器温度検知器90は、CO除去器150の内部に設けた鞘管に設置され、触媒温度を測定する。
The CO reducer temperature detector 90 is constituted by a thermocouple and detects the temperature of the
冷却器62は、CO除去器150に隣接するよう配置され、CO除去器150と熱交換することで、CO除去器150の冷却を行う。
The cooler 62 is disposed adjacent to the
冷却空気供給器82は、ファンによって構成され、冷却器62に冷却空気を供給する。冷却空気供給器82は、冷却空気供給量検出器81によって検出された冷却空気の供給量に応じて制御器300の制御により冷却空気の供給量の調整を行う。
The cooling
水素生成装置400を制御する制御器300は、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る。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 that controls the hydrogen generator 400 includes an
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。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3
0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
The zero and
選択酸化空気供給器92からCO除去器150に至る選択酸化空気の供給路の途中に選択酸化空気の供給量を検出する選択酸化空気供給量検出器91が設けられ、その検出出力が演算部301に入力されている。選択酸化空気供給量検出器91は、流量計で構成されている。
A selective oxidation air
燃料供給器22から加熱器20に至る燃料の供給経路の途中に燃料の供給量を検出する燃料供給量検出器21が設けられ、その検出出力が演算部301に入力されている。燃料供給量検出器21は流量計で構成されている。
A fuel
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ている。
An air
図2は、本発明の実施の形態1の水素生成装置におけるCO除去器、冷却器、改質器および加熱器の概略構成を示す要部縦断面図である。
FIG. 2 is a principal part longitudinal cross-sectional view showing a schematic configuration of a CO remover, a cooler, a reformer, and a heater in the hydrogen generator of
図2に示すように、CO除去器150を冷却する冷却器62は、中心軸が重なり径が異なる円筒152と円筒157とで空間を形成し、その空間に冷却空気を流通する構成となっている。円筒157は円筒152よりも径が小さく、円筒157は円筒152の内側に配置され、円筒157は円筒152によって囲まれている。
As shown in FIG. 2, the cooler 62 for cooling the
冷却器62の上部に接続するパイプ156から冷却器62に冷却空気が供給され、冷却器62の下部に接続するパイプ158から冷却器62の冷却空気を排気する。 Cooling air is supplied to the cooler 62 from a pipe 156 connected to the upper portion of the cooler 62, and the cooling air for the cooler 62 is exhausted from a pipe 158 connected to the lower portion of the cooler 62.
CO除去器150は、中心軸が重なり径が異なる円筒152と円筒159との間に形成され、円筒152を介して冷却器62の外周に隣接するよう配置されている。円筒159は円筒152よりも径が大きく、円筒159は円筒152の外側に配置され、円筒159は円筒152を囲んでいる。
The
CO除去器150の選択酸化反応部160は、CO除去器150において選択酸化反応が生じる部分であり、メタン化反応部の上流部161は、CO除去器150においてメタン化反応が生じる部位の上流部、メタン化反応部の下流部162はCO除去器150においてメタン化反応が生じる部位の下流部である。
The selective
冷却器62はメタン化反応部の上流部161に隣接するように配置されている。改質器100は、円筒152と円筒159との間に形成され、CO除去器150の上流に配置されている。加熱器20は、円筒152と円筒159の中心位置に配置され、改質器100を加熱する。
The cooler 62 is disposed adjacent to the
以上のように構成された本実施の形態の水素生成装置400について、その動作、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 hydrogen generator 400 of the present embodiment configured as described above 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、生成する水素の流量に応じて、原料の供給量を変化させ、水素含有ガスを生成する。水素含有ガス中の水素の流量を3NLMから9NLMまで供給可能な水素生成装置400について説明する。 The hydrogen generator 400 changes the supply amount of the raw material according to the flow rate of hydrogen to be generated to generate a hydrogen-containing gas. A hydrogen generator 400 capable of supplying the flow rate of hydrogen in the hydrogen-containing gas from 3NLM to 9NLM will be described.
制御器300は、水素生成装置400の運転開始要求が発生すると、水素生成装置40
0は運転を開始する。水素生成装置400が起動すると、燃料供給器22と空気供給器71の動作開始により、燃料及び燃焼用の空気が加熱器20に供給される。
When a request for starting operation of hydrogen generator 400 is generated, controller 300 generates hydrogen generator 40.
0 starts driving. When the hydrogen generator 400 is activated, fuel and air for combustion are supplied to the
加熱器20において、点火電極(図示せず)により着火動作が行われ、燃焼用の空気を用いて、燃料を燃焼させる。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。
In the
改質器100(改質器温度検知器80の検知温度)が所定温度に達すると、原料供給器31と水供給器51の動作開始により原料及び水が改質器100に供給され、水蒸気改質反応により生成する水素含有ガスが供給される。
When the reformer 100 (the temperature detected by the reformer temperature detector 80) reaches a predetermined temperature, the raw materials and water are supplied to the
生成する水素の流量に応じて、原料の供給量を増減させるが、このとき、(数1)に示すように、原料の供給量(Fi)に応じて選択酸化空気の供給量(Fa)を制御する。 According to the flow rate of hydrogen to be generated, the supply amount of the raw material is increased or decreased. At this time, as shown in (Equation 1), the supply amount (Fa) of the selective oxidation air is set according to the supply amount (Fi) of the raw material Control.
図3は、本発明の実施の形態1の水素生成装置におけるCO除去器の触媒層位置と触媒層温度の関係を示す特性図である。図4は、本発明の実施の形態1の水素生成装置におけるCO除去器の触媒層位置と水素含有ガス中のCO濃度の関係を示す特性図である。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the catalyst layer position and the catalyst layer temperature in the CO remover in the hydrogen generator of
水素含有ガス中の水素の流量を9NLM生成とするとき、CO除去器150には、CO濃度が0.5%である水素含有ガスが13NLM供給される。CO除去器150のメタン化反応部の上流部161に冷却器62を隣接させることで、メタン化反応部の上流部161の冷却の効果が高いため、メタン化反応部の上流部161を、確実に低温に保つことができる。
Assuming that the flow rate of hydrogen in the hydrogen-containing gas is 9NLM, 13NLM of hydrogen-containing gas having a CO concentration of 0.5% is supplied to the
その際、図3に示すように、CO除去器150の選択酸化反応部160の触媒層入口は180℃、メタン化反応部の上流部161の最高温度は154℃、最低温度は134℃、メタン化反応部の下流部162の最高温度は、134℃、最低温度は130℃となる。
At that time, as shown in FIG. 3, the inlet of the catalyst layer of the selective
また、図4に示すように、選択酸化反応部160の触媒層出口のCO濃度は800ppm、メタン化反応部の上流部161の触媒層出口のCO濃度は500ppm、メタン化反応部の下流部162の触媒層出口のCO濃度は4ppmとなる。
In addition, as shown in FIG. 4, the CO concentration at the outlet of the catalyst layer in the selective
このように、メタン化反応部の上流部161に冷却器62を隣接し、冷却空気との熱交換により、メタン化反応部の上流部161の温度を下げることで、メタン化反応部の下流部162の触媒層出口、つまり、CO除去器150の出口のCO濃度を4ppmまで下げることができる。
Thus, the cooler 62 is adjacent to the
以上のように、本実施の形態の水素生成装置400においては、CO除去器150を冷却する冷却器62によって、CO除去器150のメタン化反応部の上流部の温度を低く抑えることにより、高温でより促進されるCO2の逆シフト反応を抑制して、COの生成を抑制することができ、水素含有ガス中のCO濃度を確実に低減できる。
As described above, in the hydrogen generator 400 of the present embodiment, the temperature of the upstream portion of the methanation reaction portion of the
なお、改質器100の下流に、CO除去器150を設け、選択酸化空気を用いて選択酸
化反応によりCO除去を行う形態であるが、改質器100とCO除去器150の間に水性シフト反応により水素含有ガス中のCOの濃度を低減するCO変成器(図示せず)を設ける形態であっても構わない。この場合、CO変成器には、変成触媒が充填される。
Although a
また、(数1)に示す式のように、原料の供給量(Fi)に応じて選択酸化空気の供給量(Fa)を制御したが、他の式を用いてもよい。 Further, although the supply amount (Fa) of the selective oxidation air is controlled according to the supply amount (Fi) of the raw material as in the equation (Equation 1), other expressions may be used.
(実施の形態2)
図5は、本発明の実施の形態2における水素生成装置の構成を示すブロック図である。
Second Embodiment
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a hydrogen generator in
図5に示す実施の形態2の水素生成装置401において、図1に示す実施の形態1の水素生成装置400と同一構成には同一符号を付与して、重複する説明は省略する。 In the hydrogen generator 401 of the second embodiment shown in FIG. 5, the same components as those of the hydrogen generator 400 of the first embodiment shown in FIG.
実施の形態2の水素生成装置401において、実施の形態1の水素生成装置400と異なる点は、実施の形態1では、冷却器62でCO除去器150を冷却していたが、実施の形態2では、蒸発器61でCO除去器150を冷却する点と、実施の形態1では、制御器300で水素生成装置400を制御していたが、実施の形態2では、制御器303で水素生成装置401を制御する点と、実施の形態2の水素生成装置401は、水素供給経路41を介して水素利用機器201に水素含有ガスを供給する点である。
The hydrogen generator 401 of the second embodiment differs from the hydrogen generator 400 of the first embodiment in that, in the first embodiment, the
蒸発器61は、改質器100での改質に必要な水を蒸発させるものであり、CO除去器150に隣接するよう配置され、CO除去器150と熱交換することで、水供給器51から供給される水を気化させると同時に、CO除去器150の冷却を行う。
The
図6は、本発明の実施の形態2の水素生成装置におけるCO除去器、蒸発器、改質器および加熱器の概略構成を示す要部縦断面図である。 FIG. 6 is an essential part longitudinal cross sectional view showing a schematic configuration of a CO remover, an evaporator, a reformer and a heater in the hydrogen generator of the second embodiment of the present invention.
図6に示すように、CO除去器150を冷却する蒸発器61は、中心軸が重なり径が異なる円筒152と円筒172とで空間を形成し、その空間に水を流通する構成となっている。円筒172は円筒152よりも径が小さく、円筒172は円筒152の内側に配置され、円筒172は円筒152によって囲まれている。
As shown in FIG. 6, the
蒸発器61の上部に接続するパイプ171から蒸発器61に水が供給され、蒸発器61の下部に接続するパイプ173から水蒸気を排出する。
Water is supplied to the evaporator 61 from a pipe 171 connected to the upper portion of the
CO除去器150は、中心軸が重なり径が異なる円筒152と円筒159との間に形成され、円筒152を介して蒸発器61の外周に隣接するよう配置されている。円筒159は円筒152よりも径が大きく、円筒159は円筒152の外側に配置され、円筒159は円筒152を囲んでいる。
The
CO除去器150の選択酸化反応部160は、CO除去器150において選択酸化反応が生じる部分であり、メタン化反応部の上流部161は、CO除去器150においてメタン化反応が生じる部位の上流部、メタン化反応部の下流部162はCO除去器150においてメタン化反応が生じる部位の下流部である。
The selective
蒸発器61はメタン化反応部の上流部161に隣接するように配置されている。改質器100は、円筒152と円筒159との間に形成され、CO除去器150の上流に配置されている。加熱器20は、円筒152と円筒159の中心位置に配置され、改質器100を加熱する。
The
以上のように構成された本実施の形態の水素生成装置401について、その動作、作用について説明する。なお、以下の動作、作用は、制御器303が水素生成装置401を制御することによって行われる。 The operation and action of the hydrogen generator 401 of the present embodiment configured as described above will be described. The following operations and actions are performed by the controller 303 controlling the hydrogen generator 401.
(数1)に示すように、原料の供給量(Fi)に応じて選択酸化空気の供給量(Fa)を制御する。水素含有ガス中の水素の流量を9NLM必要とするとき、原料の供給量を3NLM、選択酸化空気の供給量を0.64NLM供給する。このとき、選択酸化触媒の温度は185℃となった。その際の水素含有ガス中のCO濃度は、1ppmとなった。 As shown in (Equation 1), the supply amount (Fa) of the selective oxidation air is controlled according to the supply amount (Fi) of the raw material. When the flow rate of hydrogen in the hydrogen-containing gas is required to be 9 NLM, the feed amount of the raw material is 3 N LM, and the feed amount of the selective oxidation air is 0.64 N LM. At this time, the temperature of the selective oxidation catalyst was 185 ° C. The CO concentration in the hydrogen-containing gas at that time was 1 ppm.
図7は、本発明の実施の形態2の水素生成装置におけるCO除去器の触媒層位置と触媒層温度の関係を示す特性図である。図8は、本発明の実施の形態2の水素生成装置におけるCO除去器の触媒層位置と水素含有ガス中のCO濃度の関係を示す特性図である。
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the catalyst layer position and the catalyst layer temperature in the CO remover in the hydrogen generator of
CO除去器150には、CO濃度が0.5%である水素含有ガスが13NLM供給される。CO除去器150のメタン化反応部の上流部161に隣接する蒸発器61には、パイプ171より水が供給され、冷却効果が高くなっているため、メタン化反応部の上流部161は、より確実に低温に保つことができる。
To the
その際、図7に示すように、CO除去器150の選択酸化反応部160の触媒層入口は180℃、メタン化反応部の上流部161の最高温度は150℃、最低温度は134℃、メタン化反応部の下流部162の最高温度は、134℃、最低温度は130℃となる。
At that time, as shown in FIG. 7, the inlet of the catalyst bed of the selective
また、図8に示すように、選択酸化反応部160の触媒層出口のCO濃度は800ppm、メタン化反応部の上流部161の触媒層出口のCO濃度は300ppm、メタン化反応部の下流部162の触媒層出口のCO濃度は1ppmとなる。
Further, as shown in FIG. 8, the CO concentration at the outlet of the catalyst layer in the selective
このように、メタン化反応部の上流部161に隣接する蒸発器61に水を供給し、メタン化反応部の上流部161と蒸発器61との熱交換によって、メタン化反応部の上流部161の温度を下げることで、メタン化反応部の下流部162の触媒層出口、つまりCO除去器150の出口のCO濃度を1ppmまで下げることができる。
Thus, water is supplied to the
以上のように、本実施の形態の水素生成装置401においては、CO除去器150に隣接するよう配置され、CO除去器150と熱交換することで、水供給器51から供給される水を気化させると同時に、CO除去器150の冷却を行う蒸発器61によってCO除去器150のメタン化反応部の上流部の温度を低くすることにより、高温でより促進されるCO2の逆シフト反応を抑制し、COの生成を抑制することができ、水素含有ガス中のCO濃度を確実に低減できる。
As described above, in the hydrogen generator 401 of the present embodiment, it is disposed adjacent to the
また、本実施の形態の水素生成装置401においては、改質器100での水蒸気改質反応に必要な水の気化を行う蒸発器61を用いて、メタン化反応部の上流部161を効率的に冷却し、メタン化反応部の上流部161の温度を低くすることにより、新たな冷却構成を設けることなく、高温で起こるCO2の逆シフト反応を抑制し、COの生成を抑制することができる。
Further, in the hydrogen generator 401 of the present embodiment, the
その結果、常にCOの生成を抑制することができるため、より簡易な構成で、水素含有ガス中のCO濃度を確実に低減できる水素生成装置401を提供することができる。 As a result, since the generation of CO can always be suppressed, it is possible to provide the hydrogen generator 401 capable of reliably reducing the concentration of CO in the hydrogen-containing gas with a simpler configuration.
また、本実施の形態の水素生成装置401においては、特に、CO除去器150の選択酸化反応部160と蒸発器61との熱交換量を減らし、選択酸化反応部160の触媒層の温度をメタン化反応部の触媒層の温度より高くすることで、CO除去器150の選択酸化
反応部160の反応速度を十分高くすることができるため、CO濃度の低減を促進することができる。
Further, in the hydrogen generator 401 of the present embodiment, in particular, the amount of heat exchange between the selective
そのため、CO除去器150に充填する触媒量を削減することができ、小型の水素生成装置401を提供することができる。その結果、常にCOの生成を抑制することができるため、水素含有ガス中のCO濃度を確実に低減できる水素生成装置401を提供することができる。
Therefore, the amount of catalyst loaded in the
なお、改質器100の下流に、CO除去器150を設け、選択酸化空気を用いて選択酸化反応によりCO除去を行う形態であるが、改質器100とCO除去器150の間に水性シフト反応により水素含有ガス中のCOの濃度を低減するCO変成器(図示せず)を設ける形態であっても構わない。CO変成器には、変成触媒が充填される。
Although a
(実施の形態3)
図9は、本発明の実施の形態3における水素生成装置の構成を示すブロック図である。
Third Embodiment
FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a hydrogen generator in Embodiment 3 of the present invention.
図9に示す実施の形態3の水素生成装置402において、図5に示す実施の形態2の水素生成装置401と同一構成には同一符号を付与して、重複する説明は省略する。
In the hydrogen generator 402 of Embodiment 3 shown in FIG. 9, the same components as those of the hydrogen generator 401 of
実施の形態3の水素生成装置402において、実施の形態2の水素生成装置401と異なる点は、実施の形態2では、蒸発器61でCO除去器150を冷却していたが、実施の形態3では、蒸発器63でCO除去器150を冷却する点と、実施の形態2では、制御器303で水素生成装置401を制御していたが、実施の形態3では、制御器304で水素生成装置402を制御する点である。
The hydrogen generator 402 of the third embodiment differs from the hydrogen generator 401 of the second embodiment in that, in the second embodiment, the
図10は、本発明の実施の形態3の水素生成装置におけるCO除去器、冷却器、改質器および加熱器の概略構成を示す要部縦断面図である。 FIG. 10 is an essential part longitudinal cross sectional view showing a schematic configuration of a CO remover, a cooler, a reformer and a heater in the hydrogen generator of Embodiment 3 of the present invention.
蒸発器63は、螺旋形状の仕切り部である金属の丸棒153を円筒151の外周面と円筒152の内周面とで挟みこむことで、丸棒153間に空間を形成し、その空間に丸棒153に沿って水を流通する構成となっている。 The evaporator 63 forms a space between the round bars 153 by sandwiching the metal round bar 153, which is a spiral-shaped partition, between the outer peripheral surface of the cylinder 151 and the inner peripheral surface of the cylinder 152. Water is distributed along the round bar 153.
したがって、蒸発器63の円筒151の外周面と円筒152の内周面とで囲まれた空間は、螺旋形状の丸棒153で円筒151と円筒152の中心軸方向に仕切られ、円筒151の外周に沿って周囲する螺旋形状流路として形成されている。
Therefore, a space surrounded by the outer peripheral surface of the cylinder 151 of the
CO除去器150は、円筒152と円筒159との間に形成され、円筒152を介して蒸発器63の外周に隣接するよう配置されている。
The
CO除去器150の選択酸化反応部160は、CO除去器150において選択酸化反応が生じる部分であり、メタン化反応部の上流部161は、CO除去器150においてメタン化反応が生じる部位の上流部、メタン化反応部の下流部162はCO除去器150においてメタン化反応が生じる部位の下流部である。
The selective
丸棒153の螺旋ピッチ幅は、選択酸化反応部160とメタン化反応部の下流部162に隣接する箇所とでは20mm、メタン化反応部の上流部161に隣接する箇所では10mmとした。
The helical pitch width of the round bar 153 was 20 mm in the selective
改質器100は、円筒152と円筒159との間に形成され、CO除去器150の上流に配置されている。加熱器20は、円筒152と円筒159の中心位置に配置され、改質
器100を加熱する。
The
以上のように構成された本実施の形態の水素生成装置402について、その動作、作用について説明する。なお、以下の動作、作用は、制御器304が水素生成装置402を制御することによって行われる。 The operation and action of the hydrogen generator 402 of the present embodiment configured as described above will be described. The following operations and actions are performed by the controller 304 controlling the hydrogen generator 402.
(数1)に示すように、原料の供給量(Fi)に応じて選択酸化空気の供給量(Fa)を制御し、水素含有ガス中の水素の流量を9NLM必要とするとき、原料の供給量を3NLM、選択酸化空気の供給量を0.64NLM供給し、選択酸化触媒の温度は185℃となった。その際の水素含有ガス中のCO濃度は、2ppmとなった。 As shown in (Equation 1), the supply amount (Fa) of the selective oxidation air is controlled according to the supply amount (Fi) of the raw material, and the flow rate of hydrogen in the hydrogen-containing gas needs 9NLM. The selective oxidation catalyst was supplied at a temperature of 185 ° C. by supplying 3 NLM of the amount and 0.64 NLM of the selective oxidation air supply amount. The CO concentration in the hydrogen-containing gas at that time was 2 ppm.
図11は、本発明の実施の形態3の水素生成装置におけるCO除去器の触媒層位置と触媒層温度の関係を示す特性図である。図12は、本発明の実施の形態3の水素生成装置におけるCO除去器の触媒層位置と水素含有ガス中のCO濃度の関係を示す特性図である。 FIG. 11 is a characteristic diagram showing the relationship between the catalyst layer position and the catalyst layer temperature in the CO remover in the hydrogen generator of Embodiment 3 of the present invention. FIG. 12 is a characteristic diagram showing the relationship between the catalyst layer position of the CO remover and the concentration of CO in the hydrogen-containing gas in the hydrogen generator of Embodiment 3 of the present invention.
CO除去器150には、CO濃度が0.5%である水素含有ガス中が13NLM供給される。CO除去器150のメタン化反応部の上流部161に隣接する蒸発器63は、丸棒153の螺旋ピッチ幅が小さくなっており、水の流通速度が遅くなることで、冷却効果が高くなるため、メタン化反応部の上流部161は、より確実に低温に保つことができる。
The
図11に示すように、CO除去器150の選択酸化反応部160の触媒層入口は175℃、メタン化反応部の上流部161の最高温度は152℃、最低温度は134℃、メタン化反応部の下流部162の最高温度は、134℃、最低温度は130℃となる。
As shown in FIG. 11, the inlet of the catalyst layer of the selective
また、図12に示すように、選択酸化反応部160の触媒層出口のCO濃度は800ppm、メタン化反応部の上流部161の触媒層出口のCO濃度は400ppm、メタン化反応部の下流部162の触媒層出口のCO濃度は2ppmとなる。
Further, as shown in FIG. 12, the CO concentration at the outlet of the catalyst layer of the selective
このように、メタン化反応部の上流部161に隣接する蒸発器63に水を供給し、メタン化反応部の上流部161と蒸発器63との熱交換によって、メタン化反応部の上流部161の温度を下げることで、メタン化反応部の下流部162の触媒層出口、つまりCO除去器150の出口のCO濃度を2ppmまで下げることができる。
Thus, water is supplied to the
以上のように、本実施の形態の水素生成装置402においては、CO除去器150に隣接するよう配置され、CO除去器150と熱交換することで、水供給器51から供給される水を気化させると同時に、CO除去器150の冷却を行う蒸発器63によってCO除去器150のメタン化反応部の上流部の温度を低くすることにより、高温でより促進されるCO2の逆シフト反応を抑制して、COの生成を抑制することができ、水素含有ガス中のCO濃度を確実に低減できる。
As described above, in the hydrogen generator 402 of the present embodiment, it is disposed adjacent to the
また、本実施の形態においては、改質器100での水蒸気改質反応に必要な水の気化を行う蒸発器63を用いて、メタン化反応部の上流部161を効率的に冷却して、メタン化反応部の上流部161の温度を低くすることにより、新たな冷却構成を設けることなく、高温で起こるCO2の逆シフト反応を抑制し、COの生成を抑制することができる。
Further, in the present embodiment, the
その結果、常にCOの生成を抑制することができるため、より簡易な構成で、水素含有ガス中のCO濃度を確実に低減できる水素生成装置402を提供することができる。 As a result, since the generation of CO can always be suppressed, it is possible to provide the hydrogen generator 402 capable of reliably reducing the CO concentration in the hydrogen-containing gas with a simpler configuration.
また、本実施の形態においては、特に、CO除去器150の選択酸化反応部160と蒸発器63との熱交換量を減らし、選択酸化反応部160の触媒層の温度をメタン化反応部
の触媒層の温度より高くすることで、CO除去器150の選択酸化反応部160の反応速度を十分高くすることができるため、CO濃度の低減を促進することができる。
Further, in the present embodiment, in particular, the amount of heat exchange between the selective
そのため、CO除去器150に充填する触媒量を削減することができ、小型の水素生成装置を提供することができる。その結果、常にCOの生成を抑制することができるため、水素含有ガス中のCO濃度を確実に低減できる水素生成装置402を提供することができる。
Therefore, the amount of catalyst loaded in the
なお、改質器100の下流に、CO除去器150を設け、選択酸化空気を用いて選択酸化反応によりCO除去を行う形態であるが、改質器100とCO除去器150の間に水性シフト反応により水素含有ガス中のCOの濃度を低減するCO変成器(図示せず)を設ける形態であっても構わない。CO変成器には、変成触媒が充填される。
Although a
また、丸棒153の螺旋ピッチ幅を、選択酸化反応部160とメタン化反応部の下流部162では20mm、メタン化反応部の上流部161では10mmとしているが、この寸法に限るものではなく、メタン化反応部の上流部161の螺旋ピッチ幅が他の部位より狭ければ、他の寸法でも構わない。
In addition, although the helical pitch width of the round bar 153 is 20 mm in the selective
(実施の形態4)
図13は、本発明の実施の形態4における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
Embodiment 4
FIG. 13 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 4 of the present invention.
図13に示すように、本発明の実施の形態4の燃料電池システム500は、水素生成装置403と、燃料電池200とを備えたものである。
As shown in FIG. 13, a fuel cell system 500 according to Embodiment 4 of the present invention includes a hydrogen generator 403 and a
燃料電池200は、水素生成装置403から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。燃料電池200に固体高分子形燃料電池(PEFC)を用いる。
The
図13に示す実施の形態4の燃料電池システム500の水素生成装置403において、図9に示す実施の形態3の水素生成装置402と同一構成には同一符号を付与して、重複する説明は省略する。 In the hydrogen generator 403 of the fuel cell system 500 of Embodiment 4 shown in FIG. 13, the same components as those of the hydrogen generator 402 of Embodiment 3 shown in FIG. Do.
実施の形態4の燃料電池システム500の水素生成装置403において、実施の形態3の水素生成装置402と異なる点は、実施の形態4の水素生成装置403では、水素生成装置403から燃料電池200に至る水素供給経路41の途中に水素供給経路41を開閉する封止器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とをバイパス経路43でバイパスし、バイパス経路43の途中にバイパス経路43を開閉するバイパス封止器45を設置している点である。
The hydrogen generator 403 of the fuel cell system 500 of the fourth embodiment differs from the hydrogen generator 402 of the third embodiment in the hydrogen generator 403 of the fourth embodiment from the hydrogen generator 403 to the
実施の形態3の水素生成装置402は、水素利用機器201に水素含有ガスを供給していたが、実施の形態4の水素生成装置403は、燃料電池200に水素含有ガスを供給する。
The hydrogen generator 402 of the third embodiment supplies the hydrogen-containing gas to the
以上のように構成された本実施の形態の燃料電池システム500について、その動作、作用について説明する。なお、以下の動作、作用は、制御器305が水素生成装置403を制御することによって行われる。 The operation and action of fuel cell system 500 of the present embodiment configured as described above will be described. The following operations and actions are performed by the controller 305 controlling the hydrogen generator 403.
水素生成装置403は、燃料電池200が必要とする水素の流量に応じて、原料の供給量を変化させ、水素含有ガスを生成する。燃料電池システム500として、200Wから700Wまで発電に必要となる、水素含有ガス中の水素の流量を3NLMから9NLMま
で供給可能な水素生成装置403について説明する。なお、原料として都市ガス13Aを用いる。
The hydrogen generator 403 changes the supply amount of the raw material according to the flow rate of hydrogen required by the
制御器305は、水素生成装置403の運転開始要求が発生すると、水素生成装置403は運転を開始する。水素生成装置403が起動すると、加熱器20における燃焼を開始する。
The controller 305 starts the operation of the hydrogen generator 403 when the operation start request of the hydrogen generator 403 is generated. When the hydrogen generator 403 is activated, combustion in the
このとき、封止器40によって水素生成装置403から燃料電池200に至る水素供給経路41を閉鎖し、バイパス封止器45によって燃料供給経路42と水素供給経路41とをバイパスするバイパス経路43を開放する。
At this time, the hydrogen supply passage 41 from the hydrogen generator 403 to the
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、水素供給経路41からバイパス経路43と燃料供給経路42を通って加熱器20に供給される。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。
Therefore, when the raw material is supplied to the
加熱器20において、点火電極(図示せず)により着火動作が行われ、燃焼用の空気を用いて、燃料としての原料を燃焼させる。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。
In the
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、水素生成装置403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を開放することにより水素供給経路41を開放すると共に、バイパス封止器45を閉止することでバイパス経路43を閉鎖することで、燃料電池200に水素含有ガスが供給される。
Next, water is supplied to the
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。そして、燃料電池200で発電に利用されなかった水素含有ガスが、燃料供給経路42を通って加熱器20に供給されて加熱器20で燃焼される。
The
燃料電池200が必要とする水素の流量に応じて、原料供給器31の原料の供給量を制御する。このとき、(数1)に示すように、原料の供給量(Fi)に応じて選択酸化空気の供給量(Fa)を制御する。燃料電池200が水素含有ガス中の水素の流量を9NLM必要とするとき、原料の供給量を3NLM、選択酸化空気の供給量を0.64NLM供給する。
The supply amount of the raw material of the raw
実施の形態4の燃料電池システム500におけるCO除去器150の触媒層位置と触媒層温度の関係は、図11に示された実施の形態3の水素生成装置402におけるCO除去器150の触媒層位置と触媒層温度の関係と同様である。
The relationship between the catalyst layer position of the
また、実施の形態4の燃料電池システム500におけるCO除去器150の触媒層位置と水素含有ガス中のCO濃度の関係は、図12に示された実施の形態3の水素生成装置402におけるCO除去器150の触媒層位置と水素含有ガス中のCO濃度の関係と同様である。
Further, the relationship between the catalyst layer position of the
CO除去器150には、CO濃度が0.5%である水素含有ガス中が13NLM供給される。その際、図11に示すように、CO除去器150の選択酸化反応部160の触媒層入口は175℃、メタン化反応部の上流部161の最高温度は152℃、最低温度は134℃、メタン化反応部の下流部162の最高温度は、134℃、最低温度は130℃となる。
The
また、図12に示すように、選択酸化反応部160の触媒層出口のCO濃度は800ppm、メタン化反応部の上流部161の触媒層出口のCO濃度は400ppm、メタン化反応部の下流部162の触媒層出口のCO濃度は2ppmとなる。
Further, as shown in FIG. 12, the CO concentration at the outlet of the catalyst layer of the selective
このように、メタン化反応部の上流部161の螺旋ピッチ幅を狭くし、温度を下げることで、水素生成装置403から燃料電池200に供給する水素含有ガス中のCO濃度を2ppmまで下げることができる。
Thus, the concentration of CO in the hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generator 403 to the
以上のように、本実施の形態の燃料電池システム500においては、CO除去器150に隣接するよう配置され、CO除去器150と熱交換することで、水供給器51から供給される水を気化させると同時に、CO除去器150の冷却を行う蒸発器63によってCO除去器150のメタン化反応部の上流部の温度を低くすることにより、高温でより促進されるCO2の逆シフト反応を抑制して、COの生成を抑制することができ、水素含有ガス中のCO濃度を確実に低減でき、燃料電池200の劣化を抑制した信頼性の高い燃料電池システム500を提供することができる。
As described above, in the fuel cell system 500 according to the present embodiment, the fuel cell system 500 is disposed adjacent to the
また、本実施の形態においては、改質器100での水蒸気改質反応に必要な水の気化を行う蒸発器63を用いて、メタン化反応部の上流部161を効率的に冷却して、メタン化反応部の上流部161の温度を低くすることにより、新たな冷却構成を設けることなく、高温で起こるCO2の逆シフト反応を抑制し、COの生成を抑制することができる。
Further, in the present embodiment, the
その結果、常にCOの生成を抑制することができるため、より簡易な構成で、水素含有ガス中のCO濃度を確実に低減でき、燃料電池200の劣化を抑制した信頼性の高い燃料電池システム500を提供することができる。
As a result, since the generation of CO can always be suppressed, the CO concentration in the hydrogen-containing gas can be reliably reduced with a simpler configuration, and a highly reliable fuel cell system 500 that suppresses the deterioration of the
また、本実施の形態においては、特に、CO除去器150の選択酸化反応部160の触媒層の温度をメタン化反応部の触媒層の温度より高くすることで、CO除去器150の選択酸化反応部160において、反応速度を十分高くすることができるため、CO濃度の低減を促進することができる。
Further, in the present embodiment, in particular, the temperature of the catalyst layer of the selective
そのため、CO除去器150に充填する触媒量を削減することができ、小型の水素生成装置を提供することができる。その結果、常にCOの生成を抑制することができるため、水素含有ガス中のCO濃度を確実に低減でき、燃料電池200の劣化を抑制した信頼性の高い燃料電池システム500を提供することができる。
Therefore, the amount of catalyst loaded in the
なお、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、他には、例えば、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てもよい。
Although a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is used for the
以上のように、本発明にかかる水素生成装置は、水素含有ガス中のCO濃度を十分に低減することが可能となるので、CO濃度が充分に低減された水素含有ガスが求められる用途、特に、固体高分子形燃料電池(PEFC)を用いた燃料電池システムに好適である。 As described above, the hydrogen generator according to the present invention can sufficiently reduce the concentration of CO in the hydrogen-containing gas, and therefore, the use in which the hydrogen-containing gas with sufficiently reduced CO concentration is required, in particular, It is suitable for a fuel cell system using a polymer electrolyte fuel cell (PEFC).
10 脱硫器
20 加熱器
21 燃料供給量検出器
22 燃料供給器
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
42 燃料供給経路
43 バイパス経路
45 バイパス封止器
50 水供給量検出器
51 水供給器
61 蒸発器
62 冷却器
63 蒸発器
70 空気供給量検出器
71 空気供給器
80 改質器温度検知器
81 冷却空気供給量検出器
82 冷却空気供給器
91 選択酸化空気供給量検出器
92 選択酸化空気供給器
100 改質器
150 CO除去器
151 円筒
152 円筒
153 丸棒
156 パイプ
157 円筒
158 パイプ
159 円筒
160 選択酸化反応部
161 メタン化反応部の上流部
162 メタン化反応部の下流部
171 パイプ
172 円筒
173 パイプ
200 燃料電池
201 水素利用機器
300 制御器
301 演算部
302 記憶部
303 制御器
304 制御器
305 制御器
400 水素生成装置
401 水素生成装置
402 水素生成装置
403 水素生成装置
500 燃料電池システム
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