JP4199593B2 - Pure hydrogen production equipment - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素等の水素原子含有燃料を改質することにより得た水素リッチな改質ガスをPSA装置により精製して純水素ガスを製造する装置に関し、特に炭酸ガスの排出量を抑制しつつ、一酸化炭素、未燃焼炭化水素、NOx等の不純物をほとんど発生させずに素早く起動することができる純水素製造装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体高分子電解質膜を燃料極(アノード)と酸素極(カソード)とで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成された固体高分子膜型燃料電池では、燃料極に燃料として水素が供給され、酸素極に酸化剤として空気が供給されて、燃料極で触媒反応により発生した水素イオンが固体高分子電解質膜を通過して酸素極まで移動し、酸素極で酸素と電気化学反応を起こして発電する。このような燃料電池に燃料として供給する水素ガスを、炭化水素等の液体燃料(メタノールやガソリン等)や気体燃料(メタンやエタン等)を改質することにより生成する燃料電池システムが知られている。
【0003】
例えば、特開平8-225302号(特許文献1)に開示された水素製造装置は、脱硫装置、高温改質器、高温変成装置及びPSA(Pressure Swing Adsorption)装置を備えている。このうち、PSA装置は、水素以外の成分を高圧下で選択的に吸着し、減圧下で脱着する吸着剤を充填した1つ又は2つ以上の吸着塔を有する。各吸着塔にそれぞれ吸着−脱着−置換−昇圧からなる運転を循環的に行わせることにより、水素を取り出して他の成分をパージガスとして排出するように構成されている。水蒸気改質での混合ガス中で一酸化炭素は吸着し難い成分である。従って、PSA装置を経済的かつコンパクトに構成するために、PSA装置に入る混合ガス中の一酸化炭素の濃度を極力小さく抑える必要がある。そのために、PSA装置の上流にCO変性装置を配置し、CO変性反応(CO+H2O→H2+CO2)によりCO濃度を低下させるとともに、水素濃度をできるだけ上昇させている。
【0004】
しかしながら、炭化水素燃料を改質してなる水素リッチガスからPSA装置により純水素ガスを分離して、燃料電池に供給するシステムでは、電力負荷変動に対し改質リッチガスの供給元である改質システムの負荷変動が追従できず、水素を負荷変動に対してレスポンス良く燃料電池に投入するのは困難である。
【0005】
一方、燃料電池システムの起動時において、改質器の改質触媒を所定の活性温度まで昇温させる動作として、例えば始動燃焼器においてメタノール等の始動用燃料を燃焼させ、得られた燃焼ガスにより改質器を加熱する方法[特開2000-723163号(特許文献2)]が知られている。
【0006】
その他の燃料電池システムの起動動作として、例えば改質器の上流に配置された触媒燃焼器に空気と、例えばメタノール等の燃料とを供給し、バーナにより触媒を活性化させた後メタノールと空気を直接投入し、次いで、過剰量の液体燃料を供給して蒸発させ、さらに水蒸気を混合して得た改質用原料ガスを改質器に供給する方法[特開2000-191304号(特許文献3)]も知られている。
【0007】
しかしながら、上記方式ではいずれも、メタノール等の燃料が触媒燃焼やバーナ燃焼するので、CO2の排出があるのみならず、未燃焼の燃料やCO等の不純物ガスの排出もあり、環境上好ましくない。その上、メタノール等の燃料を触媒燃焼させることにより改質器や蒸発器を昇温させるのに要する時間は比較的長いので、装置の起動時間が長くなるという問題もある。
【0008】
特開2002-20102号(特許文献4)は、原料炭化水素の硫黄分を除去する脱硫部と、上記脱硫部で脱硫された原料炭化水素に水蒸気を加えて水蒸気改質することで水素含有ガスを生成する水蒸気改質部と、上記水素含有ガス中の一酸化炭素と水蒸気を二酸化炭素及び水素に転換するガス変成部と、前記ガス変成部でガス変成された水素含有ガスを高純度水素に精製するPSA部と、水素含有の可燃性ガスと空気中の酸素とを燃焼反応させて、上記水蒸気改質部を加熱する触媒燃焼部とを備えた水素製造装置の起動方法において、上記触媒燃焼部に高純度水素と空気とを供給して触媒燃焼反応を起こさせることで上記水蒸気改質部を昇温させ、前記水蒸気改質部の温度が水蒸気改質の開始温度に達したとき、上記水蒸気および上記原料炭化水素の供給を開始する水素製造装置の起動方法を開示している。高純度水素はPSA部に接続した水素貯蔵タンクから触媒燃焼部に供給される。
【0009】
この水素製造装置の起動方法では、PSA部から得られた高純度水素の触媒燃焼反応により触媒燃焼部を加熱するので、排気ガスはクリーンである。しかしながら、PSA部から出たオフガスの利用については言及していない。
【0010】
一方本出願人は、水素原子を含む燃料ガスを改質触媒の水素リッチなガスに改質する装置と、前記改質ガス中の不純物ガスを吸着して純水素ガスを分離する複数の吸着塔を具備する圧力スイング吸着装置と、前記改質ガスを加圧して前記吸着塔に供給する改質ガス供給手段と、前記吸着塔に吸着した前記不純物ガスを脱着させてなるオフガスを貯溜するオフガスタンクと、前記オフガスタンクから供給される前記オフガスを燃焼可能な触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器に触媒により燃焼可能な燃料を供給する手段とを具備する純水素製造装置であって、前記純水素製造装置の始動時に、前記オフガスタンクに貯溜されている前記オフガスを前記触媒燃焼器に供給し、前記触媒燃焼器での前記オフガスの燃焼熱により前記改質器を昇温し、前記触媒燃焼器の前記燃焼触媒が所定の活性状態に到達したときに前記触媒燃焼器への前記オフガスの供給を停止し、前記燃料供給手段により前記燃料を前記触媒燃焼器に供給し、前記改質器が所定の作動開始状態に到達したときに前記触媒燃焼器への前記燃料の供給を停止することを特徴とする純水素製造装置を先に提案した(特願2003-090573号)。
【0011】
燃料電池システムの起動時にオフガスにより燃焼触媒を所定の活性状態まで加熱する上記システムは、オフガスを有効利用するという利点があるものの、触媒燃焼器でオフガスを燃焼させると、排気ガス中に炭酸ガスが含まれるだけでなく、未燃焼の燃料や一酸化炭素、NOx等も含まれ、発電システムとしてのクリーンさが幾分低下するという問題がある。
【0012】
【特許文献1】
特開平8-225302号公報
【特許文献2】
特開2000-723163号公報
【特許文献3】
特開2000-191304号公報
【特許文献4】
特開2002-20102号公報
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、PSA装置による改質ガスの精製を利用して装置全体を小型化するとともに、PSA装置により得られた純水素ガスとともに、PSA装置のオフガス及び/又は残留ガスを使用することにより、素早くかつ効率良く起動し得る純水素製造装置を提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の純水素製造装置は、水素原子を含む燃料の改質により得られた水素含有改質ガスを圧力スイング吸着法により精製して純水素を製造するもので、(a) 燃焼触媒を有する触媒燃焼器が内蔵された蒸発器と、(b) 前記蒸発器の下流に接続され、前記蒸発器により生成した水蒸気及び燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質触媒を有する改質器と、(c) 前記改質器の下流に接続され、前記改質ガスを精製して純水素ガスを得る圧力スイング吸着装置と、(d) 前記圧力スイング吸着装置から得られた脈動を有する純水素ガスを貯蔵する脈動緩和水素タンクと、(e) 前記圧力スイング吸着装置から出たオフガスを貯蔵するオフガスタンクとを具備し、前記脈動緩和水素タンク及び前記オフガスタンクはそれぞれ前記触媒燃焼器及び前記改質器に接続しており、前記純水素製造装置の起動時に、前記脈動緩和水素タンクの純水素ガス及び前記オフガスタンクのオフガスを適宜切り換えて前記触媒燃焼器及び前記改質器に送給して触媒燃焼させ、もって前記触媒燃焼器、前記蒸発器及び前記改質器を昇温させることを特徴とする。
【0015】
前記純水素ガス及び前記オフガスの切り換えはそれぞれ前記脈動緩和水素タンク及び前記オフガスタンクの残圧に基づき決定するのが好ましい。
【0016】
本発明の好ましい実施例では、前記圧力スイング吸着装置も前記触媒燃焼器及び前記改質器に接続している。この場合、前記純水素製造装置の起動時に、前記圧力スイング吸着装置の残留ガス、前記脈動緩和水素タンクの純水素ガス及び前記オフガスタンクのオフガスを適宜切り換えて前記触媒燃焼器及び前記改質器に送給して触媒燃焼させ、もって前記触媒燃焼器及び前記改質器を昇温させる。前記純水素ガス、前記オフガス及び前記残留ガスの切り換えもそれぞれ前記脈動緩和水素タンク、前記オフガスタンク及び前記圧力スイング吸着装置の残圧に基づき決定するのが好ましい。
【0017】
前記脈動緩和水素タンクの純水素ガスを最初に前記触媒燃焼器及び前記改質器に送給するのが好ましい。
【0018】
前記改質器と前記圧力スイング吸着装置との間に冷却器及び気水分離器が設けられており、もって前記改質器から出た改質ガスから水蒸気を液化して分離するのが好ましい。
【0019】
前記脈動緩和水素タンクに固体高分子電解質型燃料電池、水素貯蔵装置及び水素ディスペンサが接続しているのが好ましい。
【0020】
前記蒸発器及び前記改質器に燃料燃焼バーナが接続しており、前記圧力スイング吸着装置中の残留ガス、前記オフガスタンク中のオフガス及び前記脈動緩和水素タンク中の純水素ガスの総熱量が前記蒸発器及び前記改質器を所定の温度に加熱するのに要する熱量に達しない場合に、前記バーナで燃料を燃焼させ、その燃焼ガスを前記蒸発器及び前記改質器に送給するのが好ましい。
【0021】
【発明の実施の形態】
[1] 第一の実施例
(A) 純水素製造装置の構造
図1は本発明の第一の実施例による純水素製造装置の全体構成を概略的に示す。この純水素製造装置は、水及び燃料を蒸発するための蒸発器1と、熱交換部2を介して蒸発器1に接続した改質器3と、冷却器4及び気水分離器5及び圧縮機6を介して改質器3に接続したPSA装置7と、PSA装置7により精製された純水素ガスを貯蔵する脈動緩和水素タンク8と、PSA装置7により純水素ガスを分離した後のオフガスを貯蔵するオフガスタンク9と、脈動緩和水素タンク8に流量調整弁V1を介して接続した固体高分子電解質型燃料電池(PEFC)10と、脈動緩和水素タンク8に流量調整弁V2及び圧縮機11を介して接続した高圧水素タンク12と、高圧水素タンク12に接続した水素ディスペンサ13とを有する。
【0022】
蒸発器1にはそれを加熱するための触媒燃焼器15が内蔵されている。触媒燃焼器15は燃焼触媒として例えばPt系又はPd系の触媒を含有している。脈動緩和水素タンク8及びオフガスタンク9はそれぞれ遮断弁V3,V4を介して始動用ガスラインTLに接続しており、始動用ガスラインTLはそれぞれ噴射手段(流量制御手段)INJ-1及びINJ-2を介して改質器3及び触媒燃焼器15に接続している。この例では、触媒燃焼器15及び改質器3にそれぞれ燃料燃焼バーナ18,19が接続しており、各バーナ18,19の燃料供給ラインには遮断弁V5,V6が設けられている。
【0023】
改質器3は、Rh系、Ru系等の改質触媒を有し、改質触媒の作用により燃料を改質用空気で部分的に酸化するとともに、燃料を水蒸気で改質することにより水素リッチな改質ガスを生成する。この改質反応は吸熱反応であるが、これに必要な熱量は酸化反応により補給される。例えば燃料としてメタンを使用した場合、メタン、空気中の酸素及び水蒸気により、CH4+2O2 → CO2+2H2O(発熱反応)と、CH4+2H2O → CO2+4H2(吸熱反応)とが同時に起こる。このようなオートサーマル(ATR)方式の改質器3は、外部加熱手段が不要であるので構成が簡素であり、昇温(暖機)時間が短い。
【0024】
PSA装置7は、改質器3により生成した水素リッチな改質ガスから水素ガスのみ分離するものであり、例えば図2に示す構造を有する。このPSA装置7は、第一〜第三の吸着塔71a,71b,71cと、第一〜第三の三方切換弁72a,72b,72cと、第一〜第三の均圧制御弁73a,73b,73cとを具備する。各吸着塔71a,71b,71cには、例えば活性炭やゼオライト等の吸着剤が充填されている。
【0025】
圧縮機6は、各三方切換弁72a,72b,72cを介して各吸着塔71a,71b,71cに接続しており、改質ガスは圧縮機6で加圧されて、各吸着塔71a,71b,71cに供給される。各吸着塔71a,71b,71cは改質ガスに含まれる一酸化炭素や窒素等の不純物ガスを吸着剤により吸着し、吸着されなかった純水素ガスは各吸着搭71a,71b,71cに接続した脈動緩和水素タンク8へ流通する。第一〜第三の切換制御弁72a,72b,72cのいずれか1つは、圧縮機6から各吸着塔71a,71b,71cへ向かう流通方向FINに設定されている。
【0026】
各吸着塔71a,71b,71cは、各切換制御弁72a,72b,72cを介してオフガスタンク9に接続している。第一〜第三の吸着塔71a,71b,71cのいずれかから排出された純水素ガスが洗浄ガスとして各吸着塔71a,71b,71cを流通すると、各吸着塔71a,71b,71c内の吸着剤に吸着されていた一酸化炭素や窒素等の不純物ガスが脱着して、オフガスタンク9に排出され、各吸着塔71a,71b,71c内は洗浄される。第一〜第三の切換制御弁72a,72b,72cのいずれか一つは、各吸着塔71a,71b,71cからオフガスタンク9へ向かう流通方向FOUTに設定されている。
【0027】
各吸着塔71a,71b,71cは三方切換弁73a,73b,73c介して均圧制御用流路76に接続しており、各均圧制御弁73a,73b,73cは各吸着塔71a,71b,71cから均圧制御用流路76へ向かう流通方向OUT、又は均圧制御用流路76から各吸着塔71a,71b,71cへ向かう流通方向INへの切換が可能である。
【0028】
均圧入及び均圧出の処理において、第一〜第三の均圧制御弁73a,73b,73cの1つを閉じ、もう一つを均圧制御用流路76ヘ向かう流通方向OUTに設定し、最後の一つを各吸着塔71a,71b,71cへ向かう流通方向1Nに設定すると、第一〜第三の吸着塔71a,71b,71cのいずれか2つの内圧が同じになる。
【0029】
各切換制御弁72a,72b,72c及び各均圧制御弁73a,73b,73cにより流通方向の切換を制御することにより、図3に示すように順次吸着、均圧出、減圧、洗浄、均圧入、昇圧からなる一連の処理を繰り返し、改質ガスから純水素ガスを連続的に分離する。
【0030】
第一〜第三の吸着塔71a,71b,71c、第一〜第三の切換制御弁72a,72b,72c、及び第一〜第三の均圧制御弁73a,73b,73cの制御によるPSA装置7の運転は図3に示す通りである。
【0031】
上記以外の装置については、特に断らない限り従来のものと同じでよい。
【0032】
(B) 純水素製造装置の操作
(1) 改質システムの始動
図4は改質システム(蒸発器1及び改質器3を含む)の始動の一例を示す。図4では、触媒燃焼器15の燃焼触媒の温度T1及び改質器3の改質触媒の温度T2を上昇させるために脈動緩和水素タンク8の純水素ガスを使用する工程だけを示しているが、勿論本発明ではさらにオフガスタンク9のオフガスも使用する。さらにPSA装置7の残留ガス(主として水素ガス)を使用することもできる。
【0033】
純水素ガスの他にオフガス及び残留ガスを使用する場合、これらのガスの切り換えを、PSA装置7、脈動緩和水素タンク8及びオフガスタンク7の残圧に基づき決定する。この場合、純水素ガス、オフガス及び残留ガスを触媒燃焼器15及び改質器3に送給する順序は適宜設定することができる。
【0034】
図4のフローチャートは便宜上触媒燃焼器15の昇温を先に示しているが、これは触媒燃焼器15の昇温を先にすべきことを意味している訳ではなく、勿論触媒燃焼器15及び改質器3の昇温を同時に行うこともできる。しかしながら、いずれの場合も触媒燃焼器15及び改質器3に脈動緩和水素タンク8の純水素ガスを最初に送給するのが好ましい。
【0035】
図4のフローチャートの手順に従って改質システムを起動するには、まず触媒燃焼器15の燃焼触媒の温度T1及び改質器3の改質触媒の温度T2を検知する(工程A2)。次いで脈動緩和水素タンク8の内圧P3が定格以上か否かを判定し(工程A3)、定格以上の場合には脈動緩和水素タンク8の内圧P3及び燃焼触媒温度T1より触媒燃焼器15に供給する水素の噴射量を決定する(工程A4)。また触媒燃焼器15に始動用空気を噴射するとともに(工程A5)、脈動緩和水素タンク8より触媒燃焼器15に水素を噴射し、燃焼触媒を昇温させる(工程A6)。
【0036】
燃焼触媒温度T1が所定の温度Tc(例えば540℃)以上か否かを判定し(工程A7)、所定の温度Tc未満の場合には、工程A6を繰り返す。また所定の温度Tc以上の場合には、脈動緩和水素タンク8の内圧P3及び改質触媒温度T2より、改質触媒への水素の噴射量を決定し(工程A8)、改質触媒への始動用空気を噴射する(工程A9)。
【0037】
脈動緩和水素タンク8より改質触媒に水素を噴射して、改質触媒を昇温させ(工程A10)、改質触媒の温度T2が所定の温度Tc(例えば540℃)以上か否かを判定する(工程A11)。所定の温度Tc未満の場合には、工程A10を繰り返す。また所定の温度Tc以上の場合には、改質器の昇温を完了する。
【0038】
また工程A3で、脈動緩和水素タンク8の内圧P3が定格未満であると判定された場合、燃焼触媒温度T1及び改質触媒温度T2より各燃料燃焼バーナ18,19に供給する燃料の流量を決定する(工程A4')。バーナ18を作動して(工程A5')、燃焼触媒温度T1が所定の温度Tc(例えば540℃)以上か否かを判定し(工程A6')、所定の温度Tc未満の場合には、工程A5'を繰り返す。また所定の温度Tc以上の場合には、同様にバーナ19を作動して(工程A7')、改質触媒温度T2が所定の温度Tc(例えば540℃)以上か否かを判定する(工程A8')。所定の温度Tc未満の場合には、工程A7'を繰り返す。また所定の温度Tc以上の場合には、改質器の昇温を完了する。
【0039】
上記工程A4'〜工程A8'では各燃料燃焼バーナ18,19による燃焼ガスにより蒸発器1及び改質器3を昇温しているが、勿論オフガス及び/又は残留ガスを使用して昇温させることもできる。バーナ18,19の燃焼ガスによりどの程度まで蒸発器1及び改質器3を昇温させるかは、PSA装置7、脈動緩和水素タンク8及びオフガスタンク7の残圧に基づき決定する。
【0040】
(2) 燃料投入量の決定
図5に示すように、改質システムの昇温の完了後、脈動緩和水素タンク8の内圧P3及び高圧水素タンク12の内圧P4により、改質負荷(燃料の供給量等)を表に従って決定する(工程B4)。工程B4で設定した改質負荷で改質器3を運転し(工程B5)、発電負荷をモニターし、定格以下か否かを判定する(工程B6)。発電負荷が定格超の場合には工程B5を繰り返し、定格以下の場合には脈動緩和水素タンク8の内圧P3が定格以上か否かを判定する(工程B7)。P3が定格未満の場合には工程B5を繰り返し、定格以上の場合には改質負荷表に従い、改質負荷をPSA装置7と連動させながら段階的に低下させ、最終的に定格条件下で改質器3を運転する(工程B8)。
【0041】
(3) 発電負荷への追従
図6に示すように、改質システムの昇温の完了後、PEFCの発電量をモニターし(工程C2)、発電量に応じてPEFCの上流に設けられた流量調整弁V1の開度をフィードバック制御する(工程C3)。これにより、発電負荷に応じた量の純水素ガスをPEFCに供給する。
【0042】
(4) 高圧水素の製造
家庭等での負荷は時間により変動するので、PEFCはその負荷(発電負荷)に追随して発電する必要がある。すなわち、変動する発電負荷に応じた水素ガスをPEFCに供給しなければならない。この発電負荷の変動に改質器3は追随できないので、図7に示すように、改質器3の定格運転中、脈動緩和水素タンク8が発電負荷に追従して、PEFCに必要量の水素ガスを供給するようになっている(工程D2)。次いで、発電負荷が定格の所定割合(例えば70%)以下か否かを判定し(工程D3)、所定割合超の場合には発電システムの運転を継続する。また所定割合以下の場合、脈動緩和水素タンク8の内圧P3が所定値(例えば500 kPa)以上か否かを判定し(工程D4)、P3が所定値未満のときには発電システムの運転を継続する。
【0043】
P3が所定値以上の場合、高圧水素タンク12の内圧P4が所定値(例えば30 MPa)以下か否かを判定し(工程D5)、P4が所定値超のときには発電システムの運転を継続する。またP4が所定値以下の場合、発電負荷、脈動緩和水素タンク8の内圧P3及び高圧水素タンク12の内圧P4より、高圧水素タンク12の上流に設けられた流量調整弁V2の開度を算出する(工程D6)。工程D6の算出値に基づいて圧縮機11を作動し、高圧水素タンク12に水素ガスを充填する(工程D7)。脈動緩和水素タンク8の内圧P3が所定値PB(例えば500 kPa)未満であるか、高圧水素タンク12の内圧P4が所定値PH(例えば35 MPa)超であるか、いずれかの条件を満たす場合、高圧水素タンク12用の圧縮機11の運転を停止する(工程D8)。
【0044】
(5) 定格運転中に改質器に投入する燃料の流量の決定
図8に示すように、改質器3の定格運転中、発電負荷に追従して発電システムを運転する(工程E2)。発電負荷が定格の所定割合(例えば70%)以上か否かを判定し(工程E3)、所定割合未満の場合には工程E2に戻って、発電システムの運転を継続する。また発電負荷が定格の所定割合以下の場合、脈動緩和水素タンク8の内圧P3が所定値(例えば500 kPa)以下か否かを判定し(工程E4)、P3が所定値超のときには発電システムの運転を継続する。
【0045】
P3が所定値以下の場合、脈動緩和水素タンク8の内圧P3及び高圧水素タンク12の内圧P4より、改質負荷を決定し(工程E5)、PSA装置7と連動しながら段階的に改質用燃料の流量を増大させる(工程E6)。発電負荷が定格以下か否かを判定し(工程E7)、発電負荷が定格超の場合には工程E6を繰り返す。また発電負荷が定格以下の場合、脈動緩和水素タンク8の内圧P3が所定値PB(例えば500 kPa)以上であるか否かを判定する(工程E8)。P3が所定値PB未満の場合、工程E6を繰り返す。またP3が所定値PB以上の場合、改質負荷表に従って、PSA装置7と連動しながら段階的に改質負荷を低下させ、定格運転に収束させる(工程E9)。
【0046】
[2] 第二の実施例
(A) 純水素製造装置の構造
図9は本発明の第二の実施例による純水素製造装置の全体構成を概略的に示す。なお第一の実施例における装置と同じ装置には同じ参照番号を付してある。
【0047】
改質器3と冷却器4との間に三方切換弁V7が設けられており、三方切換弁V7は循環ラインRに接続している。PSA装置7と脈動緩和水素タンク8との間に三方切換弁V8が設けられており、三方切換弁V8と始動用ガスラインTLとはPSA残留ガスラインZにより接続している。高圧水素タンク12と始動用ガスラインTLとの間に非常用水素タンク20が設けられており、非常用水素タンク20の両側に遮断弁V13,V14が設けられている。非常用水素タンク20はシステム設置時に一度目の始動するためにも必要なエネルギーとしての水素を充填したタンクであり、始動用に使用した場合は運転時に高圧水素タンク12から補充する。
【0048】
PEFC10のカソードは循環ラインR及び触媒燃焼器15に接続している。なおV15は圧力調整弁である。またV15も圧力調整弁で、循環ラインRの圧力を調整する。上記以外の構成については、実質的に第一の実施例による純水素製造装置と同じであるので、説明を省略する。
【0049】
(B) 純水素製造装置の操作
(1) 改質システムの昇温
図10に示すように、改質システムの起動信号に応じて、三方切換弁V7を循環ラインRに接続する(工程F2)。燃焼触媒温度T1及び改質触媒温度T2を検出し、噴射手段INJ-1及びINJ-2の噴射量及び蒸発器1の温度T3から、燃焼触媒温度T1及び改質触媒温度T2を所定温度(例えば550℃)まで昇温させるのに必要な熱量Vを算出するとともに、触媒温度(例えば550℃)から、改質システム全体を昇温させるのに必要なオフガスの熱量VC、並びに始動用空気、加熱空気及び改質用空気の流量を算出する(工程F3)。さらに、PSA装置7の内圧P1、オフガスタンク9の内圧P2及び脈動緩和水素タンク8の内圧P3を検出し、各タンク中の水素の熱量P1Q,P2Q,P3Qを算出する(工程F4)。
【0050】
P1Q<V+VCの条件を満たすか否かを判定し(工程F5)、満たさない場合にはフローAに進み、満たす場合にはP2Q>VCの条件を満たすか否かを判定する(工程F6)。P2Q>VCの条件を満たさない場合には工程F18に進み、P1Q+P2Q+P3Q>V+VCの条件を満たすか否かを判定する。P1Q+P2Q+P3Q>V+VCの条件を満たす場合には、P3Q>Vの条件を満たすか否かを判定する工程F7に進み、また満たさない場合にはフローBに進む。また工程F6の判定でP2Q>VCの条件を満たす場合、工程F7に進み、P3Q>Vの条件を満たさない場合には、P1Q+P3Q>Vの条件を満たすか否かを判定する工程F19に進み、満たさない場合にはフローBに進む。また工程F7の判定及び工程F19の判定を満たす場合には、いずれも改質システムの昇温を開始する(それぞれ工程F8,F20)。
【0051】
三方切換弁V8をラインZに接続し(工程F9)、改質触媒温度T2が目標値(例えば550℃)となるように、PSA装置7の残留ガスを噴射手段INJ-1より改質器3に噴射し、改質器3を昇温する(工程F10)。そのとき、始動用空気も改質器3に供給する。また循環ラインRの圧力を例えば5 kPaとして、PSA装置7の残留ガスを噴射手段INJ-2より触媒燃焼器15に噴射し、燃焼触媒温度T1の目標値を例えば550℃として、蒸発器1を昇温させる(工程F11)。
【0052】
燃焼触媒温度T1及び改質触媒温度T2がいずれも所定値(例えば540℃)を超えたか否かを判定し(工程F12)、超えていない場合には工程F10に戻り、超えた場合には蒸発器1の温度T3が所定温度H℃を超えたか否かを判定する(工程F13)。所定温度H℃は、システム全体の昇温が完了したか否かを判定できる部位に設置した温度センサにより測定する。例えば三方切換弁V7の配管壁面の温度をH℃として、それが150℃(改質ガス露点温度に安全率を設定)になった時点で筐体の昇温が完了したと判定する。しかし、設置場所についてはシステム昇温が判断できる部位ならどこでも構わない。
【0053】
T3>H℃の条件が満たされた場合には、改質システムの昇温が完了し(工程F14)、改質を開始する(工程F15)。また満たされない場合には、三方切換弁V8を閉じ、遮断弁V12を開放して、オフガスタンク9のオフガスを噴射手段INJ-2より触媒燃焼器15に噴射し、燃焼触媒を昇温する(工程F16)。燃焼触媒温度T1及び改質触媒温度T2の目標値を例えば550℃として、噴射手段INJ-1及びINJ-2より蒸発器1及び改質器3を昇温し(工程F17)、工程F13に戻る。
【0054】
改質システムの昇温を開始する工程F20以降としては、まず三方切換弁V8をPSA残留ガスラインZに接続し(工程F21)、改質触媒温度T2の目標値を例えば550℃として、PSA装置7の残留ガスを噴射手段INJ-1より改質器3に噴射し、改質器3を昇温する(工程F22)。始動用ガスラインTLの圧力Paが圧力調整弁V15の調整圧と同じまで降下したとき、三方切換弁V8を閉じ、遮断弁V11を開放して脈動緩和水素タンク8のラインXを始動用ガスラインTLに接続する(工程F23)。改質触媒温度T2の目標値を例えば550℃として、脈動緩和水素タンク8内の純水素ガスの一部を噴射手段INJ-1より改質触媒に噴射して、改質器3を昇温する(工程F24)。また循環ラインRの圧力を例えば5 kPaとし、かつ燃焼触媒温度T1の目標値を例えば550℃として、脈動緩和水素タンク8内の純水素ガスの一部を噴射手段INJ-2より触媒燃焼器15に噴射し、蒸発器1を昇温させる(工程F25)。
【0055】
燃焼触媒温度T1及び改質触媒温度T2がいずれも所定値(例えば540℃)を超えたか否かを判定し(工程F26)、超えていない場合には工程F22に戻り、超えた場合にはフローCに進む。
【0056】
図11に示すフローAでは、改質システムの昇温を開始する。まず三方切換弁V8をPSA残留ガスラインZに接続し(工程F28)、改質触媒温度T2の目標値を例えば550℃として、噴射手段INJ-1よりPSA残留ガスを改質器3に供給するとともに、改質用空気も供給し、改質器3を昇温する(工程F29)。また循環ラインRの圧力を例えば5 kPaとし、かつ燃焼触媒温度T1の目標値を例えば550℃として、噴射手段INJ-2を作動し、PSA残留ガス及び始動用空気を触媒燃焼器15に供給して、蒸発器1を昇温する(工程F30)。燃焼触媒温度T1及び改質触媒温度T2がともに例えば540℃超であるか否かを判定し(工程F31)、540℃以下である場合には工程F29に戻る。また燃焼触媒温度T1及び改質触媒温度T2がともに540℃超の場合、さらに蒸発器1の温度T3が所定温度H℃を超えたか否かを判定する(工程F32)。温度T3がH℃を超えていない場合には工程F30に戻り、超えた場合には改質システムの昇温は完了し(工程F33)、改質を開始する(工程F34)。
【0057】
図12に示すフローBは非常用シーケンスである。まず非常用水素タンク20の圧力P5から貯蔵された水素の熱量VBを算出する(工程F35)。VBがVを超えているか否かを判定し(工程F36)、VBがV以下の場合には警報を発令し、起動を中止する。またVBがVを超えた場合にはP1Q+P2Q+P3Q+VB>V+VCの条件を満たすか否かを判定する(工程F37)。この条件を満たさない場合には、警報を発令し、起動を中止する。また満たす場合には遮断弁V13を開放して非常用水素タンク20を始動用ガスラインTLに接続するとともに、改質用空気を改質器3に供給する(工程F38)。改質触媒温度T2の目標値を例えば550℃として、噴射手段INJ-1より水素ガスを噴射して、改質器3を昇温する(工程F39)。また循環ラインRの圧力を例えば5 kPaとし、かつ燃焼触媒温度T1の目標値を例えば550℃として、噴射手段INJ-2を作動し、非常用水素タンク20から水素ガスを触媒燃焼器15に供給して、蒸発器1を昇温する(工程F40)。
【0058】
燃焼触媒温度T1及び改質触媒温度T2がともに例えば540℃超であるか否かを判定し(工程F41)、540℃以下である場合には工程F39に戻る。また燃焼触媒温度T1及び改質触媒温度T2がともに540℃超の場合、さらに蒸発器1の温度T3が所定温度H℃未満であるか否かを判定する(工程F42)。
【0059】
温度T3がH℃未満の場合には、始動用ガスラインTLの圧力Paが圧力調整弁V15の調整圧と同じまで降下したときに遮断弁V13を閉じ、三方切換弁V8をラインZに接続し、PSA装置7の残留ガスを噴射手段INJ-2より触媒燃焼器15に噴射して、燃焼触媒温度T1を上昇させる。さらに始動用ガスラインTLの圧力Paの監視を継続しながら、ラインY→ラインXの順に始動用ガスラインTLに接続して、触媒燃焼器15にオフガス及び純水素ガスを順に噴射し、燃焼触媒温度T1を上昇させる(工程F43)。次いで、工程F42に戻って、蒸発器1の温度T3が所定温度H℃未満であるか否かを判定する。このサイクルを繰り返し、温度T3がH℃以上になった時に改質システムの昇温を完了し(工程F44)、改質を開始する(工程F45)。
【0060】
図13に示すフローCでは、蒸発器1の温度T3が所定温度H℃未満であるか否かを判定し(工程F46)、H℃以上の場合には改質システムの昇温は完了し(工程F47)、改質を開始する(工程F48)。またH℃未満の場合には、始動用ガスラインTLの圧力Paが圧力調整弁V15の調整圧と同じまで降下したときに三方切換弁V11を閉じ、遮断弁V12を開放してオフガスタンク9のラインYを始動用ガスラインTLに接続する(工程F49)。燃焼触媒温度T1及び改質触媒温度T2の目標値を例えば550℃として、触媒燃焼器15及び改質器3にそれぞれ噴射手段INJ-1,INJ-1よりオフガスを噴射し、蒸発器1及び改質器3を昇温する(工程F50)。
【0061】
蒸発器1の温度T3が所定温度H℃を超えたか否かを判定する(工程F51)。温度T3がH℃を超えていない場合には工程F39に戻り、超えた場合には改質システムの昇温は完了し(工程F52)、改質を開始する(工程F53)。
【0062】
以上、第一及び第二の実施例を別々に説明したが、これは勿論各々の操作に限定する意図ではなく、必要に応じて第一及び第二の実施例の手順を組合せて行うことができると理解すべきである。
【0063】
第二の実施例の純水素製造装置を用いて、室温(24℃)でPSA装置7に残留する水素ガスを改質器3内の改質触媒に供給し、触媒燃焼により改質触媒温度T2を上昇させた。次いで循環ラインRの圧力が5 kPaに上昇した時点で触媒燃焼器15内の燃焼触媒に水素ガスを供給し、燃焼触媒温度T1を上昇させた。各触媒温度が540℃になった時点で、水素ガスの代わりにオフガスを改質器3及び触媒燃焼器15に供給し、オフガスを触媒燃焼させた。このときの燃焼触媒温度T1及び改質触媒温度T2、並びに三方切換弁V8内の温度を測定した。結果を図14に示す。この改質システムの昇温性を、三方切換弁V8内の温度がH℃(150℃)に達する時間により評価した。その結果、この改質システムは55秒で必要な温度に到達することが分かった。これから、本発明の純水素製造装置の起動時間は1分以内であることが分かる。
【0064】
図15は上記の手順で起動した時に触媒燃焼器15から出る排気ガス中の不純物成分を示す。水素燃焼中はCO,総炭化水素成分及びNOXの排出量は0であり、オフガス燃焼に切り換えた後は、若干であるがCO及び総炭化水素成分が微量排出した。この結果から、本発明による改質システムの昇温では、全体として排気ガスは非常にクリーンであることが分かった。
【0065】
【発明の効果】
天然ガス、LPG等の水素原子含有燃料を改質してなる水素リッチガスからPSA装置により高純度水素を分離する方式を採用しているので、PSA装置に接続した脈動緩和水素タンクの水素を燃料電池に送給するのみならず、高圧水素タンクにも高圧充填することができる。
【0066】
始動時に、脈動緩和水素タンクに貯蔵された水素ガス及び/又はPSA装置に残留するガス(主として水素ガスからなる)を蒸発器に付属した触媒燃焼器及び改質器に供給するので、低温で迅速に水素の触媒燃焼が起こる。また所定の温度(例えば540℃)になった時に水素ガスからオフガスに切り換えることにより、オフガスを蒸発器及び改質器の昇温に有効利用できる。このような昇温システムにより、低温からの蒸発器及び改質器の昇温が迅速であり、純水素製造装置の起動時間が短いだけでなく、排気ガスも比較的クリーンである。
【0067】
特に純水素燃料電池搭載車両(FCV)への水素の充填を家庭で行うHRS(Home Refueling System)に用いる改質システムでは、起動・停止が頻繁に行われるため、効率を阻害する昇温用エネルギーを最小でかつコンパクトな始動デバイスが要求されるが、本発明の純水素製造装置は起動が迅速であるので、好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例による純水素製造装置を示す概略図である。
【図2】 PSA装置の詳細な構造を示すブロック図である。
【図3】 PSA装置における各吸着搭の作動を示す図である。
【図4】 昇温した改質器に投入する燃料の量を決定するフローチャートである。
【図5】 発電量に応じて固体高分子電解質型燃料電池に投入する水素ガスの量を制御するフローチャートである。
【図6】 改質システムの昇温プロセスの一例を示すフローチャートである。
【図7】 高圧水素の製造プロセスの一例を示すフローチャートである。
【図8】 定格運転時に改質器に投入する燃料の量を決定するフローチャートである。
【図9】 本発明の別の実施例による純水素製造装置を示す概略図であり、
【図10】 改質システムの昇温プロセスの別の例を示すフローチャートである。
【図11】 図10の改質システムの一部を示すフローチャートである。
【図12】 図10の改質システムの一部を示すフローチャートである。
【図13】 図10の改質システムの一部を示すフローチャートである。
【図14】 改質触媒及び燃焼触媒にそれぞれ水素ガス及びオフガスを送給したときの昇温パターンを示すグラフである。
【図15】 触媒燃焼器に送給した水素ガス及びオフガスが触媒燃焼したときに出る排気ガス中の不純物濃度を示すグラフである。
【符号の説明】
1・・・蒸発器
2・・・熱交換器
3・・・ATR改質器
4・・・冷却器
5・・・気水分離器
6・・・圧縮機
7・・・PSA装置
8・・・脈動緩和水素タンク
9・・・オフガスタンク
10・・・PEFC
11・・・圧縮機
12・・・高圧水素タンク
13・・・水素ディスペンサ
15・・・触媒燃焼器
20・・・非常用水素タンク
71a,71b,71c・・・吸着塔
72a,72b,72c・・・三方切換弁
73a,73b,73c・・・均圧制御弁
74・・・水素貯蔵部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an apparatus for producing pure hydrogen gas by purifying a hydrogen-rich reformed gas obtained by reforming a hydrogen atom-containing fuel such as hydrocarbon with a PSA apparatus, and in particular, suppressing carbon dioxide emission. In addition, the present invention relates to a pure hydrogen production apparatus that can be quickly started up with almost no impurities such as carbon monoxide, unburned hydrocarbons, and NOx.
[0002]
[Prior art]
In a polymer electrolyte membrane fuel cell configured by stacking a plurality of cells formed by sandwiching a polymer electrolyte membrane between a fuel electrode (anode) and an oxygen electrode (cathode) from both sides, hydrogen is used as a fuel in the fuel electrode. Is supplied, air is supplied to the oxygen electrode as an oxidant, hydrogen ions generated by a catalytic reaction at the fuel electrode pass through the solid polymer electrolyte membrane to the oxygen electrode, and electrochemical reaction with oxygen at the oxygen electrode To generate electricity. There is known a fuel cell system that generates hydrogen gas supplied as fuel to such a fuel cell by reforming liquid fuel such as hydrocarbon (methanol, gasoline, etc.) or gaseous fuel (methane, ethane, etc.). Yes.
[0003]
For example, a hydrogen production apparatus disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 8-225302 (Patent Document 1) includes a desulfurization apparatus, a high temperature reformer, a high temperature shift apparatus, and a PSA (Pressure Swing Adsorption) apparatus. Among these, the PSA apparatus has one or more adsorption towers filled with an adsorbent that selectively adsorbs components other than hydrogen under high pressure and desorbs under reduced pressure. Each adsorption tower is configured to cyclically perform an operation consisting of adsorption-desorption-substitution-pressure increase so that hydrogen is taken out and other components are discharged as purge gas. Carbon monoxide is a component that is difficult to adsorb in the mixed gas in steam reforming. Therefore, in order to construct the PSA apparatus economically and compactly, it is necessary to keep the concentration of carbon monoxide in the mixed gas entering the PSA apparatus as small as possible. For this purpose, a CO denaturing device is placed upstream of the PSA unit, and a CO denaturing reaction (CO + H 2 O → H 2 + CO 2 ) Reduces the CO concentration and increases the hydrogen concentration as much as possible.
[0004]
However, in a system in which pure hydrogen gas is separated from a hydrogen rich gas obtained by reforming hydrocarbon fuel by a PSA device and supplied to the fuel cell, the reforming system that is the source of the reformed rich gas with respect to power load fluctuations. It is difficult to load hydrogen into the fuel cell because the load fluctuation cannot be followed and hydrogen is responsive to the load fluctuation.
[0005]
On the other hand, at the time of starting the fuel cell system, as an operation for raising the temperature of the reforming catalyst of the reformer to a predetermined activation temperature, for example, starting fuel such as methanol is burned in the starting combustor and the obtained combustion gas is used. A method of heating a reformer [JP 2000-723163 (Patent Document 2)] is known.
[0006]
As another start-up operation of the fuel cell system, for example, air and a fuel such as methanol are supplied to a catalytic combustor disposed upstream of the reformer, and after the catalyst is activated by a burner, methanol and air are supplied. A method of supplying a reforming raw material gas obtained by directly charging, then supplying and evaporating an excessive amount of liquid fuel, and mixing water vapor to a reformer [Japanese Patent Laid-Open No. 2000-191304 (Patent Document 3) ]] Is also known.
[0007]
However, in any of the above systems, fuel such as methanol burns with catalyst or burner, so CO 2 2 In addition, there are also emissions of unburned fuel and impurity gases such as CO, which are undesirable in the environment. In addition, since the time required to raise the temperature of the reformer and the evaporator by catalytic combustion of fuel such as methanol is relatively long, there is also a problem that the startup time of the apparatus becomes long.
[0008]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-20102 (Patent Document 4) discloses a desulfurization section that removes sulfur content of a raw material hydrocarbon, and a hydrogen-containing gas obtained by steam reforming by adding steam to the raw material hydrocarbon desulfurized in the desulfurization section. A gas reforming section for converting carbon monoxide and steam in the hydrogen-containing gas into carbon dioxide and hydrogen, and a hydrogen-containing gas that has been gas-transformed in the gas conversion section into high-purity hydrogen. In the start-up method of the hydrogen production apparatus comprising the PSA unit to be purified, and the catalytic combustion unit that heats the steam reforming unit by causing a combustion reaction between the hydrogen-containing combustible gas and oxygen in the air, the catalytic combustion When the temperature of the steam reforming part reaches the start temperature of steam reforming, the temperature of the steam reforming part is raised by supplying a high-purity hydrogen and air to the part to cause a catalytic combustion reaction. Open the supply of water vapor and the above raw material hydrocarbons A starting method of a hydrogen production apparatus is disclosed. High purity hydrogen is supplied to the catalytic combustion section from a hydrogen storage tank connected to the PSA section.
[0009]
In this hydrogen production apparatus start-up method, the exhaust gas is clean because the catalytic combustion section is heated by the catalytic combustion reaction of high purity hydrogen obtained from the PSA section. However, it does not mention the use of off-gas from the PSA department.
[0010]
On the other hand, the present applicant has disclosed an apparatus for reforming a fuel gas containing hydrogen atoms into a hydrogen-rich gas of a reforming catalyst, and a plurality of adsorption towers that adsorb impurity gas in the reformed gas and separate pure hydrogen gas. A pressure swing adsorption device comprising: a reformed gas supply means that pressurizes the reformed gas and supplies the reformed gas to the adsorption tower; and an offgas tank that stores offgas formed by desorbing the impurity gas adsorbed on the adsorption tower And a pure hydrogen production apparatus comprising: a catalytic combustor capable of combusting the off gas supplied from the off gas tank; and a means for supplying fuel capable of being combusted by a catalyst to the catalytic combustor. At the start of the manufacturing apparatus, the offgas stored in the offgas tank is supplied to the catalytic combustor, the reformer is heated by the combustion heat of the offgas in the catalytic combustor, and the catalytic converter is heated. When the combustion catalyst of the combustor reaches a predetermined active state, the supply of the off gas to the catalytic combustor is stopped, the fuel is supplied to the catalytic combustor by the fuel supply means, and the reformer Has previously proposed a pure hydrogen production apparatus characterized in that the supply of the fuel to the catalytic combustor is stopped when a predetermined operation start state is reached (Japanese Patent Application No. 2003-090573).
[0011]
The above-mentioned system that heats the combustion catalyst to a predetermined active state by off-gas at the start of the fuel cell system has an advantage of effectively using off-gas. However, when off-gas is burned in the catalytic combustor, carbon dioxide is contained in the exhaust gas. In addition to being included, unburned fuel, carbon monoxide, NOx, etc. are also included, and there is a problem that the cleanliness of the power generation system is somewhat lowered.
[0012]
[Patent Document 1]
JP-A-8-225302
[Patent Document 2]
JP 2000-723163 A
[Patent Document 3]
JP 2000-191304 A
[Patent Document 4]
JP 2002-20102 A
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the object of the present invention is to reduce the size of the entire apparatus by utilizing the purification of the reformed gas by the PSA apparatus, and use the off-gas and / or residual gas of the PSA apparatus together with the pure hydrogen gas obtained by the PSA apparatus. By doing so, it is to provide a pure hydrogen production apparatus that can be started quickly and efficiently.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
That is, the pure hydrogen production apparatus of the present invention purifies a hydrogen-containing reformed gas obtained by reforming a fuel containing hydrogen atoms by a pressure swing adsorption method to produce pure hydrogen, and (a) a combustion catalyst (B) a reformer having a reforming catalyst connected downstream of the evaporator and generating a hydrogen-rich reformed gas from water vapor and fuel generated by the evaporator. A pressure swing adsorption device connected to the downstream of the reformer and purifying the reformed gas to obtain pure hydrogen gas, and (d) a pulsation obtained from the pressure swing adsorption device. A pulsation mitigating hydrogen tank for storing pure hydrogen gas, and (e) an offgas tank for storing offgas discharged from the pressure swing adsorption device, wherein the pulsation mitigating hydrogen tank and the offgas tank are respectively the catalytic combustor. And before Connected to a reformer, and when the pure hydrogen production apparatus is started up, the pure hydrogen gas in the pulsation mitigating hydrogen tank and the offgas in the offgas tank are appropriately switched and fed to the catalytic combustor and the reformer. The catalyst is combusted to raise the temperature of the catalyst combustor, the evaporator and the reformer.
[0015]
The switching between the pure hydrogen gas and the off gas is preferably determined based on the residual pressures of the pulsation mitigating hydrogen tank and the off gas tank, respectively.
[0016]
In a preferred embodiment of the present invention, the pressure swing adsorption device is also connected to the catalytic combustor and the reformer. In this case, when the pure hydrogen production apparatus is started, the residual gas of the pressure swing adsorption apparatus, the pure hydrogen gas of the pulsation mitigating hydrogen tank, and the off gas of the offgas tank are appropriately switched to the catalytic combustor and the reformer. The catalyst is combusted and fed to raise the temperature of the catalyst combustor and the reformer. The switching of the pure hydrogen gas, the off gas, and the residual gas is preferably determined based on the residual pressures of the pulsation mitigating hydrogen tank, the off gas tank, and the pressure swing adsorption device, respectively.
[0017]
It is preferable that pure hydrogen gas in the pulsation mitigating hydrogen tank is first supplied to the catalytic combustor and the reformer.
[0018]
A cooler and a steam / water separator are provided between the reformer and the pressure swing adsorption device, and it is preferable that water vapor is liquefied and separated from the reformed gas discharged from the reformer.
[0019]
It is preferable that a solid polymer electrolyte fuel cell, a hydrogen storage device, and a hydrogen dispenser are connected to the pulsation mitigating hydrogen tank.
[0020]
A fuel combustion burner is connected to the evaporator and the reformer, and a total heat quantity of residual gas in the pressure swing adsorption device, off-gas in the off-gas tank, and pure hydrogen gas in the pulsation mitigating hydrogen tank is When the amount of heat required to heat the evaporator and the reformer to a predetermined temperature is not reached, fuel is burned by the burner and the combustion gas is sent to the evaporator and the reformer. preferable.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[1] First embodiment
(A) Structure of pure hydrogen production equipment
FIG. 1 schematically shows the overall configuration of a pure hydrogen production apparatus according to a first embodiment of the present invention. This pure hydrogen production apparatus includes an evaporator 1 for evaporating water and fuel, a reformer 3 connected to the evaporator 1 through a heat exchange unit 2, a cooler 4, a steam separator 5 and a compression. A PSA device 7 connected to the reformer 3 via a machine 6, a pulsation mitigating hydrogen tank 8 for storing pure hydrogen gas purified by the PSA device 7, and an off-gas after separation of the pure hydrogen gas by the PSA device 7 , A solid polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 10 connected to the pulsation reducing hydrogen tank 8 via the flow rate adjusting valve V1, a pulsation reducing hydrogen tank 8 to the flow rate adjusting valve V2 and the compressor 11 And a hydrogen dispenser 13 connected to the high-pressure hydrogen tank 12.
[0022]
The evaporator 1 has a built-in catalytic combustor 15 for heating it. The catalytic combustor 15 contains, for example, a Pt-based or Pd-based catalyst as a combustion catalyst. The pulsation mitigating hydrogen tank 8 and the off-gas tank 9 are connected to the starting gas line TL via the shut-off valves V3 and V4, respectively. The starting gas line TL is the injection means (flow control means) INJ-1 and INJ-, respectively. 2 is connected to the reformer 3 and the catalytic combustor 15. In this example, fuel combustion burners 18 and 19 are connected to the catalytic combustor 15 and the reformer 3, respectively, and shut-off valves V5 and V6 are provided in the fuel supply lines of the burners 18 and 19, respectively.
[0023]
The reformer 3 has a reforming catalyst such as a Rh-based or a Ru-based, and partially oxidizes the fuel with the reforming air by the action of the reforming catalyst and reforms the fuel with steam to generate hydrogen. Produces rich reformed gas. Although this reforming reaction is an endothermic reaction, the amount of heat necessary for this is replenished by an oxidation reaction. For example, when methane is used as a fuel, CH2 is generated by methane, oxygen in the air, and water vapor. Four + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O (exothermic reaction) and CH Four + 2H 2 O → CO 2 + 4H 2 (Endothermic reaction) occurs simultaneously. Such an autothermal (ATR) type reformer 3 does not require an external heating means, and thus has a simple configuration and a short temperature increase (warming-up) time.
[0024]
The PSA device 7 separates only hydrogen gas from the hydrogen-rich reformed gas generated by the reformer 3, and has a structure shown in FIG. 2, for example. The PSA device 7 includes first to third adsorption towers 71a, 71b, 71c, first to third three-way switching valves 72a, 72b, 72c, and first to third pressure equalization control valves 73a, 73b. 73c. Each adsorption tower 71a, 71b, 71c is filled with an adsorbent such as activated carbon or zeolite.
[0025]
The compressor 6 is connected to the adsorption towers 71a, 71b, 71c via the three-way switching valves 72a, 72b, 72c, and the reformed gas is pressurized by the compressor 6 and is applied to the adsorption towers 71a, 71b. , 71c. Each adsorption tower 71a, 71b, 71c adsorbs the impurity gas such as carbon monoxide and nitrogen contained in the reformed gas by the adsorbent, and the pure hydrogen gas that has not been adsorbed is connected to each adsorption tower 71a, 71b, 71c. It flows to the pulsation mitigating hydrogen tank 8. Any one of the first to third switching control valves 72a, 72b, 72c is a flow direction F from the compressor 6 toward the adsorption towers 71a, 71b, 71c. IN Is set to
[0026]
Each adsorption tower 71a, 71b, 71c is connected to the off-gas tank 9 via each switching control valve 72a, 72b, 72c. When the pure hydrogen gas discharged from any of the first to third adsorption towers 71a, 71b, 71c flows through each adsorption tower 71a, 71b, 71c as a cleaning gas, the adsorption in each adsorption tower 71a, 71b, 71c Impurity gases such as carbon monoxide and nitrogen adsorbed by the agent are desorbed and discharged to the off-gas tank 9, and the interior of each adsorption tower 71a, 71b, 71c is cleaned. Any one of the first to third switching control valves 72a, 72b, 72c has a flow direction F from each adsorption tower 71a, 71b, 71c toward the off-gas tank 9. OUT Is set to
[0027]
Each adsorption tower 71a, 71b, 71c is connected to a pressure equalization control flow path 76 via a three-way switching valve 73a, 73b, 73c, and each pressure equalization control valve 73a, 73b, 73c is connected to each adsorption tower 71a, 71b, It is possible to switch the flow direction OUT from 71c to the pressure equalization control flow path 76 or the flow direction IN from the pressure equalization control flow path 76 to each adsorption tower 71a, 71b, 71c.
[0028]
In the process of pressure equalization and pressure equalization, one of the first to third pressure equalization control valves 73a, 73b, 73c is closed, and the other is set to the flow direction OUT toward the pressure equalization control flow path 76. If the last one is set in the flow direction 1N toward the adsorption towers 71a, 71b, 71c, the internal pressures of any two of the first to third adsorption towers 71a, 71b, 71c are the same.
[0029]
By controlling the switching of the flow direction by the switching control valves 72a, 72b, 72c and the pressure equalization control valves 73a, 73b, 73c, as shown in FIG. 3, the adsorption, pressure equalization, pressure reduction, washing, pressure equalization are sequentially performed. Then, a series of processes consisting of pressurization is repeated, and pure hydrogen gas is continuously separated from the reformed gas.
[0030]
PSA device controlled by first to third adsorption towers 71a, 71b, 71c, first to third switching control valves 72a, 72b, 72c, and first to third pressure equalization control valves 73a, 73b, 73c The operation of No. 7 is as shown in FIG.
[0031]
Other devices than the above may be the same as the conventional ones unless otherwise specified.
[0032]
(B) Operation of pure hydrogen production equipment
(1) Starting the reforming system
FIG. 4 shows an example of starting the reforming system (including the evaporator 1 and the reformer 3). In FIG. 4, the temperature T of the combustion catalyst of the catalytic combustor 15 1 And the temperature T of the reforming catalyst of the reformer 3 2 Only the process of using the pure hydrogen gas in the pulsation mitigating hydrogen tank 8 to raise the pressure is shown. Of course, in the present invention, the off gas in the off gas tank 9 is also used. Furthermore, the residual gas (mainly hydrogen gas) of the PSA device 7 can be used.
[0033]
When off gas and residual gas are used in addition to pure hydrogen gas, switching between these gases is determined based on the residual pressures of the PSA device 7, the pulsation mitigating hydrogen tank 8, and the off gas tank 7. In this case, the order in which pure hydrogen gas, off-gas, and residual gas are supplied to the catalytic combustor 15 and the reformer 3 can be set as appropriate.
[0034]
The flow chart of FIG. 4 shows the temperature rise of the catalytic combustor 15 first for convenience, but this does not mean that the temperature rise of the catalytic combustor 15 should be performed first. In addition, the temperature of the reformer 3 can be increased at the same time. However, in any case, it is preferable to first supply the pure hydrogen gas from the pulsation mitigating hydrogen tank 8 to the catalytic combustor 15 and the reformer 3.
[0035]
To start the reforming system according to the procedure of the flowchart of FIG. 1 And the temperature T of the reforming catalyst of the reformer 3 2 Is detected (step A2). Next, the internal pressure P of the pulsation reducing hydrogen tank 8 Three Is higher than the rating (process A3), and if it is higher than the rating, the internal pressure P of the pulsation reducing hydrogen tank 8 Three And combustion catalyst temperature T 1 Thus, the injection amount of hydrogen supplied to the catalytic combustor 15 is determined (step A4). Further, starting air is injected into the catalytic combustor 15 (step A5), and hydrogen is injected from the pulsation mitigating hydrogen tank 8 into the catalytic combustor 15 to raise the temperature of the combustion catalyst (step A6).
[0036]
Combustion catalyst temperature T 1 Is equal to or higher than a predetermined temperature Tc (eg, 540 ° C.) (step A7). If the temperature is lower than the predetermined temperature Tc, step A6 is repeated. If the temperature is higher than the predetermined temperature Tc, the internal pressure P of the pulsation reducing hydrogen tank 8 Three And reforming catalyst temperature T 2 Thus, the injection amount of hydrogen to the reforming catalyst is determined (step A8), and start-up air to the reforming catalyst is injected (step A9).
[0037]
Hydrogen is injected into the reforming catalyst from the pulsation mitigating hydrogen tank 8 to raise the temperature of the reforming catalyst (step A10), and the reforming catalyst temperature T 2 Is equal to or higher than a predetermined temperature Tc (eg, 540 ° C.) (step A11). If the temperature is lower than the predetermined temperature Tc, the process A10 is repeated. When the temperature is equal to or higher than the predetermined temperature Tc, the temperature raising of the reformer is completed.
[0038]
In step A3, the internal pressure P of the pulsation reducing hydrogen tank 8 Three Is determined to be below the rating, the combustion catalyst temperature T 1 And reforming catalyst temperature T 2 Thus, the flow rate of the fuel supplied to each fuel combustion burner 18, 19 is determined (step A4 '). Operate burner 18 (process A5 '), combustion catalyst temperature T 1 Is equal to or higher than a predetermined temperature Tc (eg, 540 ° C.) (step A6 ′). If the temperature is lower than the predetermined temperature Tc, step A5 ′ is repeated. When the temperature is equal to or higher than the predetermined temperature Tc, the burner 19 is similarly operated (step A7 ′), and the reforming catalyst temperature T 2 Is equal to or higher than a predetermined temperature Tc (for example, 540 ° C.) (step A8 ′). If the temperature is lower than the predetermined temperature Tc, the process A7 ′ is repeated. When the temperature is equal to or higher than the predetermined temperature Tc, the temperature raising of the reformer is completed.
[0039]
In step A4 ′ to step A8 ′, the evaporator 1 and the reformer 3 are heated by the combustion gas from the fuel combustion burners 18 and 19, but of course, the temperature is increased using off-gas and / or residual gas. You can also. The extent to which the evaporator 1 and the reformer 3 are heated by the combustion gas of the burners 18 and 19 is determined based on the residual pressures of the PSA device 7, the pulsation mitigating hydrogen tank 8 and the offgas tank 7.
[0040]
(2) Determination of fuel input
As shown in FIG. 5, after the temperature raising of the reforming system is completed, the internal pressure P of the pulsation alleviating hydrogen tank 8 Three And the internal pressure P of the high-pressure hydrogen tank 12 Four Thus, the reforming load (fuel supply amount, etc.) is determined according to the table (step B4). The reformer 3 is operated with the reforming load set in the process B4 (process B5), and the power generation load is monitored to determine whether or not it is below the rating (process B6). If the power generation load exceeds the rating, process B5 is repeated, and if it is less than the rating, the internal pressure P of the pulsation reducing hydrogen tank 8 Three It is determined whether or not is over the rating (step B7). P Three If B is less than the rating, repeat step B5. If the rating is greater than the rating, the reforming load is lowered step by step in accordance with the reforming load table, and finally reformed under the rated conditions. The vessel 3 is operated (step B8).
[0041]
(3) Tracking power generation load
As shown in FIG. 6, after the reforming system has been heated, the amount of power generated by the PEFC is monitored (step C2), and the flow rate adjusting valve V provided upstream of the PEFC according to the amount of power generated. 1 Is feedback controlled (step C3). As a result, an amount of pure hydrogen gas corresponding to the power generation load is supplied to the PEFC.
[0042]
(4) Production of high-pressure hydrogen
Since the load at home varies with time, the PEFC needs to follow the load (power generation load) to generate power. In other words, hydrogen gas corresponding to the fluctuating power generation load must be supplied to the PEFC. Since the reformer 3 cannot follow this fluctuation in the power generation load, as shown in FIG. 7, during the rated operation of the reformer 3, the pulsation mitigating hydrogen tank 8 follows the power generation load and the required amount of hydrogen for the PEFC. Gas is supplied (process D2). Next, it is determined whether or not the power generation load is equal to or less than a predetermined ratio (for example, 70%) of the rating (step D3). When the ratio is less than the predetermined ratio, the internal pressure P of the pulsation reducing hydrogen tank 8 Three Determines whether or not is equal to or higher than a predetermined value (eg, 500 kPa) (process D4). Three When is less than the predetermined value, the operation of the power generation system is continued.
[0043]
P Three Is higher than the specified value, the internal pressure P of the high-pressure hydrogen tank 12 Four Is less than or equal to a predetermined value (for example, 30 MPa) (process D5), P Four When is over a predetermined value, the operation of the power generation system is continued. Also P Four Is below the specified value, the power generation load, the internal pressure P of the pulsation mitigating hydrogen tank 8 Three And the internal pressure P of the high-pressure hydrogen tank 12 Four Therefore, the flow control valve V provided upstream of the high-pressure hydrogen tank 12 2 Is calculated (step D6). The compressor 11 is operated based on the calculated value of the process D6, and the high-pressure hydrogen tank 12 is filled with hydrogen gas (process D7). Internal pressure P of pulsation mitigating hydrogen tank 8 Three Is the predetermined value P B (For example, 500 kPa) or the internal pressure P of the high-pressure hydrogen tank 12 Four Is the predetermined value P H If it exceeds (for example, 35 MPa) or satisfies any of the conditions, the operation of the compressor 11 for the high-pressure hydrogen tank 12 is stopped (step D8).
[0044]
(5) Determination of fuel flow rate to be input to the reformer during rated operation
As shown in FIG. 8, during the rated operation of the reformer 3, the power generation system is operated following the power generation load (step E2). It is determined whether or not the power generation load is equal to or greater than a predetermined ratio (for example, 70%) of the rating (step E3). If the power generation load is less than the predetermined ratio, the process returns to step E2 to continue the operation of the power generation system. If the power generation load is less than the rated ratio, the internal pressure P of the pulsation reducing hydrogen tank 8 Three Is determined to be less than or equal to a predetermined value (for example, 500 kPa) (step E4), P Three When is over a predetermined value, the operation of the power generation system is continued.
[0045]
P Three Is less than the specified value, the internal pressure P of the pulsation reducing hydrogen tank 8 Three And the internal pressure P of the high-pressure hydrogen tank 12 Four Thus, the reforming load is determined (step E5), and the flow rate of the reforming fuel is increased stepwise while interlocking with the PSA device 7 (step E6). It is determined whether or not the power generation load is below the rating (step E7). If the power generation load exceeds the rating, step E6 is repeated. If the power generation load is below the rating, the internal pressure P of the pulsation mitigating hydrogen tank 8 Three Is the predetermined value P B It is determined whether or not (for example, 500 kPa) or more (step E8). P Three Is the predetermined value P B If less, repeat step E6. Also P Three Is the predetermined value P B In the above case, according to the reforming load table, the reforming load is lowered step by step in conjunction with the PSA device 7 and converged to the rated operation (step E9).
[0046]
[2] Second embodiment
(A) Structure of pure hydrogen production equipment
FIG. 9 schematically shows the overall configuration of a pure hydrogen production apparatus according to the second embodiment of the present invention. In addition, the same reference number is attached | subjected to the apparatus same as the apparatus in a 1st Example.
[0047]
A three-way switching valve V between the reformer 3 and the cooler 4 7 A three-way selector valve V 7 Is connected to the circulation line R. Three-way switching valve V between PSA device 7 and pulsation mitigating hydrogen tank 8 8 A three-way selector valve V 8 And the starting gas line TL are connected by a PSA residual gas line Z. An emergency hydrogen tank 20 is provided between the high-pressure hydrogen tank 12 and the starting gas line TL, and a shutoff valve V is provided on both sides of the emergency hydrogen tank 20. 13 , V 14 Is provided. The emergency hydrogen tank 20 is a tank filled with hydrogen as energy necessary for the first start-up when the system is installed. When used for start-up, the emergency hydrogen tank 20 is replenished from the high-pressure hydrogen tank 12 during operation.
[0048]
The cathode of the PEFC 10 is connected to the circulation line R and the catalytic combustor 15. V 15 Is a pressure regulating valve. Also V 15 Also adjust the pressure in the circulation line R with the pressure regulating valve. Since the configuration other than the above is substantially the same as the pure hydrogen production apparatus according to the first embodiment, the description thereof is omitted.
[0049]
(B) Operation of pure hydrogen production equipment
(1) Temperature rise of reforming system
As shown in Fig. 10, the three-way switching valve V 7 Is connected to the circulation line R (step F2). Combustion catalyst temperature T 1 And reforming catalyst temperature T 2 , And the injection amount of the injection means INJ-1 and INJ-2 and the temperature T of the evaporator 1 Three To combustion catalyst temperature T 1 And reforming catalyst temperature T 2 The amount of heat V required to raise the temperature of the reforming system to a predetermined temperature (for example, 550 ° C.) is calculated, and the amount of off-gas heat VC required to raise the temperature of the entire reforming system from the catalyst temperature (for example, 550 ° C.) The flow rates of starting air, heated air and reforming air are calculated (step F3). Furthermore, the internal pressure P of the PSA device 7 1 , The internal pressure P of the offgas tank 9 2 And the internal pressure P of the pulsation reducing hydrogen tank 8 Three Detecting the amount of hydrogen P in each tank 1 Q, P 2 Q, P Three Q is calculated (step F4).
[0050]
P 1 It is determined whether or not the condition of Q <V + VC is satisfied (process F5). If not satisfied, the process proceeds to flow A. If satisfied, P is satisfied. 2 It is determined whether or not the condition of Q> VC is satisfied (step F6). P 2 If the condition of Q> VC is not satisfied, go to Step F18 and P 1 Q + P 2 Q + P Three Judge whether the condition of Q> V + VC is satisfied. P 1 Q + P 2 Q + P Three If the condition Q> V + VC is satisfied, P Three The process proceeds to step F7 for determining whether or not the condition of Q> V is satisfied. Otherwise, the process proceeds to flow B. Also, P in the judgment of process F6 2 If the condition Q> VC is satisfied, go to process F7 and P Three If the condition of Q> V is not satisfied, P 1 Q + P Three The process proceeds to Step F19 for determining whether or not the condition of Q> V is satisfied. If not satisfied, the process proceeds to Flow B. In addition, when both the determination of the process F7 and the determination of the process F19 are satisfied, the temperature raising of the reforming system is started (processes F8 and F20, respectively).
[0051]
3-way selector valve V 8 Is connected to line Z (process F9), and reforming catalyst temperature T 2 Is set to a target value (for example, 550 ° C.), the residual gas of the PSA device 7 is injected from the injection means INJ-1 to the reformer 3, and the temperature of the reformer 3 is increased (step F10). At that time, start-up air is also supplied to the reformer 3. Further, the pressure of the circulation line R is set to 5 kPa, for example, and the residual gas of the PSA device 7 is injected into the catalytic combustor 15 from the injection means INJ-2, and the combustion catalyst temperature T 1 For example, the evaporator 1 is heated (step F11).
[0052]
Combustion catalyst temperature T 1 And reforming catalyst temperature T 2 Is determined to exceed a predetermined value (for example, 540 ° C.) (step F12). If not, the process returns to step F10, and if it exceeds, the temperature T of the evaporator 1 is exceeded. Three It is determined whether or not the temperature exceeds a predetermined temperature H ° C. (step F13). The predetermined temperature H ° C. is measured by a temperature sensor installed at a site where it can be determined whether or not the temperature raising of the entire system has been completed. For example, three-way switching valve V 7 Assume that the temperature of the pipe wall surface is H ° C., and when the temperature reaches 150 ° C. (a safety factor is set for the reformed gas dew point temperature), the temperature rise of the housing is completed. However, the installation location may be any location where the temperature rise of the system can be determined.
[0053]
T Three When the condition of> H ° C. is satisfied, the temperature raising of the reforming system is completed (step F14), and reforming is started (step F15). If not satisfied, the three-way selector valve V 8 And shut off the shutoff valve V 12 And the off-gas in the off-gas tank 9 is injected from the injection means INJ-2 to the catalytic combustor 15 to raise the temperature of the combustion catalyst (step F16). Combustion catalyst temperature T 1 And reforming catalyst temperature T 2 For example, the evaporator 1 and the reformer 3 are heated from the injection means INJ-1 and INJ-2 (step F17), and the process returns to the step F13.
[0054]
As the process F20 and subsequent steps for starting the temperature raising of the reforming system, first, the three-way switching valve V 8 Is connected to the PSA residual gas line Z (process F21), and the reforming catalyst temperature T 2 Is set to, for example, 550 ° C., the residual gas in the PSA device 7 is injected into the reformer 3 from the injection means INJ-1, and the temperature of the reformer 3 is increased (step F22). The pressure Pa of the starting gas line TL is the pressure regulating valve V 15 When the pressure drops to the same pressure as the three-way selector valve V 8 And shut off the shutoff valve V 11 And the line X of the pulsation reducing hydrogen tank 8 is connected to the starting gas line TL (step F23). Reforming catalyst temperature T 2 Is set to, for example, 550 ° C., a portion of the pure hydrogen gas in the pulsation mitigating hydrogen tank 8 is injected onto the reforming catalyst from the injection means INJ-1, and the temperature of the reformer 3 is increased (step F24). In addition, the pressure of the circulation line R is, for example, 5 kPa, and the combustion catalyst temperature T 1 Is set to, for example, 550 ° C., a portion of the pure hydrogen gas in the pulsation mitigating hydrogen tank 8 is injected into the catalytic combustor 15 from the injection means INJ-2, and the evaporator 1 is heated (step F25).
[0055]
Combustion catalyst temperature T 1 And reforming catalyst temperature T 2 Is determined to exceed a predetermined value (for example, 540 ° C.) (step F26). If not, the process returns to step F22, and if it exceeds, the process proceeds to flow C.
[0056]
In the flow A shown in FIG. 11, the temperature raising of the reforming system is started. First, three-way selector valve V 8 Is connected to the PSA residual gas line Z (process F28), and the reforming catalyst temperature T 2 Is set to 550 ° C., for example, PSA residual gas is supplied from the injection means INJ-1 to the reformer 3, and reforming air is also supplied to raise the temperature of the reformer 3 (step F29). In addition, the pressure of the circulation line R is, for example, 5 kPa, and the combustion catalyst temperature T 1 For example, the injection means INJ-2 is operated, the PSA residual gas and the starting air are supplied to the catalyst combustor 15, and the evaporator 1 is heated (step F30). Combustion catalyst temperature T 1 And reforming catalyst temperature T 2 For example, it is determined whether or not both are over 540 ° C. (step F31). The combustion catalyst temperature T 1 And reforming catalyst temperature T 2 When both are over 540 ° C, the temperature T of the evaporator 1 Three It is determined whether or not the temperature exceeds a predetermined temperature H ° C. (step F32). Temperature T Three If the temperature does not exceed H ° C., the process returns to step F30, and if it exceeds, the temperature raising of the reforming system is completed (step F33), and reforming is started (step F34).
[0057]
Flow B shown in FIG. 12 is an emergency sequence. First, the pressure P of the emergency hydrogen tank 20 Five Calorie of hydrogen stored from V B Is calculated (step F35). V B To determine whether V exceeds V (process F36), V B If is below V, issue a warning and stop activation. Also V B P if V exceeds V 1 Q + P 2 Q + P Three Q + V B It is determined whether or not a condition of> V + VC is satisfied (step F37). If this condition is not met, an alarm is issued and the activation is stopped. If it satisfies the condition, the shutoff valve V 13 Is opened and the emergency hydrogen tank 20 is connected to the starting gas line TL and the reforming air is supplied to the reformer 3 (step F38). Reforming catalyst temperature T 2 Is set to, for example, 550 ° C., hydrogen gas is injected from the injection means INJ-1, and the reformer 3 is heated (step F39). In addition, the pressure of the circulation line R is, for example, 5 kPa, and the combustion catalyst temperature T 1 For example, the injection means INJ-2 is operated, hydrogen gas is supplied from the emergency hydrogen tank 20 to the catalytic combustor 15, and the evaporator 1 is heated (step F40).
[0058]
Combustion catalyst temperature T 1 And reforming catalyst temperature T 2 For example, it is determined whether or not both are over 540 ° C. (step F41). The combustion catalyst temperature T 1 And reforming catalyst temperature T 2 When both are over 540 ° C, the temperature T of the evaporator 1 Three Is determined to be less than a predetermined temperature H ° C. (step F42).
[0059]
Temperature T Three When is below H ° C, the pressure Pa in the starting gas line TL is 15 When the pressure drops to the same as the adjustment pressure of 13 Is closed and the three-way selector valve V 8 Is connected to the line Z, and the residual gas of the PSA device 7 is injected from the injection means INJ-2 into the catalytic combustor 15 and the combustion catalyst temperature T 1 To raise. Further, while continuing to monitor the pressure Pa of the starting gas line TL, it is connected to the starting gas line TL in the order of line Y → line X, and off-gas and pure hydrogen gas are injected into the catalyst combustor 15 in order, and the combustion catalyst Temperature T 1 Is raised (step F43). Next, returning to step F42, the temperature T of the evaporator 1 is reached. Three Is determined to be less than a predetermined temperature H ° C. Repeat this cycle until the temperature T Three When the temperature reaches H ° C. or higher, the temperature raising of the reforming system is completed (step F44), and reforming is started (step F45).
[0060]
In the flow C shown in FIG. 13, the temperature T of the evaporator 1 Three Is lower than the predetermined temperature H ° C (step F46), and if it is equal to or higher than H ° C, the temperature raising of the reforming system is completed (step F47), and reforming is started (step F48). When the temperature is lower than H ° C, the pressure Pa of the starting gas line TL is 15 When the pressure drops to the same pressure as the three-way selector valve V 11 And shut off the shutoff valve V 12 And the line Y of the off-gas tank 9 is connected to the starting gas line TL (step F49). Combustion catalyst temperature T 1 And reforming catalyst temperature T 2 Is set to 550 ° C., for example, off-gas is injected from the injection means INJ-1 and INJ-1 to the catalytic combustor 15 and the reformer 3, respectively, and the evaporator 1 and the reformer 3 are heated (step F50). ).
[0061]
Evaporator 1 temperature T Three It is determined whether or not the temperature exceeds a predetermined temperature H ° C. (step F51). Temperature T Three If the temperature does not exceed H ° C., the process returns to step F39, and if it exceeds, the temperature raising of the reforming system is completed (step F52), and reforming is started (step F53).
[0062]
As described above, the first and second embodiments have been described separately, but this is of course not intended to be limited to each operation, and the procedures of the first and second embodiments may be combined as necessary. It should be understood that it can be done.
[0063]
Using the pure hydrogen production apparatus of the second embodiment, the hydrogen gas remaining in the PSA apparatus 7 is supplied to the reforming catalyst in the reformer 3 at room temperature (24 ° C.), and the reforming catalyst temperature T is obtained by catalytic combustion. 2 Was raised. Next, when the pressure in the circulation line R rises to 5 kPa, hydrogen gas is supplied to the combustion catalyst in the catalytic combustor 15, and the combustion catalyst temperature T 1 Was raised. When each catalyst temperature reached 540 ° C., off-gas was supplied to the reformer 3 and the catalytic combustor 15 instead of hydrogen gas, and the off-gas was catalytically combusted. Combustion catalyst temperature T at this time 1 And reforming catalyst temperature T 2 , And three-way switching valve V 8 The temperature inside was measured. The results are shown in FIG. The temperature rise of this reforming system is 8 The temperature was evaluated by the time required for the temperature to reach H ° C (150 ° C). As a result, it was found that this reforming system reached the required temperature in 55 seconds. From this, it can be seen that the startup time of the pure hydrogen production apparatus of the present invention is within 1 minute.
[0064]
FIG. 15 shows the impurity components in the exhaust gas exiting from the catalytic combustor 15 when started in the above procedure. During hydrogen combustion, CO, total hydrocarbon components and N OX The amount of CO was 0, and after switching to off-gas combustion, a small amount of CO and total hydrocarbon components were slightly discharged. From this result, it was found that the exhaust gas as a whole is very clean when the temperature of the reforming system according to the present invention is increased.
[0065]
【The invention's effect】
Since a high-purity hydrogen is separated from a hydrogen-rich gas obtained by reforming hydrogen atom-containing fuel such as natural gas or LPG using a PSA device, the hydrogen in the pulsation mitigation hydrogen tank connected to the PSA device is used as a fuel cell. The high-pressure hydrogen tank can be filled with high pressure.
[0066]
At startup, the hydrogen gas stored in the pulsation mitigating hydrogen tank and / or the gas (mainly consisting of hydrogen gas) remaining in the PSA unit is supplied to the catalytic combustor and reformer attached to the evaporator, so that the temperature can be quickly reduced. Hydrogen catalytic combustion occurs. Further, by switching from hydrogen gas to off-gas when a predetermined temperature (for example, 540 ° C.) is reached, the off-gas can be effectively used for raising the temperature of the evaporator and reformer. With such a temperature raising system, the temperature rise of the evaporator and the reformer from a low temperature is quick, and not only the startup time of the pure hydrogen production apparatus is short, but also the exhaust gas is relatively clean.
[0067]
In particular, reforming systems used in home refueling systems (HRS) that charge hydrogen to vehicles with pure hydrogen fuel cells (FCV) at home frequently start and stop, so energy for heating that hinders efficiency However, since the start-up device of the present invention is quick to start, it is preferable.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing an apparatus for producing pure hydrogen according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a detailed structure of a PSA device.
FIG. 3 is a diagram showing the operation of each adsorption tower in the PSA device.
FIG. 4 is a flowchart for determining the amount of fuel to be charged into a reformer that has been heated.
FIG. 5 is a flowchart for controlling the amount of hydrogen gas input to the solid polymer electrolyte fuel cell according to the amount of power generation.
FIG. 6 is a flowchart showing an example of a temperature raising process of the reforming system.
FIG. 7 is a flowchart showing an example of a high-pressure hydrogen production process.
FIG. 8 is a flowchart for determining the amount of fuel to be charged into the reformer during rated operation.
FIG. 9 is a schematic view showing a pure hydrogen production apparatus according to another embodiment of the present invention;
FIG. 10 is a flowchart showing another example of the temperature raising process of the reforming system.
FIG. 11 is a flowchart showing a part of the reforming system of FIG.
12 is a flowchart showing a part of the reforming system of FIG.
13 is a flowchart showing a part of the reforming system of FIG.
FIG. 14 is a graph showing a temperature rising pattern when hydrogen gas and off-gas are supplied to the reforming catalyst and the combustion catalyst, respectively.
FIG. 15 is a graph showing the impurity concentration in exhaust gas that is emitted when catalytic combustion of hydrogen gas and off-gas fed to the catalytic combustor occurs.
[Explanation of symbols]
1 Evaporator
2 ... Heat exchanger
3 ... ATR reformer
4 ... Cooler
5 ... Steam separator
6 ... Compressor
7 ... PSA equipment
8 ... Pulsation relaxation hydrogen tank
9 ... Off-gas tank
10 ... PEFC
11 ... Compressor
12 ... High pressure hydrogen tank
13 ... Hydrogen dispenser
15 ... Catalyst combustor
20 ... Emergency hydrogen tank
71a, 71b, 71c ・ ・ ・ Adsorption tower
72a, 72b, 72c ・ ・ ・ Three-way selector valve
73a, 73b, 73c ・ ・ ・ equal pressure control valve
74 ・ ・ ・ Hydrogen storage unit

Claims (8)

水素原子を含む燃料の改質により得られた水素含有改質ガスを圧力スイング吸着法により精製して純水素を製造する装置であって、(a) 燃焼触媒を有する触媒燃焼器が内蔵された蒸発器と、(b) 前記蒸発器の下流に接続され、前記蒸発器により生成した水蒸気及び燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質触媒を有する改質器と、(c) 前記改質器の下流に接続され、前記改質ガスを精製して純水素ガスを得る圧力スイング吸着装置と、(d) 前記圧力スイング吸着装置から得られた脈動を有する純水素ガスを貯蔵する脈動緩和水素タンクと、(e) 前記圧力スイング吸着装置から出たオフガスを貯蔵するオフガスタンクとを具備し、前記脈動緩和水素タンク及び前記オフガスタンクはそれぞれ前記触媒燃焼器及び前記改質器に接続しており、前記純水素製造装置の起動時に、前記脈動緩和水素タンクの純水素ガス及び前記オフガスタンクのオフガスを適宜切り換えて前記触媒燃焼器及び前記改質器に送給して触媒燃焼させ、もって前記触媒燃焼器、前記蒸発器及び前記改質器を昇温させることを特徴とする純水素製造装置。An apparatus for producing pure hydrogen by purifying a hydrogen-containing reformed gas obtained by reforming a fuel containing hydrogen atoms by a pressure swing adsorption method, and (a) a catalytic combustor having a combustion catalyst is incorporated. An evaporator; and (b) a reformer connected downstream of the evaporator and having a reforming catalyst that generates hydrogen-rich reformed gas from water vapor and fuel generated by the evaporator; and (c) the reformer. A pressure swing adsorption device connected to the downstream of the mass device to obtain the pure hydrogen gas by purifying the reformed gas, and (d) pulsation relaxation for storing the pure hydrogen gas having pulsation obtained from the pressure swing adsorption device A hydrogen tank, and (e) an offgas tank for storing offgas from the pressure swing adsorption device, wherein the pulsation mitigating hydrogen tank and the offgas tank are connected to the catalytic combustor and the reformer, respectively. The net At the time of starting the element production apparatus, the pure hydrogen gas of the pulsation mitigating hydrogen tank and the off gas of the off gas tank are appropriately switched and fed to the catalytic combustor and the reformer to perform catalytic combustion, An apparatus for producing pure hydrogen, wherein the temperature of the evaporator and the reformer is increased. 請求項1に記載の純水素製造装置において、前記純水素ガス及び前記オフガスの切り換えをそれぞれ前記脈動緩和水素タンク及び前記オフガスタンクの残圧に基づき決定することを特徴とする純水素製造装置。2. The pure hydrogen production apparatus according to claim 1, wherein switching between the pure hydrogen gas and the off gas is determined based on residual pressures of the pulsation mitigating hydrogen tank and the off gas tank, respectively. 請求項1に記載の純水素製造装置において、前記圧力スイング吸着装置も前記触媒燃焼器及び前記改質器に接続しており、前記純水素製造装置の起動時に、前記圧力スイング吸着装置の残留ガス、前記脈動緩和水素タンクの純水素ガス及び前記オフガスタンクのオフガスを適宜切り換えて前記触媒燃焼器及び前記改質器に送給して触媒燃焼させ、もって前記触媒燃焼器及び前記改質器を昇温させることを特徴とする純水素製造装置。2. The pure hydrogen production apparatus according to claim 1, wherein the pressure swing adsorption device is also connected to the catalytic combustor and the reformer, and a residual gas of the pressure swing adsorption device is activated when the pure hydrogen production device is started. Then, the pure hydrogen gas in the pulsation mitigating hydrogen tank and the off gas in the off gas tank are appropriately switched and supplied to the catalytic combustor and the reformer for catalytic combustion, thereby raising the catalytic combustor and the reformer. A pure hydrogen production apparatus characterized by heating. 請求項3に記載の純水素製造装置において、前記残留ガス、前記純水素ガス及び前記オフガスの切り換えをそれぞれ前記圧力スイング吸着装置、前記脈動緩和水素タンク及び前記オフガスタンクの残圧に基づき決定することを特徴とする純水素製造装置。4. The pure hydrogen production apparatus according to claim 3, wherein switching of the residual gas, the pure hydrogen gas, and the off gas is determined based on residual pressures of the pressure swing adsorption device, the pulsation relaxation hydrogen tank, and the off gas tank, respectively. Pure hydrogen production equipment characterized by 請求項1〜4のいずれかに記載の純水素製造装置において、前記脈動緩和水素タンクの純水素ガスを最初に前記触媒燃焼器及び前記改質器に送給することを特徴とする純水素製造装置。The pure hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein pure hydrogen gas in the pulsation relaxation hydrogen tank is first supplied to the catalytic combustor and the reformer. apparatus. 請求項1〜5のいずれかに記載の純水素製造装置において、前記改質器と前記圧力スイング吸着装置との間に冷却器及び気水分離器が設けられており、もって前記改質器から出た改質ガスから水蒸気を液化して分離することを特徴とする純水素製造装置。The pure hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein a cooler and a steam separator are provided between the reformer and the pressure swing adsorption device. A pure hydrogen production apparatus characterized in that water vapor is liquefied and separated from the reformed gas. 請求項1〜6のいずれかに記載の純水素製造装置において、前記脈動緩和水素タンクに固体高分子電解質型燃料電池及び水素貯蔵装置及び水素ディスペンサが接続していることを特徴とする純水素製造装置。7. The pure hydrogen production apparatus according to claim 1, wherein a solid polymer electrolyte fuel cell, a hydrogen storage device, and a hydrogen dispenser are connected to the pulsation relaxation hydrogen tank. apparatus. 請求項1〜7のいずれかに記載の純水素製造装置において、前記蒸発器及び前記改質器に燃料燃焼バーナが接続しており、前記圧力スイング吸着装置中の残留ガス、前記オフガスタンク中のオフガス及び前記脈動緩和水素タンク中の純水素ガスの総熱量が前記蒸発器及び前記改質器を所定の温度に加熱するのに要する熱量に達しない場合に、前記バーナで燃料を燃焼させ、その燃焼ガスを前記蒸発器及び前記改質器に送給することを特徴とする純水素製造装置。The pure hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein a fuel combustion burner is connected to the evaporator and the reformer, and residual gas in the pressure swing adsorption device, in the off-gas tank When the total amount of heat of off-gas and pure hydrogen gas in the pulsation mitigating hydrogen tank does not reach the amount of heat required to heat the evaporator and the reformer to a predetermined temperature, the burner burns fuel, An apparatus for producing pure hydrogen, wherein combustion gas is supplied to the evaporator and the reformer.
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