JP5086144B2 - Hydrogen production apparatus and method for stopping fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、例えば家庭用の小型電源として好適な燃料電池システムに関し、また燃料電池システムなどに用いられる水素製造装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell system suitable as a small power source for home use, for example, and to a hydrogen production apparatus used in a fuel cell system or the like.

燃料電池は燃料の燃焼反応による自由エネルギー変化を直接電気エネルギーとして取り出せるため、高い効率が得られるという特長がある。さらに有害物質を排出しないことも相俟って、様々な用途への展開が図られている。特に固体高分子形燃料電池は、出力密度が高く、コンパクトで、しかも低温で作動するのが特長である。   A fuel cell has a feature that high efficiency can be obtained because a free energy change caused by a combustion reaction of fuel can be directly taken out as electric energy. In addition to the fact that it does not emit harmful substances, it is being developed for various uses. In particular, solid polymer fuel cells are characterized by high power density, compactness, and operation at low temperatures.

近年、天然ガス、都市ガス、メタノール、液化石油ガス(LPG)、ブタンなどの炭化水素系燃料中に含まれる硫黄を除去する脱硫器と、炭化水素系燃料を水蒸気と反応させて水素に改質する改質器と、一酸化炭素を変成するCO変成器と、一酸化炭素を除去するCO除去器と、このようにして得られた水素(改質ガス)と空気中の酸素などの酸化剤とを電気化学反応させて発電する燃料電池とを備えた小型電源としての燃料電池発電システムが提案されている(特許文献1、2、3参照)。   In recent years, natural gas, city gas, methanol, liquefied petroleum gas (LPG), butane and other hydrocarbon fuels such as desulfurizers that remove sulfur, and hydrocarbon fuels react with steam to reform to hydrogen Reformer, a CO converter for transforming carbon monoxide, a CO remover for removing carbon monoxide, an oxidizer such as hydrogen (reformed gas) and oxygen in the air thus obtained A fuel cell power generation system has been proposed as a compact power source including a fuel cell that generates an electric power by electrochemical reaction (see Patent Documents 1, 2, and 3).

燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に空気を供給すると、燃料極では、水素分子を水素イオンと電子に分解する燃料極反応、空気極では、酸素と水素イオンと電子から水を生成する電気化学反応がそれぞれ行われ、燃料極から空気極に向かって外部回路を移動する電子により電力が負荷に供給されるとともに、空気極側に水が生成される。   When fuel gas containing hydrogen is supplied to the fuel electrode and air is supplied to the air electrode, the fuel electrode reacts by decomposing hydrogen molecules into hydrogen ions and electrons. At the air electrode, water is generated from oxygen, hydrogen ions, and electrons. Each electrochemical reaction is performed, and electric power is supplied to the load by electrons moving in the external circuit from the fuel electrode toward the air electrode, and water is generated on the air electrode side.

図3に従来の燃料電池発電システムを示す。   FIG. 3 shows a conventional fuel cell power generation system.

図3に示すように、燃料電池発電システムは、天然ガス、都市ガス、メタノール、LPG、ブタンなどの炭化水素系燃料ガス(ここではLPG)を、閉止弁302を経て脱硫器へ送って脱硫した後、逆止弁340を経て燃料改質装置310へ送り、一方、水を閉止弁301を経て気化器へ送って気化して、逆止弁350を経て燃料改質装置310へ水蒸気を送る。燃料改質装置は、改質器(RF)、CO変成器(SH)およびCO除去器(PROX)を備える。炭化水素系燃料と水蒸気は改質器に供給され、ここで燃料ガスを水素に改質した後、得られた改質ガスをCO変成器へ送って改質ガス中の一酸化炭素を変成し、次いでCO除去器へ送って一酸化炭素を除去する。この燃料改質装置310で得られたCO濃度を低減した水素含有ガスを閉止弁304を経て燃料電池311の燃料極(AN)へ送るとともに、空気を燃料電池311の空気極(CA)へ送って、燃料極(AN)に供給された改質ガス中の水素と、空気極(CA)へ供給された空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われる。   As shown in FIG. 3, the fuel cell power generation system desulfurizes natural gas, city gas, hydrocarbon fuel gas (here, LPG) such as methanol, LPG, and butane through a shut-off valve 302 to a desulfurizer. Thereafter, the water is sent to the fuel reformer 310 through the check valve 340, while the water is sent to the vaporizer through the stop valve 301 to be vaporized, and the steam is sent to the fuel reformer 310 through the check valve 350. The fuel reformer includes a reformer (RF), a CO converter (SH), and a CO remover (PROX). Hydrocarbon fuel and steam are supplied to the reformer, where the fuel gas is reformed into hydrogen, and the resulting reformed gas is sent to a CO converter to transform carbon monoxide in the reformed gas. And then sent to a CO remover to remove carbon monoxide. The hydrogen-containing gas with reduced CO concentration obtained by the fuel reformer 310 is sent to the fuel electrode (AN) of the fuel cell 311 through the shut-off valve 304 and the air is sent to the air electrode (CA) of the fuel cell 311. Thus, power generation is performed by an electrochemical reaction between hydrogen in the reformed gas supplied to the fuel electrode (AN) and oxygen in the air supplied to the air electrode (CA).

水蒸気改質による反応は吸熱反応であり、改質反応を維持するための加熱媒体として改質器用バーナー312が使用される。   The reaction by steam reforming is an endothermic reaction, and a reformer burner 312 is used as a heating medium for maintaining the reforming reaction.

燃料電池311の燃料極室から排出される水素含有ガス(燃料極オフガス)は閉止弁308を経てバーナー312に供給されるとともに、必要に応じて燃料ガス(LPG)が閉止弁303を経てバーナー312に追加されて燃焼用空気により燃焼して改質器(RF)の改質反応に必要な熱量を供給するようになっている。   The hydrogen-containing gas (fuel electrode off-gas) discharged from the fuel electrode chamber of the fuel cell 311 is supplied to the burner 312 via the closing valve 308, and the fuel gas (LPG) is supplied to the burner 312 via the closing valve 303 as necessary. In addition to this, it is combusted with combustion air to supply the amount of heat necessary for the reforming reaction of the reformer (RF).

燃料電池発電システムの停止時には、出口を開放したまま温度が低下すると、反応器内が負圧になり、外部空気が反応器内に導入される。CO変成触媒に用いられているCu−Zn系触媒などは空気酸化によりダメージを受け劣化が進行する。   When the fuel cell power generation system is stopped, if the temperature decreases with the outlet open, the pressure in the reactor becomes negative, and external air is introduced into the reactor. A Cu—Zn-based catalyst used for a CO shift catalyst is damaged by air oxidation and progresses in deterioration.

燃料ガス供給部の脱硫器の前に開閉弁を備えた窒素ボンベからの窒素供給経路313を設けるとともに、燃料電池311から排出される水素含有ガス(燃料極オフガス)の経路314に開閉弁を備えた排出経路315を設け、燃料電池発電システムの停止時に閉止弁301、302、303を閉めて、窒素ガスを窒素ボンベから燃料ガス供給部を経て燃料改質装置310、燃料電池311へ送り排出経路315から大気に放出するなどしてシステム内を窒素ガスで置換するようにしている場合もある。しかし、窒素ガスボンベをシステムに組み込んで使用する方法では窒素ガスボンベ中のガス量のチェック、窒素ガスボンベの交換などの必要があり、システムの管理が煩雑になり、コストアップになるという問題があった。
特開2003−217620号公報 特開2003−217623号公報 特開2000−277137号公報
A nitrogen supply path 313 from a nitrogen cylinder provided with an open / close valve is provided in front of the desulfurizer of the fuel gas supply unit, and an open / close valve is provided in the path 314 of the hydrogen-containing gas (fuel electrode off-gas) discharged from the fuel cell 311. When the fuel cell power generation system is stopped, the closing valves 301, 302, and 303 are closed, and nitrogen gas is sent from the nitrogen cylinder to the fuel reformer 310 and the fuel cell 311 through the fuel gas supply unit. In some cases, the inside of the system is replaced with nitrogen gas, for example, by releasing the air from 315 to the atmosphere. However, in the method of using a nitrogen gas cylinder incorporated in the system, it is necessary to check the amount of gas in the nitrogen gas cylinder, replace the nitrogen gas cylinder, etc., and there is a problem that the management of the system becomes complicated and the cost increases.
JP 2003-217620 A JP 2003-217623 A JP 2000-277137 A

上記の問題から、燃料電池発電システムの停止時に出入口を閉止する方法も考えられる。しかし、出入口を閉止したまま温度が低下すると、反応器内の水蒸気が凝縮して、反応器内が負圧となる。燃料電池システムの場合、夜間運転を停止している時間や長期間運転しないケースも想定しなければならない。従ってこの場合、長期間負圧を保持するために、高額な負圧対応の自動開閉バルブを2重に用意しなければならず、コストアップになるという問題があった。   From the above problem, a method of closing the entrance / exit when the fuel cell power generation system is stopped is also conceivable. However, when the temperature is lowered with the inlet / outlet closed, the water vapor in the reactor is condensed and the pressure in the reactor becomes negative. In the case of a fuel cell system, it must be assumed that the operation is stopped at night or when it is not operated for a long time. Therefore, in this case, in order to maintain the negative pressure for a long period of time, there is a problem that the expensive automatic open / close valve corresponding to the negative pressure has to be prepared twice, which increases the cost.

特許文献3では、パージガス用のガスボンベを不要とするために、パージガスとして空気を可燃性ガスと反応させて酸素を消費させることによって生成される、窒素および二酸化炭素が主成分となったガスを用いることが記載される。しかし、この場合、空気中の酸素を完全にはゼロに出来ない点、NOxが必ず含まれるため触媒への影響が懸念される点、そして灯油などの重い成分を用いた場合には炭化水素分解物を微量に含み触媒への影響が懸念される点が問題となる。   In Patent Document 3, in order to eliminate the need for a gas cylinder for purge gas, a gas mainly composed of nitrogen and carbon dioxide, which is generated by reacting air with a combustible gas and consuming oxygen as the purge gas, is used. Is described. However, in this case, the oxygen in the air cannot be completely reduced to zero, there is a concern about the impact on the catalyst because it always contains NOx, and the decomposition of hydrocarbons when heavy components such as kerosene are used. There is a problem in that there is a concern about the influence on the catalyst that contains a small amount of substances.

本発明の目的は、窒素ガスボンベの組み込み、パージガス機構の組み込み、もしくは高額な負圧対応の自動開閉バルブを組み込むことなく、触媒劣化を抑え、安全に経済的にかつ容易に水素製造装置および燃料電池システムを停止する方法を提供することである。   An object of the present invention is to safely and economically and easily perform a hydrogen production apparatus and a fuel cell without incorporating a nitrogen gas cylinder, a purge gas mechanism, or an expensive automatic open / close valve for negative pressure without suppressing catalyst deterioration. It is to provide a way to stop the system.

本発明者らはかかる課題について鋭意研究した結果、温度低下による内部の負圧解消のため、シフト触媒温度が40℃以下に下がった後、シフト触媒の下流側から空気を導入し負圧の解消を行う水素製造装置停止方法を見出し、本発明を完成したものである。   As a result of diligent research on these problems, the present inventors have eliminated the negative pressure by introducing air from the downstream side of the shift catalyst after the shift catalyst temperature has decreased to 40 ° C. or lower in order to eliminate the internal negative pressure due to the temperature drop. The present inventors have completed the present invention by finding a hydrogen production apparatus stopping method for performing the above.

本発明により、水素製造用原料から改質反応を利用して水素を含むガスを得る、改質反応を促進可能な改質触媒を備える改質器と、
該改質器の出口ガス中の一酸化炭素濃度をシフト反応により低減する、シフト反応を促進可能な触媒であるシフト触媒を備えるシフト反応器と、
該シフト反応器の出口ガス中の一酸化炭素濃度を、一酸化炭素を選択的に酸化する選択酸化反応により低減する、選択酸化反応を促進可能な選択酸化触媒を備える選択酸化反応器と、
を備える水素製造装置の停止方法であって、
該改質触媒、シフト反応触媒および選択酸化触媒を含む流路を、スチームによってパージする工程;
該流路を外界から遮断する工程;および、
該流路の負圧を解消するために、該シフト触媒の温度が40℃以下になった段階で、該シフト触媒の下流側から該流路に空気を導入する空気導入工程
を有する水素製造装置の停止方法が提供される。
According to the present invention, a reformer equipped with a reforming catalyst capable of promoting a reforming reaction, which obtains a gas containing hydrogen from a raw material for hydrogen production using a reforming reaction;
A shift reactor comprising a shift catalyst, which is a catalyst capable of promoting the shift reaction, which reduces the concentration of carbon monoxide in the outlet gas of the reformer by a shift reaction;
A selective oxidation reactor comprising a selective oxidation catalyst capable of promoting a selective oxidation reaction, wherein the concentration of carbon monoxide in the outlet gas of the shift reactor is reduced by a selective oxidation reaction that selectively oxidizes carbon monoxide;
A method for stopping a hydrogen production apparatus comprising:
Purging the flow path containing the reforming catalyst, shift reaction catalyst and selective oxidation catalyst with steam;
Blocking the flow path from the outside; and
In order to eliminate the negative pressure in the flow path, a hydrogen production apparatus having an air introduction process for introducing air from the downstream side of the shift catalyst to the flow path when the temperature of the shift catalyst becomes 40 ° C. or lower A stopping method is provided.

上記水素製造装置の停止方法では、前記空気導入工程において、前記シフト触媒と選択酸化触媒との間から前記流路に空気を導入することができる。   In the method for stopping the hydrogen production apparatus, air can be introduced into the flow path from between the shift catalyst and the selective oxidation catalyst in the air introduction step.

上記水素製造装置の停止方法では、前記空気導入工程において、前記選択酸化触媒の下流側から前記流路に空気を導入することができる。   In the hydrogen production apparatus stopping method, air can be introduced into the flow path from the downstream side of the selective oxidation catalyst in the air introduction step.

本発明により、水素製造用原料から改質反応を利用して水素を含むガスを得る、改質反応を促進可能な改質触媒を備える改質器と、該改質器の出口ガス中の一酸化炭素濃度をシフト反応により低減する、シフト反応を促進可能な触媒であるシフト触媒を備えるシフト反応器と、該シフト反応器の出口ガス中の一酸化炭素濃度を、一酸化炭素を選択的に酸化する選択酸化反応により低減する、選択酸化反応を促進可能な選択酸化触媒を備える選択酸化反応器と、を備える水素製造装置;および、該水素製造装置から得られる水素を用いて発電を行う燃料電池を有する燃料電池システムの停止方法であって、
該改質触媒、シフト反応触媒および選択酸化触媒を含む流路を、スチームによってパージする工程;
該流路を外界から遮断する工程;および、
該流路の負圧を解消するために、該シフト触媒の温度が40℃以下になった段階で、該シフト触媒の下流側から該流路に空気を導入する空気導入工程
を有する燃料電池システムの停止方法が提供される。
According to the present invention, a reformer equipped with a reforming catalyst capable of promoting a reforming reaction, which obtains a gas containing hydrogen from a raw material for hydrogen production using a reforming reaction, and an outlet gas of the reformer A shift reactor including a shift catalyst that is a catalyst capable of promoting a shift reaction, which reduces the carbon oxide concentration by a shift reaction, and a concentration of carbon monoxide in an outlet gas of the shift reactor is selectively set to carbon monoxide. A selective oxidation reactor including a selective oxidation catalyst capable of promoting a selective oxidation reaction, which is reduced by a selective oxidation reaction to be oxidized; and a fuel that generates electricity using hydrogen obtained from the hydrogen production apparatus A method for stopping a fuel cell system having a battery, comprising:
Purging the flow path containing the reforming catalyst, shift reaction catalyst and selective oxidation catalyst with steam;
Blocking the flow path from the outside; and
A fuel cell system having an air introduction process for introducing air from the downstream side of the shift catalyst to the flow path when the temperature of the shift catalyst becomes 40 ° C. or lower in order to eliminate the negative pressure in the flow path A stopping method is provided.

上記燃料電池システムの停止方法では、前記空気導入工程において、前記シフト触媒と選択酸化触媒との間から前記流路に空気を導入することができる。   In the fuel cell system stopping method, air can be introduced into the flow path from between the shift catalyst and the selective oxidation catalyst in the air introduction step.

上記燃料電池システムの停止方法では、前記空気導入工程において、前記選択酸化触媒の下流側から前記流路に空気を導入することができる。   In the fuel cell system stopping method, air can be introduced into the flow path from the downstream side of the selective oxidation catalyst in the air introduction step.

本発明によれば、窒素ガスボンベの組み込み、パージガス機構の組み込み、もしくは高額な負圧対応の自動開閉バルブを組み込むことなく、触媒劣化を抑え、安全に経済的にかつ容易に水素製造装置および燃料システムを停止する方法が提供される。   According to the present invention, without incorporating a nitrogen gas cylinder, a purge gas mechanism, or an expensive automatic opening / closing valve for negative pressure, the catalyst deterioration can be suppressed, and a hydrogen production apparatus and a fuel system can be safely, economically and easily. A method of stopping is provided.

本発明においては、改質触媒、シフト反応触媒および選択酸化触媒を含む流路(以下場合によりパージ領域という)を、スチームによってパージする(スチームパージ工程)。   In the present invention, the flow path including the reforming catalyst, the shift reaction catalyst, and the selective oxidation catalyst (hereinafter sometimes referred to as a purge region) is purged with steam (steam purge step).

上記スチームパージの後、パージ領域を外界から遮断する(遮断工程)。適宜の閉止弁(負圧対応の自動開閉バルブでなくてよい)を用いて、パージ領域を外界から遮断することができる。   After the steam purge, the purge region is blocked from the outside (blocking step). The purge region can be shut off from the outside by using an appropriate shut-off valve (not necessarily an automatic open / close valve for negative pressure).

上記遮断工程の後、シフト触媒の温度が40℃以下になった段階で、シフト触媒の下流側から前記パージ領域に空気を導入する(空気導入工程)。これによってパージ領域の負圧を解消する。なお、シフト触媒の温度分布を考慮する場合は、その最高温度が40℃以下になった段階で空気を導入すればよい。また、負圧状態になる時間を短くするために、シフト触媒の温度が40℃以下になったら、なるべく早期に空気を導入することが好ましい。   After the shut-off step, air is introduced into the purge region from the downstream side of the shift catalyst when the temperature of the shift catalyst becomes 40 ° C. or lower (air introduction step). This eliminates the negative pressure in the purge region. In consideration of the temperature distribution of the shift catalyst, air may be introduced when the maximum temperature is 40 ° C. or lower. Moreover, in order to shorten the time for the negative pressure state, it is preferable to introduce air as soon as possible when the temperature of the shift catalyst becomes 40 ° C. or lower.

燃料電池システムの場合、空気を導入する位置は、燃料電池より上流とすることができる。具体的には、シフト触媒の下流かつ選択酸化触媒の上流、もしくは、選択酸化触媒の下流かつ燃料電池(アノード室)の上流とすることができる。   In the case of a fuel cell system, the air introduction position can be upstream from the fuel cell. Specifically, it can be downstream of the shift catalyst and upstream of the selective oxidation catalyst, or downstream of the selective oxidation catalyst and upstream of the fuel cell (anode chamber).

水素製造装置の場合、空気を導入する位置は、水素製造装置の出口(水素出口)より上流とすることができる。具体的には、シフト触媒の下流かつ選択酸化触媒の上流、もしくは、選択酸化触媒の下流かつ水素出口の上流とすることができる。   In the case of a hydrogen production apparatus, the position where air is introduced can be upstream from the outlet (hydrogen outlet) of the hydrogen production apparatus. Specifically, it can be downstream of the shift catalyst and upstream of the selective oxidation catalyst, or downstream of the selective oxidation catalyst and upstream of the hydrogen outlet.

シフト触媒の下流側からパージ領域に空気を導入することにより、シフト触媒によって酸素を除去することができ、酸素濃度が低減されたガスを改質触媒に到達させることができる。これは、改質触媒の保護の点で有効である。   By introducing air into the purge region from the downstream side of the shift catalyst, oxygen can be removed by the shift catalyst, and gas with a reduced oxygen concentration can reach the reforming catalyst. This is effective in terms of protecting the reforming catalyst.

パージ領域が負圧となるため、パージ領域を大気開放することにより、大気(空気)をパージ領域に導入することができる(空気が自然に流入する)。   Since the purge area has a negative pressure, the atmosphere (air) can be introduced into the purge area by opening the purge area to the atmosphere (air naturally flows in).

空気導入工程において、選択酸化触媒の下流側から前記パージ領域に空気を導入することができる。あるいは、空気導入工程において、シフト触媒と選択酸化触媒との間から前記パージ領域に空気を導入することができる。選択酸化触媒の保護の観点からは、前者より後者の方が好ましい。   In the air introduction step, air can be introduced into the purge region from the downstream side of the selective oxidation catalyst. Alternatively, in the air introduction step, air can be introduced into the purge region from between the shift catalyst and the selective oxidation catalyst. From the viewpoint of protecting the selective oxidation catalyst, the latter is preferable to the former.

以下、図面を用いて本発明の好適な形態について詳細に説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。   Hereinafter, although the suitable form of the present invention is explained in detail using a drawing, the present invention is not limited by this.

図1及び図2は、それぞれ本発明を適用できる固体高分子形燃料電池発電システムの例を説明する模式的フロー図である。   FIG. 1 and FIG. 2 are schematic flow diagrams illustrating examples of solid polymer fuel cell power generation systems to which the present invention can be applied.

図1に示した燃料電池システムにおいて、燃料タンク3内の炭化水素系燃料(ここでは液体とする)は燃料ポンプ4を経て脱硫器5に流入する。このとき、必要であれば選択酸化反応器11からの水素含有ガスを添加できる。脱硫器5内には例えば銅−亜鉛系あるいはニッケル−亜鉛系の収着剤などの脱硫剤を充填することができる。   In the fuel cell system shown in FIG. 1, hydrocarbon fuel (here, liquid) in the fuel tank 3 flows into the desulfurizer 5 through the fuel pump 4. At this time, the hydrogen-containing gas from the selective oxidation reactor 11 can be added if necessary. The desulfurizer 5 can be filled with a desulfurizing agent such as a copper-zinc-based or nickel-zinc-based sorbent.

脱硫器5で脱硫された炭化水素系燃料は、水タンク1から水ポンプ2を経た水と混合した後、気化器6に導入される。気化器で炭化水素系燃料と水が気化されて、改質器7に送り込まれる。   The hydrocarbon fuel desulfurized by the desulfurizer 5 is mixed with water from the water tank 1 through the water pump 2 and then introduced into the vaporizer 6. The hydrocarbon fuel and water are vaporized by the vaporizer and fed into the reformer 7.

改質器7は加温用バーナー18で加熱される。加温用バーナー18の燃料には主に燃料電池17のアノードオフガス(アノード室から排出されるガス)を用いるが、必要に応じて燃料ポンプ4から吐出される燃料を用いることもできる。改質器7に充填する触媒としてはニッケル系、ルテニウム系、ロジウム系などの改質触媒を用いることができる。   The reformer 7 is heated by a heating burner 18. The fuel of the heating burner 18 is mainly the anode off-gas (gas discharged from the anode chamber) of the fuel cell 17, but the fuel discharged from the fuel pump 4 can also be used if necessary. As the catalyst charged in the reformer 7, a nickel-based, ruthenium-based or rhodium-based reforming catalyst can be used.

この様にして製造された水素と一酸化炭素を含有する改質ガスは、気化器を経由して、高温シフト反応器9に続いて低温シフト反応器10に送られる。気化器では、改質ガスが持つ顕熱が、気化のために利用される。   The reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide thus produced is sent to the low temperature shift reactor 10 following the high temperature shift reactor 9 via the vaporizer. In the vaporizer, the sensible heat of the reformed gas is used for vaporization.

これらシフト反応器では、シフト反応(CO+H2O→H2+CO2)が行われる。高温シフト反応器9には鉄−クロム系触媒、低温シフト反応器10には銅−亜鉛系触媒等の触媒が充填されている。 In these shift reactors, a shift reaction (CO + H 2 O → H 2 + CO 2 ) is performed. The high temperature shift reactor 9 is filled with an iron-chromium catalyst, and the low temperature shift reactor 10 is filled with a catalyst such as a copper-zinc catalyst.

高温シフト反応器9および低温シフト反応器10により得られたガスは、次に選択酸化反応器11に導かれる。選択酸化反応器11には、Ru系またはPt系の選択酸化触媒が充填されている。シフト反応器の出口ガス(特には低温シフト反応器出口ガス)は空気ブロアー8から供給される空気と混合され、選択酸化反応器11内において前記触媒の存在下に一酸化炭素の選択酸化が行われる。かかる方法により、一酸化炭素濃度は燃料電池の特性に影響を及ぼさない程度まで低減される。   The gas obtained by the high temperature shift reactor 9 and the low temperature shift reactor 10 is then led to the selective oxidation reactor 11. The selective oxidation reactor 11 is filled with a Ru-based or Pt-based selective oxidation catalyst. The shift reactor outlet gas (especially the low temperature shift reactor outlet gas) is mixed with the air supplied from the air blower 8, and the selective oxidation of carbon monoxide is performed in the selective oxidation reactor 11 in the presence of the catalyst. Is called. By this method, the carbon monoxide concentration is reduced to such an extent that it does not affect the characteristics of the fuel cell.

固体高分子形燃料電池17はアノード12、カソード13、固体高分子電解質14を有する。アノード(燃料極)側には上記の方法で得られた一酸化炭素濃度が低減された高純度の水素を含有するガス(選択酸化反応器出口ガス)が、カソード(空気極)側には空気ブロアー8から送られる空気が、それぞれ必要であれば適当な加湿処理を行なった後で(加湿装置は図示していない)導入される。この時、アノードでは水素ガスがプロトンとなり電子を放出する反応が進行し、カソードでは酸素ガスが電子とプロトンを得て水となる反応が進行する。これらの反応を促進するため、それぞれ、アノードには白金黒、活性炭担持のPt触媒あるいはPt−Ru合金触媒などが、カソードには白金黒、活性炭担持のPt触媒などが用いられる。通常アノード、カソードの両触媒とも、必要に応じてポリテトラフルオロエチレン、低分子の高分子電解質膜素材、活性炭などと共に多孔質触媒層に成形される。   The polymer electrolyte fuel cell 17 has an anode 12, a cathode 13, and a solid polymer electrolyte 14. On the anode (fuel electrode) side, a gas (selective oxidation reactor outlet gas) containing high-purity hydrogen with a reduced carbon monoxide concentration obtained by the above method is shown, and on the cathode (air electrode) side, air is contained. If necessary, the air sent from the blower 8 is introduced after a suitable humidification process (a humidifier is not shown). At this time, a reaction in which hydrogen gas becomes protons and emits electrons proceeds at the anode, and a reaction in which oxygen gas obtains electrons and protons to become water proceeds at the cathode. In order to promote these reactions, platinum black and Pt catalyst or Pt-Ru alloy catalyst supported on activated carbon are used for the anode, and platinum black and Pt catalyst supported on activated carbon are used for the cathode. In general, both the anode and cathode catalysts are formed into a porous catalyst layer together with polytetrafluoroethylene, a low molecular weight polymer electrolyte membrane material, activated carbon and the like as necessary.

なお固体高分子形燃料電池の組み立てにおいては、Nafion(デュポン社製)、Gore(ゴア社製)、Flemion(旭硝子社製)、Aciplex(旭化成社製)等の商品名で知られる高分子電解質膜の両側に前述の多孔質触媒層を積層しMEA(Membrane Electrode Assembly)が形成される。さらにMEAを金属材料、グラファイト、カーボンコンポジットなどからなるガス供給機能、集電機能、特にカソードにおいては重要な排水機能等を持つセパレータで挟み込むことで燃料電池が組み立てられる。   In the assembly of the polymer electrolyte fuel cell, a polymer electrolyte membrane known by a trade name such as Nafion (manufactured by DuPont), Gore (manufactured by Gore), Flemion (manufactured by Asahi Glass), Aciplex (manufactured by Asahi Kasei), etc. The aforementioned porous catalyst layer is laminated on both sides of the substrate to form MEA (Membrane Electrode Assembly). Further, the fuel cell is assembled by sandwiching the MEA with a separator having a gas supply function, a current collecting function, particularly an important drainage function in the cathode, and the like made of a metal material, graphite, carbon composite and the like.

電気負荷15はアノード、カソードと電気的に連結される。アノードオフガスは加温用バーナー18において消費される。カソードオフガスは排気口16から排出される。   The electric load 15 is electrically connected to the anode and the cathode. The anode off gas is consumed in the heating burner 18. The cathode off gas is discharged from the exhaust port 16.

図1に示した形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池システム停止時もしくは水素製造装置停止時には、スチームパージを行う。スチームパージを行うべき領域は、改質触媒、シフト反応触媒および選択酸化触媒を少なくとも含む流路である。スチームパージを行うために、具体的には、水素を製造している状態から、燃料ポンプ4を停止、閉止弁20を閉止させる。これでスチームパージ状態となる。   In the fuel cell system shown in FIG. 1, steam purge is performed when the fuel cell system is stopped or when the hydrogen production apparatus is stopped. The region where steam purge is to be performed is a flow path including at least a reforming catalyst, a shift reaction catalyst, and a selective oxidation catalyst. In order to perform the steam purge, specifically, the fuel pump 4 is stopped and the stop valve 20 is closed from the state where hydrogen is produced. Now, the steam purge state is established.

スチームパージの後、閉止弁19〜22を閉じることで水素製造装置内部の封じきり状態を作る。つまり、前述のパージ領域(改質触媒、シフト反応触媒および選択酸化触媒を少なくとも含む流路)を、外界から遮断して、閉空間とする。このとき閉止弁23も閉じている。   After the steam purge, the shut-off valves 19 to 22 are closed to create a sealed state inside the hydrogen production apparatus. That is, the above-described purge region (the flow path including at least the reforming catalyst, the shift reaction catalyst, and the selective oxidation catalyst) is blocked from the outside to form a closed space. At this time, the stop valve 23 is also closed.

その後、温度低下により、閉空間とされたパージ領域内部は負圧状態になるが、シフト触媒温度が40℃以下になった段階で、シフト触媒と一酸化炭素選択酸化触媒の間に設置された閉止弁23を開き、空気導入流量制限用絞り24により徐々に空気を導入し、負圧の解消を行う。   After that, due to the temperature drop, the inside of the purged area, which is a closed space, is in a negative pressure state. The shut-off valve 23 is opened, and air is gradually introduced by the air introduction flow restriction restrictor 24 to eliminate the negative pressure.

空気が導入されると、シフト触媒が酸素と反応し発熱することがある。シフト触媒保護の観点からこの発熱を抑えることが好ましい。このために空気導入流量を制限することが有効である。この目的で空気導入流量制限用絞りを用いることができる。具体的には、ニードルバルブやキャピラリー管などを用いることができる。空気導入流量制限用絞りによって、減圧により生じる自然導入流量に対して1/10以下の流量に絞ることができる。   When air is introduced, the shift catalyst may react with oxygen and generate heat. It is preferable to suppress this heat generation from the viewpoint of protecting the shift catalyst. For this purpose, it is effective to limit the air introduction flow rate. An air introduction flow restriction restrictor can be used for this purpose. Specifically, a needle valve or a capillary tube can be used. With the restriction for restricting the air introduction flow rate, the flow rate can be reduced to 1/10 or less with respect to the natural introduction flow rate caused by the decompression.

に示す形態の燃料電池システムにおいても、燃料電池システム停止時もしくは水素製造装置停止時には、図に示した形態の場合と同様にスチームパージした後、閉止弁19〜22を閉じることで水素製造装置内部の封じきり状態を作る。このとき閉止弁23も閉じている。 Also in the fuel cell system in the form shown in FIG. 2, at the time when or hydrogen production apparatus stops the fuel cell system is stopped, after the steam purging as in the embodiment shown in FIG. 1, the hydrogen by closing the shutoff valve 19-22 Create a sealed condition inside the manufacturing equipment. At this time, the stop valve 23 is also closed.

温度低下により、閉空間とされたパージ領域内部は負圧状態になるが、シフト触媒温度が40℃以下になった段階で、一酸化炭素選択酸化触媒の出口側に設置された閉止弁23を開き、空気導入流量制限用絞り24により徐々に空気を導入し、負圧の解消を行う。   Due to the temperature drop, the inside of the purged area, which is a closed space, is in a negative pressure state. The air is gradually introduced by the air introduction flow restriction restrictor 24 to eliminate the negative pressure.

に示した形態と図に示した形態とで異なるのは、空気導入用の閉止弁23および空気導入流量制限用絞り24が接続される位置である。
The difference between the configuration shown in FIG. 1 and the configuration shown in FIG. 2 is the position where the air introduction shut-off valve 23 and the air introduction flow restriction restrictor 24 are connected.

通常、燃料電池用の燃料ガスの出発原料である炭化水素系燃料(原燃料)としては、天然ガス、LPG、ナフサ、灯油、ガソリンまたはこれらに相当する各種溜分や、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の炭化水素、メタノール、エタノール等の各種アルコール、およびジメチルエーテル等のエーテル等が用いられる。   Normally, hydrocarbon fuels (raw fuels) that are starting materials for fuel gas for fuel cells include natural gas, LPG, naphtha, kerosene, gasoline or various equivalents thereof, methane, ethane, propane, Hydrocarbons such as butane, various alcohols such as methanol and ethanol, and ethers such as dimethyl ether are used.

上記原燃料を改質する方法としては、特に限定されるものではなく、水蒸気改質方法、部分酸化改質方法、オートサーマルリフォーミング等の各種方法が挙げられる。本発明においてはこれらのいずれの方法も採用することができる。   The method for reforming the raw fuel is not particularly limited, and various methods such as a steam reforming method, a partial oxidation reforming method, and autothermal reforming can be used. Any of these methods can be employed in the present invention.

なお、硫黄を含んでいる原燃料をそのまま改質工程に供給してしまうと、改質触媒が被毒を受け、改質触媒の活性が発現せず、また寿命も短くなるため、改質反応に先だって、原燃料を脱硫処理しておくことが好ましい。脱硫反応の条件は、原燃料の状態および硫黄含有量によって異なるため一概には言えないが、通常、反応温度は常温〜450℃が好ましく、特に常温〜300℃が好ましい。反応圧力は常圧〜1MPaが好ましく、特に常圧〜0.2MPaが好ましい。空間速度(SV)は原料が液体の場合、液空間速度(LHSV)で0.01〜15h-1の範囲が好ましく、0.05〜5h-1の範囲がさらに好ましく、0.1〜3h-1の範囲が特に好ましい。気体原料を用いる場合は、ガス空間速度(GHSV)で100〜10,000h-1の範囲が好ましく、200〜5,000h-1の範囲がさらに好ましく、300〜2,000h-1の範囲が特に好ましい。なお、SVは0℃、大気圧(0.10MPa)を基準とした値である。 If the raw fuel containing sulfur is supplied to the reforming process as it is, the reforming catalyst will be poisoned, the activity of the reforming catalyst will not be expressed, and the life will be shortened. Prior to this, it is preferable to desulfurize the raw fuel. The conditions for the desulfurization reaction vary depending on the state of the raw fuel and the sulfur content, and thus cannot be generally stated, but the reaction temperature is usually preferably from room temperature to 450 ° C, particularly preferably from room temperature to 300 ° C. The reaction pressure is preferably from normal pressure to 1 MPa, and particularly preferably from normal pressure to 0.2 MPa. If the space velocity (SV) of the raw material is liquid is preferably in the range of 0.01~15H -1 at a liquid hourly space velocity (LHSV), more preferably in the range of 0.05~5h -1, 0.1~3h - A range of 1 is particularly preferred. When using a gas precursor is preferably in the range of 100~10,000H -1 gas hourly space velocity (GHSV), more preferably in the range of 200~5,000H -1, in particular in the range of 300~2,000H -1 preferable. SV is a value based on 0 ° C. and atmospheric pressure (0.10 MPa).

また改質反応条件も必ずしも限定されるものではないが、通常、反応温度は200〜1000℃が好ましく、特に500〜850℃が好ましい。反応圧力は常圧〜1MPaが好ましく、特に常圧〜0.2MPaが好ましい。GHSVは、100〜100,000h-1が好ましく、300〜50,000h-1がより好ましく、500〜30,000h-1が特に好ましい。 Further, although the reforming reaction conditions are not necessarily limited, usually the reaction temperature is preferably 200 to 1000 ° C, particularly preferably 500 to 850 ° C. The reaction pressure is preferably from normal pressure to 1 MPa, and particularly preferably from normal pressure to 0.2 MPa. GHSV is preferably from 100~100,000H -1, more preferably 300~50,000h -1, 500~30,000h -1 is particularly preferred.

改質反応により得られるガス(改質ガス)は、主成分として水素を含むものの、他の成分としては、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気等が含有される。   The gas (reformed gas) obtained by the reforming reaction contains hydrogen as a main component, but other components include carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor, and the like.

改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させ、水素と二酸化炭素に転化する方法、いわゆる水性ガスシフト反応により一酸化炭素濃度の低減をより効果的にする。水性ガスシフト反応は改質ガスの組成等によって、必ずしも反応条件は限定されるものではないが、通常、反応温度は120〜500℃が好ましく、特に150〜450℃が好ましい。反応圧力は常圧〜1MPaが好ましく、特に常圧〜0.2MPaが好ましい。GHSVは100〜50,000h-1が好ましく、特に300〜10,000h-1が好ましい。 Reduction of carbon monoxide concentration is made more effective by a method in which carbon monoxide in the reformed gas is reacted with water vapor and converted into hydrogen and carbon dioxide, so-called water gas shift reaction. The reaction conditions for the water gas shift reaction are not necessarily limited depending on the composition of the reformed gas and the like, but the reaction temperature is usually preferably 120 to 500 ° C, and particularly preferably 150 to 450 ° C. The reaction pressure is preferably from normal pressure to 1 MPa, and particularly preferably from normal pressure to 0.2 MPa. GHSV is preferably 100~50,000h -1, especially 300~10,000H -1 are preferred.

一酸化炭素の選択的酸化反応において、導入ガスの一酸化炭素濃度は、通常0.1〜2体積%であり、水素濃度は通常40〜85体積%である。ここに、酸素含有ガスを導入して反応を行う。酸素含有ガスとしては、特に限定されないが、空気や酸素が挙げられる。導入する酸素含有ガスは、酸素含有ガス中の酸素と原料ガス中の一酸化炭素とのモル比は、特に限定されないが、0.5〜3.0の範囲内となるように供給することが好ましい。例えば、原料ガス中の一酸化炭素濃度が0.5体積%である場合、前記モル比は、0.5〜2.5の範囲内とすることがより好ましい。前記モル比が0.5以上であれば、一酸化炭素との酸化反応が良好に進行する。また、前記モル比が3.0以下であれば、水素の酸化反応による水素濃度の低下水素の酸化熱による反応温度の上昇、メタンの生成などの副反応を抑制することができる。   In the selective oxidation reaction of carbon monoxide, the concentration of carbon monoxide in the introduced gas is usually 0.1 to 2% by volume, and the hydrogen concentration is usually 40 to 85% by volume. Here, an oxygen-containing gas is introduced to carry out the reaction. Although it does not specifically limit as oxygen-containing gas, Air and oxygen are mentioned. The oxygen-containing gas to be introduced is supplied so that the molar ratio of oxygen in the oxygen-containing gas and carbon monoxide in the raw material gas is not particularly limited, but is in the range of 0.5 to 3.0. preferable. For example, when the carbon monoxide concentration in the raw material gas is 0.5% by volume, the molar ratio is more preferably in the range of 0.5 to 2.5. If the molar ratio is 0.5 or more, the oxidation reaction with carbon monoxide proceeds well. Moreover, if the molar ratio is 3.0 or less, a decrease in hydrogen concentration due to hydrogen oxidation reaction, side reactions such as an increase in reaction temperature due to the heat of oxidation of hydrogen and generation of methane can be suppressed.

水素および一酸化炭素を含有する原料ガス中の一酸化炭素の選択酸化反応を行う際、反応圧力は、燃料電池システムの経済性、安全性等も考慮し、常圧〜1MPaの範囲が好ましく、特に常圧〜0.2MPaが好ましい。反応温度としては、一酸化炭素濃度を低下させる温度であれば、特に限定はないが、低温では反応速度が遅くなり、高温では選択性が低下するため、通常は80〜350℃が好ましく、特に100〜300℃が好ましい。一酸化炭素の酸化反応の進行しやすさと、装置の大きさの観点から、1,000〜50,000h-1の範囲が好ましく、特に3,000〜30,000h-1の範囲が好ましい。 When performing the selective oxidation reaction of carbon monoxide in the raw material gas containing hydrogen and carbon monoxide, the reaction pressure is preferably in the range of normal pressure to 1 MPa in consideration of the economics and safety of the fuel cell system, In particular, normal pressure to 0.2 MPa is preferable. The reaction temperature is not particularly limited as long as it lowers the carbon monoxide concentration. However, the reaction rate is slow at low temperatures and the selectivity decreases at high temperatures. 100-300 degreeC is preferable. And advanced ease of oxidation of carbon monoxide, in view of the size of the device, preferably in the range of 1,000~50,000H -1, in particular in the range of 3,000~30,000H -1 are preferred.

上記のように、改質ガスをシフト反応および選択酸化反応に付すことによって、原料ガス中の一酸化炭素濃度を好ましくは100volppm以下、より好ましくは50volppm以下、最も好ましくは10volppm以下にまで低減することができる。一酸化炭素濃度が低減された燃料ガスを用いることにより、燃料電池の電極に用いられている貴金属系触媒の被毒、劣化が抑制され、発電効率を高く保ちながら、長寿命を維持することが可能となる。   As described above, by subjecting the reformed gas to a shift reaction and a selective oxidation reaction, the carbon monoxide concentration in the raw material gas is preferably reduced to 100 volppm or less, more preferably 50 volppm or less, and most preferably 10 volppm or less. Can do. By using fuel gas with reduced carbon monoxide concentration, poisoning and deterioration of the noble metal catalyst used in the electrodes of the fuel cell are suppressed, and it is possible to maintain a long life while maintaining high power generation efficiency. It becomes possible.

本発明を実施しうる燃料電池システムの一形態を説明するためのフロー図である。It is a flowchart for demonstrating one form of the fuel cell system which can implement this invention. 本発明を実施しうる燃料電池システムの別の形態を説明するためのフロー図である。It is a flowchart for demonstrating another form of the fuel cell system which can implement this invention. 従来の燃料電池発電システムを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the conventional fuel cell power generation system.

符号の説明Explanation of symbols

1 水タンク
2 水ポンプ
3 燃料タンク
4 燃料ポンプ
5 脱硫器
6 気化器
7 改質器
8 空気ブロアー
9 高温シフト反応器
10 低温シフト反応器
11 選択酸化反応器
12 アノード
13 カソード
14 固体高分子電解質
15 電気負荷
16 排気口
17 固体高分子型燃料電池
18 加温用バーナー
19〜22 閉止弁
23 空気導入用閉止弁
24 空気導入流量制限用絞り
301、302、303、304、308 閉止弁
310 燃料改質装置
311 燃料電池
312 バーナー
340、350 逆止弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Water tank 2 Water pump 3 Fuel tank 4 Fuel pump 5 Desulfurizer 6 Vaporizer 7 Reformer 8 Air blower 9 High temperature shift reactor 10 Low temperature shift reactor 11 Selective oxidation reactor 12 Anode 13 Cathode 14 Solid polymer electrolyte 15 Electric load 16 Exhaust port 17 Polymer polymer fuel cell 18 Heating burner 19-22 Shut-off valve 23 Air introduction shut-off valve 24 Air introduction flow rate restricting throttle 301, 302, 303, 304, 308 Shut-off valve 310 Fuel reforming Device 311 Fuel cell 312 Burner 340, 350 Check valve

Claims (6)

水素製造用原料から改質反応を利用して水素を含むガスを得る、改質反応を促進可能な改質触媒を備える改質器と、
該改質器の出口ガス中の一酸化炭素濃度をシフト反応により低減する、シフト反応を促進可能な触媒であるシフト触媒を備えるシフト反応器と、
該シフト反応器の出口ガス中の一酸化炭素濃度を、一酸化炭素を選択的に酸化する選択酸化反応により低減する、選択酸化反応を促進可能な選択酸化触媒を備える選択酸化反応器と、
を備える水素製造装置の停止方法であって、
該改質触媒、シフト反応触媒および選択酸化触媒を含む流路を、スチームによってパージする工程;
該流路を外界から遮断する工程;および、
該流路の負圧を解消するために、該シフト触媒の温度が40℃以下になった段階で、該シフト触媒の下流側から該流路に空気を導入する空気導入工程
を有する水素製造装置の停止方法。
A reformer comprising a reforming catalyst capable of promoting a reforming reaction, obtaining a gas containing hydrogen from a raw material for hydrogen production using a reforming reaction;
A shift reactor comprising a shift catalyst, which is a catalyst capable of promoting the shift reaction, which reduces the concentration of carbon monoxide in the outlet gas of the reformer by a shift reaction;
A selective oxidation reactor comprising a selective oxidation catalyst capable of promoting a selective oxidation reaction, wherein the concentration of carbon monoxide in the outlet gas of the shift reactor is reduced by a selective oxidation reaction that selectively oxidizes carbon monoxide;
A method for stopping a hydrogen production apparatus comprising:
Purging the flow path containing the reforming catalyst, shift reaction catalyst and selective oxidation catalyst with steam;
Blocking the flow path from the outside; and
In order to eliminate the negative pressure in the flow path, a hydrogen production apparatus having an air introduction process for introducing air from the downstream side of the shift catalyst to the flow path when the temperature of the shift catalyst becomes 40 ° C. or lower How to stop.
前記空気導入工程において、前記シフト触媒と選択酸化触媒との間から前記流路に空気を導入する請求項1記載の方法。   The method according to claim 1, wherein in the air introduction step, air is introduced into the flow path from between the shift catalyst and the selective oxidation catalyst. 前記空気導入工程において、前記選択酸化触媒の下流側から前記流路に空気を導入する請求項1記載の方法。   The method according to claim 1, wherein air is introduced into the flow path from the downstream side of the selective oxidation catalyst in the air introduction step. 水素製造用原料から改質反応を利用して水素を含むガスを得る、改質反応を促進可能な改質触媒を備える改質器と、該改質器の出口ガス中の一酸化炭素濃度をシフト反応により低減する、シフト反応を促進可能な触媒であるシフト触媒を備えるシフト反応器と、該シフト反応器の出口ガス中の一酸化炭素濃度を、一酸化炭素を選択的に酸化する選択酸化反応により低減する、選択酸化反応を促進可能な選択酸化触媒を備える選択酸化反応器と、を備える水素製造装置;および、該水素製造装置から得られる水素を用いて発電を行う燃料電池を有する燃料電池システムの停止方法であって、
該改質触媒、シフト反応触媒および選択酸化触媒を含む流路を、スチームによってパージする工程;
該流路を外界から遮断する工程;および、
該流路の負圧を解消するために、該シフト触媒の温度が40℃以下になった段階で、該シフト触媒の下流側から該流路に空気を導入する空気導入工程
を有する燃料電池システムの停止方法。
A reformer equipped with a reforming catalyst capable of promoting a reforming reaction to obtain a gas containing hydrogen from a raw material for hydrogen production using a reforming reaction, and a carbon monoxide concentration in an outlet gas of the reformer A shift reactor including a shift catalyst that is a catalyst that can promote the shift reaction, which is reduced by the shift reaction, and a selective oxidation that selectively oxidizes carbon monoxide in the outlet gas of the shift reactor. A selective oxidation reactor comprising a selective oxidation catalyst capable of promoting a selective oxidation reaction that is reduced by the reaction; and a fuel having a fuel cell that generates power using hydrogen obtained from the hydrogen production apparatus A method for stopping a battery system,
Purging the flow path containing the reforming catalyst, shift reaction catalyst and selective oxidation catalyst with steam;
Blocking the flow path from the outside; and
A fuel cell system having an air introduction process for introducing air from the downstream side of the shift catalyst to the flow path when the temperature of the shift catalyst becomes 40 ° C. or lower in order to eliminate the negative pressure in the flow path How to stop.
前記空気導入工程において、前記シフト触媒と選択酸化触媒との間から前記流路に空気を導入する請求項4記載の方法。   The method according to claim 4, wherein in the air introduction step, air is introduced into the flow path from between the shift catalyst and the selective oxidation catalyst. 前記空気導入工程において、前記選択酸化触媒の下流側から前記流路に空気を導入する請求項4記載の方法。   The method according to claim 4, wherein in the air introduction step, air is introduced into the flow path from the downstream side of the selective oxidation catalyst.
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