JP5109245B2 - 水素製造システムにおける原料ガスの改質方法 - Google Patents
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Description
CH4+H2O→CO+3H2 (1)
CO+H2O→CO2+H2 (2)
このうちCOは燃料電池に使用した場合、電極を被毒させ、電池性能を低下させる原因となる。このため、リン酸型燃料電池(PAFC)の場合には、COからCO2へのシフト反応を行うCO変成器を用いて改質ガス中のCO濃度を1%以下とし、さらに、固体高分子型燃料電池(PEFC)の場合には、選択酸化反応装置によりCO濃度を10ppm以下に低下させるようにしている。
2CO+O2→2CO2 (3)
このため、CO変成器の負荷の低減、および逆シフト反応の抑制を目的として、Li2ZrO3やLi4ZrO4を炭酸ガスの吸収材として用い、改質ガスから二酸化炭素(炭酸ガス)を吸収する方法が提案されている(特許文献1参照)。
ところで、CO2吸収時の発熱を利用するためには、吸収温度を反応温度と同等もしくはそれ以上にすることが必要となる。しかしながら、炭酸ガス吸収材として用いられているLi4SiO4は、700℃を超える高温下において、炭酸ガスを吸収することは困難であり、このことは、Li2ZrO3やLi4ZrO4を炭酸ガスの吸収材として用いた特許文献1の方法の場合と同様である。したがって、CO2吸収時の発熱を水蒸気改質時に利用するためには、改質温度を700℃以下にする必要があるが、改質温度を700℃以下にすると、未反応の原料ガスの残存率が増大し、水素濃度の高い改質ガスを得ることができなくなるという問題点がある。
水蒸気改質法を用いた燃料電池用の水素製造システムにおける原料ガスの改質方法において、
原料ガスを水素に改質する改質反応を700℃以上の温度で行うとともに、
前記改質反応において生成する炭酸ガスの、Ba 2 TiO 4 を主成分とする炭酸ガス吸収材による吸収を、前記改質反応温度よりも高い温度で行い、
前記炭酸ガスを前記炭酸ガス吸収材で吸収する際の発熱を前記改質反応に利用すること
を特徴としている。
炭酸ガス吸収後の前記炭酸ガス吸収材を再生するために、前記炭酸ガス吸収材を加熱して炭酸ガスを放出させる炭酸ガス放出器を用いるとともに、
前記改質反応の反応熱源として、前記炭酸ガス吸収材による炭酸ガス吸収時の発熱に加えて、前記炭酸ガス放出器において前記炭酸ガス吸収材から炭酸ガスを放出させるために加えた熱の余剰分を併せて利用すること
を特徴としている。
なお、本願発明において、炭酸ガスを炭酸ガス吸収材で吸収する際の発熱とは、反応吸収による反応熱、吸着による吸着熱などを含む広い概念である。
CH4+H2O→CO+3H2 (1)
(ΔH=+206kJ/mol)
[シフト反応]
CO+H2O→CO2+H2 (2)
(ΔH=−41kJ/mol)
[炭酸ガス吸収反応]
Ba2TiO4+CO2→BaTiO3+BaCO3 (4)
(ΔH=−147kJ/mol)
ただし、上記のΔHは、+符号を付したものが吸熱反応、−符号を付したものが発熱反応である。
なお、炭酸ガス放出器において炭酸ガス吸収材から炭酸ガスを放出させるために加えた熱の余剰分とは、炭酸ガス放出器に加えた熱のうち、炭酸ガス放出反応に使用された熱以外の熱を意味する概念であり、例えば、過熱水蒸気などのキャリアガスを用いる場合のキャリアガスが有する熱量や、炭酸ガス放出器の顕熱などが例示される。
さらに、炭酸ガス吸収材を再生する際に発生する炭酸ガスは、高純度であることから、大気中に放出することなく、付加価値の高い副次製品としての利用や販売などが可能である。
なお、炭酸ガス吸収材から炭酸ガスを放出させるために加えた熱の余剰分を、改質器21内で原料ガスを水蒸気改質する際の反応熱源として利用するための構成としても、公知の種々の熱交換器などを用いる方法などが例示されるが、その具体的な構成に特別の制約はない。
[水蒸気改質反応]
CH4+H2O→CO+3H2 (1)
(ΔH=+206kJ/mol)
[シフト反応]
CO+H2O→CO2+H2 (2)
(ΔH=−41kJ/mol)
[炭酸ガス吸収反応]
Ba2TiO4+CO2→BaTiO3+BaCO3 (4)
(ΔH=−147kJ/mol)
なお、炭酸ガス放出器において炭酸ガス吸収材から炭酸ガスを放出させるために加えた熱の余剰分としては、例えば、過熱水蒸気などのキャリアガスを用いる場合のキャリアガスが有する熱量や、炭酸ガス放出器の顕熱などがあり、公知の熱交換手段を用いることにより、これらの熱を回収、利用することができる。
上述の図1に示した燃料電池用改質装置2を用いて、炭酸ガス吸収器に各種の炭酸ガス吸収材を充填し、あるいは充填せずに、表1に示す条件で原料ガス(メタン)の水蒸気改質を行った。
また、試験番号5〜7は、炭酸ガス吸収材を用いなかったものであり、本願発明の要件を満たさないものである。
また、試験番号8は、炭酸ガス吸収材として、Li4SiO4を用いたものであり、温度条件が本願発明の要件を満たさないものである。
その結果を表2に示す。
しかしながら、試験番号1の場合のように、改質温度が700℃以下になると、メタンの濃度が9.4%と高くなることが確認された。
また、試験番号4のように、炭酸ガス吸収温度が800℃を超えると、一酸化炭素の濃度が4.5%と高くなり、CO変成器が必要になることが確認された。
また、炭酸ガス吸収後の炭酸ガス吸収材を再生するために、炭酸ガス吸収材を加熱して炭酸ガスを放出させる炭酸ガス放出器を用いるとともに、改質反応の反応熱源として、炭酸ガス吸収材による炭酸ガス吸収時の発熱に加えて、炭酸ガス放出器において炭酸ガス吸収材から炭酸ガスを放出させるために加えた熱の余剰分を併せて利用するようにした場合、さらなる省エネルギー化を実現することができる。
したがって、本願発明は、水蒸気改質法を用いた燃料電池用の水素製造システムにおける原料ガスの改質の分野に広く用いることができる。
2 燃料電池用改質装置
3 選択酸化反応装置
4 改質ガス燃焼器
10 固体高分子型燃料電池(PEFC)
21 改質器
22 炭酸ガス吸収器
23 炭酸ガス放出器
Claims (4)
- 水蒸気改質法を用いた燃料電池用の水素製造システムにおける原料ガスの改質方法において、
原料ガスを水素に改質する改質反応を700℃以上の温度で行うとともに、
前記改質反応において生成する炭酸ガスの、Ba 2 TiO 4 を主成分とする炭酸ガス吸収材による吸収を、前記改質反応温度よりも高い温度で行い、
前記炭酸ガスを前記炭酸ガス吸収材で吸収する際の発熱を前記改質反応に利用すること
を特徴とする、水素製造システムにおける原料ガスの改質方法。 - 前記炭酸ガス吸収材を用いて炭酸ガスの吸収を行う温度が800℃以下であることを特徴とする、請求項1記載の水素製造システムにおける原料ガスの改質方法。
- 炭酸ガス吸収後の前記炭酸ガス吸収材を再生するために、前記炭酸ガス吸収材を加熱して炭酸ガスを放出させる炭酸ガス放出器を用いるとともに、
前記改質反応の反応熱源として、前記炭酸ガス吸収材による炭酸ガス吸収時の発熱に加えて、前記炭酸ガス放出器において前記炭酸ガス吸収材から炭酸ガスを放出させるために加えた熱の余剰分を併せて利用すること
を特徴とする、請求項1または2記載の水素製造システムにおける原料ガスの改質方法。 - 前記炭酸ガス放出器において炭酸ガスを放出させるための熱源として、燃料電池において使用されなかった未使用改質ガスを燃焼させた燃焼熱を利用することを特徴とする、請求項3記載の水素製造システムにおける原料ガスの改質方法。
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