JP5276300B2 - 燃料電池用水素ガスの製造方法 - Google Patents
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Description
CH4+H2O→ CO+3H2
(2)変成反応
CO+H2O→ CO2+H2
石田政義監修,「家庭用燃料電池の開発と課題」,株式会社シーエムシー出版,2004年12月28日,p.80−82
(1)改質用原料に水蒸気を添加し、改質器にて改質して主としてH2とCOからなる改質ガスを得る改質工程
(2)前記改質ガスを変成器に導入し、該改質ガス中のCOをH2に変成して水素リッチな変成ガスを得る変成工程
(3)前記変成ガスをCO除去装置に通じて、該変成ガス中のCOを吸着除去して燃料電池用水素ガスを得る工程であって、前記CO除去装置は、CO吸着剤を充填した複数のCO吸着器からなり、その少なくとも1つのCO吸着器にて前記CO吸着除去操作を行いつつ、別の少なくとも1つのCO吸着器にて炭化水素含有ガスを再生用ガスとして流通させてCO吸着剤の再生を行うCO除去工程
(4)前記別の少なくとも1つのCO吸着器からの再生オフガスを前記原料ガスに合流させて改質用原料とする再生オフガス循環工程
図1において、符号1は原料燃料タンク、符号2は原料タンクから供給される原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを得る改質器、符号3は前記改質ガスを変成して水素リッチな変成ガスを得る変成器、符号4は前記変成ガスからCOを吸着除去して燃料電池用の水素ガスに精製するCO除去装置、符号5は前記水素ガスを燃料として発電する燃料電池をそれぞれ示す。以下、再生用ガスとして用いる炭化水素含有ガスとして、原料ガスAの一部を用いる例を代表に挙げて説明を行う。
原料ガスAとしては、例えば、原料燃料タンク1内に貯蔵した、原料燃料としての液化天然ガス(LNG)を気化器(図示せず)で気化して得られた、ガス状の天然ガスを用いればよい。
改質器2としては、例えば通常用いられる水蒸気改質器を用いればよい。改質器2にて改質用原料A3中の天然ガス成分は水蒸気で改質されてH2およびCOを生成し、これにさらに改質用原料A3中のCOガス成分が上乗せされ、もとの原料ガスA全量を直接、改質器2に供給して得られる通常の改質ガスよりもCOガス成分が余分に追加された改質ガスBが得られる。
改質器2にて得られた改質ガスBは、必要によりさらに水蒸気を添加し、変成器3にて触媒の作用により上記式(2)に示す変成反応を起こさせ、改質ガスB中のCO成分をH2に変成することで、H2を主成分とする(水素リッチな)変成ガスCを生成する。ここで、上述したように、改質ガスBには、脱着CO由来のCOガス成分が余分に追加されていることから、この追加分のCOガス成分も変成されてH2を生成するので、もとの原料ガスA全量を直接、改質器2に供給して得られる、従来の変成ガス中のH2量よりも多いH2量の変成ガスCが得られる。すなわち、本発明によれば、同量の原料ガスAから、従来より多量の水素ガスが得られることとなり、換言すれば、燃料電池5に必要な量の水素ガスDを供給するのに、従来より少ない原料ガスAの量でよいこととなる。
CO除去装置4としては、CO吸着剤を充填したCO吸着器を複数(本例では2器4a,4b)備えた構成を採用すればよい。そして、各吸着器4a,4bにおいて、変成ガスCからのCO吸着除去操作とCO吸着剤の再生操作をサイクリックに切り替えて運転することにより、連続的に変成ガスCからCOを吸着除去して、CO含有量の低い(10ppm以下の)水素ガスDを精製(製造)することが可能となる。
上記実施形態では、CO吸着剤の再生用ガスとして、原料ガスAの「一部」を用いる例を示したが、原料ガスAの「全部」を用いてもよい。原料ガスAを全部用いる場合、原料ガスAには残部が存在しないので、再生オフガスEのみを改質器2に供給することとなる。なお、再生オフガスE全量を改質器3に供給すると、得られる改質ガスBないし変成ガスCの量が多くなりすぎ、精製(製造)された水素ガスDの量が燃料電池5で必要とする量より過剰となる場合は、過剰分に相当する、再生ガスEの一部を例えば改質器2の加熱用燃料として用いればよい。
原料ガスの一部をCO吸着剤の再生用ガスとして使用し、その再生オフガスを原料ガスの残部とともに改質用ガスとして改質器に供給する水素ガス製造プロセスを想定し、計算を簡易にするため、再生用ガスの流れは無視し、再生により回収されたCOガス(以下「回収CO」という。)のみを改質器に循環するとした(図2(b)参照)。
回収COは、改質器にでなく、変成器に循環するとした(図2(c)参照)。
回収COは、系内で循環することなく、そのまま系外に排出するとした(図2(a)参照)。
・原料ガス:天然ガス13A(容量%で、CH4:88%、C2H6:6%、C3H8:4%、n−C4H10:1%、i−C4H10:1%)、モル流量8.8mol/h
・スチーム/カーボン比(モル比):2.8
・改質器温度:700℃
・変成器温度:280℃
・変成反応転化率:99〜70%の間でケーススタディを実施
・CO吸着器温度:40℃(吸着除去操作時)
発明プロセス、参考プロセスおよび比較プロセスにおける、変成反応転化率と、回収COモル流量(図中では「回収COモル数」と表記。)および生成水素モル流量(図中では「水素モル数」と表記。)との関係を図3に、発明プロセスおよび参考プロセスにおける、変成器転化率と水素生成量増加率との関係を図4に、それぞれ示す。
2…改質器
3…変成器
4…CO除去装置
4a,4b…CO吸着器
5…燃料電池
A…原料ガス
A1…原料ガスの一部(再生ガス)
A2…原料ガスの残部
A3…改質用原料
B…改質ガス
C…変成ガス
D…水素ガス
E…再生オフガス
Claims (3)
- 下記の(1)〜(4)の工程を備えるとともに、後記再生オフガス中のCO濃度および/または後記改質ガス中のCO濃度をオンラインにて計測し、これらの計測されたCO濃度に基づいて後記炭化水素含有ガスの流量を調整することを特徴とする燃料電池用水素ガスの製造方法。
(1)後記改質用原料を改質器にて改質して主としてH2とCOからなる改質ガスを得る改質工程
(2)前記改質ガスを変成器に導入し、該改質ガス中のCOをH2に変成して水素リッチな変成ガスを得る変成工程
(3)前記変成ガスをCO除去装置に通じて、該変成ガス中のCOを吸着除去して燃料電池用水素ガスを得る工程であって、前記CO除去装置は、CO吸着剤を充填した複数のCO吸着器からなり、その少なくとも1つのCO吸着器にて前記CO吸着除去操作を行いつつ、別の少なくとも1つのCO吸着器にて炭化水素含有ガスを再生用ガスとして流通させてCO吸着剤の再生を行うCO除去工程
(4)前記別の少なくとも1つのCO吸着器からの再生オフガスを前記原料ガスに合流させて改質用原料とする再生オフガス循環工程 - 前記CO吸着剤が、シリカ、アルミナ、活性炭、グラファイトおよびポリスチレン系樹脂よりなる群から選択される1種以上の担体に、ハロゲン化銅(I)および/もしくはハロゲン化銅(II)を担持させた材料、またはこの材料を還元処理したものである請求項1に記載の燃料電池用水素ガスの製造方法。
- 前記変成器を省略し、前記改質器のみで前記改質用原料から直接前記変成ガスを得るようにした請求項1または2に記載の燃料電池用水素ガスの製造方法。
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