JP6989820B2 - Hydrogen generation system and fuel cell system - Google Patents

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Description

本開示は、水素生成システム及び燃料電池システムに関する。 The present disclosure relates to hydrogen generation systems and fuel cell systems.

クリーンなエネルギー源であるメタノールは、改質反応により生成される水素量が多い点で水素供給源として注目されている。水素供給源の用途の一つとして、近年注目されている燃料電池は、実用化する上で特に高純度の水素を製造する方法が求められる。 Methanol, which is a clean energy source, is attracting attention as a hydrogen supply source because of the large amount of hydrogen produced by the reforming reaction. Fuel cells, which have been attracting attention in recent years as one of the uses of hydrogen supply sources, are required to have a method for producing high-purity hydrogen in order to put them into practical use.

メタノールの改質は、気相接触による水蒸気改質法が一般に知られている。水蒸気改質法には、銅触媒もしくは銅に亜鉛等の第二金属を添加した複合触媒が使用されている。
ところが、水蒸気改質法は固気接触方式であるため、メタノール及び水をあらかじめ気体に変えておくための蒸発熱と吸熱反応器における広い固気接触面積とが用意される必要があるので、省エネルギー化及びシステムのコンパクト化の観点から好ましくない。
A steam reforming method by vapor phase contact is generally known for reforming methanol. In the steam reforming method, a copper catalyst or a composite catalyst in which a secondary metal such as zinc is added to copper is used.
However, since the steam reforming method is a solid air contact method, it is necessary to prepare heat of vaporization for converting methanol and water into gas in advance and a wide solid air contact area in the endothermic reactor, which saves energy. It is not preferable from the viewpoint of energy saving and compactness of the system.

一方、固体触媒の存在下、メタノール水溶液を液相で改質する水素の製造方法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
また、メタノール水溶液の改質反応として、過熱液膜状態を利用した過熱液膜型脱水素反応を適用することも開示されている(例えば、特許文献2参照)。
On the other hand, a method for producing hydrogen in which an aqueous methanol solution is reformed with a liquid phase in the presence of a solid catalyst is disclosed (see, for example, Patent Document 1).
Further, it is also disclosed that a superheated liquid film type dehydrogenation reaction utilizing a superheated liquid film state is applied as a reforming reaction of an aqueous methanol solution (see, for example, Patent Document 2).

特開平11-157803号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-157803 特許第4213952号公報Japanese Patent No. 4213952

上記のように、従来からメタノール水溶液を液相で改質する方法は開示されているが、単に触媒を用いて液相中でメタノールを改質しようとしても、高い水素転化率は期待できず、反応場を大きく確保しなければ、250℃~350℃程度の温度領域で所望とする水素量を確保することは困難である。 As described above, a method of reforming an aqueous methanol solution in a liquid phase has been disclosed, but even if a simple catalyst is used to reform methanol in the liquid phase, a high hydrogen conversion rate cannot be expected. Unless a large reaction field is secured, it is difficult to secure a desired amount of hydrogen in a temperature range of about 250 ° C to 350 ° C.

また、改質反応を250℃~350℃程度の温度領域で行ってCOの生成を低く抑えながら、水素転化率を高めるには、液相触媒反応において過熱液膜状態を形成することが望ましいが、実際の反応場において過熱液膜状態を維持することは難しい。 Further, in order to increase the hydrogen conversion rate while suppressing the generation of CO to a low level by performing the reforming reaction in a temperature range of about 250 ° C. to 350 ° C., it is desirable to form a superheated liquid film state in the liquid phase catalytic reaction. , It is difficult to maintain the superheated liquid film state in the actual reaction field.

本開示は、上記に鑑みなされたものである。
本開示は、小型で、かつ、中温領域(250℃~350℃)にて安定的に水素生成する水素生成システム、及び需要に応じた電力供給が可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。
The present disclosure has been made in view of the above.
An object of the present disclosure is to provide a hydrogen generation system that is compact and stably generates hydrogen in a medium temperature region (250 ° C to 350 ° C), and a fuel cell system that can supply electric power according to demand. do.

上記の目的を達成するために、本開示の第1の態様に係る水素生成システムは、
<1> メタノール水溶液を水溶液改質して水素ガスを生成する水素生成装置と、水素生成装置から排出された水素を含む混合ガスが供給され、供給された混合ガスを凝縮して少なくとも水素ガスと凝縮物とを分離する凝縮分離装置と、凝縮分離装置で分離された凝縮物中の少なくとも未反応のメタノールを、水素生成装置に再供給して水溶液改質に供する再供給手段と、を備え、
前記水素生成装置は、
少なくとも一端が開放された筒構造を有し、前記筒構造の内部に加熱室が配設された基体と、
前記基体の前記筒構造の外周面の少なくとも一部を覆うように配置され、カーボンシートに触媒金属が担持された触媒と、
前記触媒が配置された前記基体を収容する外装材と、
前記基体の筒の長さ方向における前記一端の側に配置され、水素ガスを排出する排出口と、
前記基体の筒の長さ方向における他端の側に配置され、前記基体と前記外装材との間にメタノール水溶液を供給する供給口と、
を備え、供給されたメタノール水溶液を前記触媒により水溶液改質して水素ガスを生成するものである。
In order to achieve the above object, the hydrogen generation system according to the first aspect of the present disclosure is
<1> A hydrogen generator that reforms an aqueous solution of methanol to generate hydrogen gas and a mixed gas containing hydrogen discharged from the hydrogen generator are supplied, and the supplied mixed gas is condensed into at least hydrogen gas. It is provided with a condensate separation device for separating the condensate and a resupply means for resupplying at least unreacted methanol in the condensate separated by the condensate separation device to the hydrogen generation device for reforming the aqueous solution.
The hydrogen generator is
A substrate having a tubular structure with at least one end open and a heating chamber disposed inside the tubular structure.
A catalyst arranged so as to cover at least a part of the outer peripheral surface of the tubular structure of the substrate and having a catalyst metal supported on a carbon sheet.
An exterior material that houses the substrate on which the catalyst is placed, and
A discharge port arranged on the side of one end of the substrate in the length direction of the cylinder and discharging hydrogen gas.
A supply port arranged on the other end side in the length direction of the cylinder of the substrate and supplying an aqueous methanol solution between the substrate and the exterior material.
The supplied methanol aqueous solution is reformed with the catalyst to generate hydrogen gas.

第1の態様に係る水素生成システムは、メタノール水溶液をシート状の触媒を備えた水素生成装置で水溶液改質し、改質生成された水素を含む混合ガスは、凝縮分離装置で凝縮されることにより少なくとも水素ガスと凝縮物とに分離され、分離された水素ガス(好ましくは、水素ガス以外の気相成分から水素分離膜等により精製された水素ガス)は外部の水素使用装置に供給される。一方、分離された凝縮物には、水溶液改質反応に供されていない未反応のメタノール水溶液が含まれており、凝縮分離装置から排出された液相の凝縮物のうち、少なくとも未反応のメタノールは、再供給手段によって同一の又は別の水素生成装置に供給され、水素生成装置での水溶液改質に供されることになる。
この際、水素生成装置は、触媒の加熱機能を担う基体と、基体を収容する外装材の内壁と、の間に形成される空間を反応室とし、反応室を形成している基体の筒構造に、筒構造の周囲の少なくとも一部を覆うように、熱伝達性を有するシート状担体に触媒金属が担持されたシート状の触媒を、例えば巻回して(好ましくは複数回巻回して)配置し、反応室に供給されるメタノール水溶液をシート状の触媒を用いて水溶液改質する。
つまり、加熱室が設けられた基体の筒構造の周囲に亘って、シート状の担体に触媒金属が担持されたシート状の触媒を、例えば巻回して(好ましくは複数回巻回して)配置し、かつ、熱伝達性を有するカーボン系のシート状担体に、供給口から室温のメタノール水溶液を送入してミクロ細孔に毛細管凝縮貯留させ、そこで沸点を超えるまで予熱されるようにメタノール水溶液の流動線速度を設定する。過熱状態のメタノール水溶液は、適度の湿潤状態を維持しつつ、カーボン表面を拡散移動し、核沸騰発泡点にある触媒の金属粒子に到達する。触媒金属の表面に生成した水素、二酸化炭素、及び一酸化炭素の気相生成物と未反応のメタノール水溶液は、沸点を大きく上回る加熱源温度と良好な熱流束を生かして孤立気泡を頻度高く形成し、気泡が離脱すれば直ちに過熱液によって被覆され、メタノール水溶液改質反応が不可逆的に進行する。したがって、急峻な温度勾配と多量の熱移動の下、空いた活性サイトの高密度化の結果として、吸熱反応熱と生成物脱離熱とを触媒に対して効果的に供与することができる。
これにより、小型化を実現しながら、中温領域(250℃~350℃)で水素ガスの改質生成が行え、かつ、未反応のメタノール水溶液を含む凝集物の循環再利用により改質反応の転化率が飛躍的に改善する。また、メタノール水溶液の供給速度を調整すれば、過熱液膜状態を形成するメタノール水溶液の流動線速度が制御され、燃料電池より要求される水素量(外部の水素需要)に合致した量の水素の供給を実現すると共に、システム全体でのメタノールの完全転化を達成することができる。これにより、生成される水素量を飛躍的に向上させることができる。
In the hydrogen generation system according to the first aspect, an aqueous methanol solution is reformed by a hydrogen generator equipped with a sheet-shaped catalyst, and the mixed gas containing the reformed and generated hydrogen is condensed by a condensation separation device. At least separated into hydrogen gas and condensate, and the separated hydrogen gas (preferably hydrogen gas purified from a gas phase component other than hydrogen gas by a hydrogen separation membrane or the like) is supplied to an external hydrogen-using device. .. On the other hand, the separated condensate contains an unreacted aqueous methanol solution that has not been subjected to the aqueous solution reforming reaction, and at least unreacted methanol among the liquid phase condensates discharged from the condensation separation apparatus. Will be supplied to the same or another hydrogen generator by the resupply means and will be subjected to aqueous solution reforming in the hydrogen generator.
At this time, the hydrogen generator has a tubular structure of the substrate forming the reaction chamber, with the space formed between the substrate responsible for the heating function of the catalyst and the inner wall of the exterior material accommodating the substrate as the reaction chamber. A sheet-like catalyst in which a catalyst metal is supported on a heat-transmitting sheet-like carrier is arranged, for example, by winding (preferably multiple times) so as to cover at least a part of the periphery of the tubular structure. Then, the aqueous methanol supplied to the reaction chamber is reformed using a sheet-shaped catalyst.
That is, a sheet-shaped catalyst in which a catalyst metal is supported on a sheet-shaped carrier is arranged, for example, by winding (preferably multiple times) around the tubular structure of the substrate provided with the heating chamber. In addition, a methanol aqueous solution at room temperature is sent from a supply port to a carbon-based sheet-like carrier having heat transfer properties to condense and store the methanol solution in the micropores, where the methanol aqueous solution is preheated until it exceeds the boiling point. Set the flow line velocity. The superheated aqueous solution of methanol diffuses and moves on the carbon surface while maintaining an appropriate wet state, and reaches the metal particles of the catalyst at the nucleate boiling point. The hydrogen, carbon dioxide, and carbon monoxide vapor phase products generated on the surface of the catalyst metal and the unreacted aqueous solution of methanol frequently form isolated bubbles by taking advantage of the heating source temperature well above the boiling point and the good heat flux. However, as soon as the bubbles are separated, they are covered with the superheated liquid, and the reforming reaction of the aqueous methanol solution proceeds irreversibly. Therefore, endothermic reaction heat and product desorption heat can be effectively donated to the catalyst as a result of the densification of vacant active sites under steep temperature gradients and large amounts of heat transfer.
As a result, hydrogen gas can be reformed and generated in the medium temperature region (250 ° C to 350 ° C) while achieving miniaturization, and the reforming reaction can be converted by circulating and reusing agglomerates containing an unreacted aqueous solution of methanol. The rate improves dramatically. Further, by adjusting the supply rate of the aqueous methanol solution, the flow line velocity of the aqueous methanol solution forming a superheated liquid film state is controlled, and the amount of hydrogen corresponding to the amount of hydrogen required by the fuel cell (external hydrogen demand) is met. Along with achieving supply, complete conversion of methanol can be achieved throughout the system. As a result, the amount of hydrogen produced can be dramatically improved.

<2> 前記<1>に記載の第1の態様に係る水素生成システムにおいて、前記触媒は、基体の外周面に巻回されて積層構造とされていることが好ましい。
触媒が、基体内部より熱せられる基体の外周を覆うように巻回された積層構造とされると、触媒金属の担持量を増やしつつも、過熱液膜状態を形成するメタノール水溶液中に生成した気泡を効率良く逃がすことができる。これにより、触媒と気液混相との接触が極小化され、固液接触が確保されて熱伝達率を大きく保つことができ、結果、膜沸騰に至らない状態を保持しながら、効率良く水素ガスを生成できる。
<2> In the hydrogen generation system according to the first aspect of the above <1>, it is preferable that the catalyst is wound around the outer peripheral surface of the substrate to have a laminated structure.
When the catalyst has a laminated structure wound so as to cover the outer periphery of the substrate heated from the inside of the substrate, bubbles generated in the aqueous methanol solution forming a superheated liquid film state while increasing the amount of the catalyst metal supported. Can be efficiently escaped. As a result, the contact between the catalyst and the gas-liquid mixed phase is minimized, solid-liquid contact is ensured, and the heat transfer coefficient can be kept high. Can be generated.

<3> 前記<1>又は前記<2>に記載の第1の態様に係る水素生成システムにおいて、前記触媒は、前記カーボンシートに担持された触媒金属の担持量が15g/L~150g/Lであることが好ましい。
カーボンシートに担持された触媒金属の担持量が上記の範囲にあることで、液相触媒反応における発泡点が増え、熱伝達率の大きい核沸騰の状態となりやすく、水素ガス生成効率により優れたものとなる。
<3> In the hydrogen generation system according to the first aspect of <1> or <2>, the catalyst has a catalyst metal supported on the carbon sheet of 15 g / L to 150 g / L. Is preferable.
When the amount of the catalyst metal supported on the carbon sheet is within the above range, the foaming points in the liquid phase catalytic reaction increase, the nucleate boiling state with a large heat transfer coefficient tends to occur, and the hydrogen gas generation efficiency is excellent. Will be.

<4> 前記<1>~前記<3>のいずれか1つに記載の第1の態様に係る水素生成システムにおいて、前記触媒は、供給されたメタノール水溶液を過熱液膜状態で水溶液改質するものであることが好ましい。 <4> In the hydrogen generation system according to the first aspect according to any one of <1> to <3>, the catalyst reforms the supplied methanol aqueous solution in a superheated liquid film state. It is preferable that it is a thing.

過熱液膜状態を利用した脱水素反応を行わせることで、水素ガス生成量をより大きくすることができる。
ここで、「過熱液膜状態」とは、過熱状態(メタノールの沸点を越える温度での加熱)で、かつ、触媒表面がメタノール水溶液によって僅かに湿潤した状態をいう。
By performing a dehydrogenation reaction utilizing the superheated liquid film state, the amount of hydrogen gas generated can be further increased.
Here, the "superheated liquid film state" means a state in which the surface of the catalyst is slightly moistened with an aqueous solution of methanol in a superheated state (heating at a temperature exceeding the boiling point of methanol).

<5> 前記<1>~前記<4>のいずれか1つに記載の第1の態様に係る水素生成システムにおいて、前記供給口から供給されたメタノール水溶液は、前記基体の筒の長さ方向に流通されながら予熱され、沸点を超える温度に過熱された状態で前記触媒により水溶液改質されることが好ましい。
触媒温度が、メタノールの沸点を超える高温状態にあることで、反応系の温度を低めに抑えつつ、水素の生成効率に優れたものとなる。
<5> In the hydrogen generation system according to the first aspect according to any one of <1> to <4>, the aqueous methanol solution supplied from the supply port is in the length direction of the cylinder of the substrate. It is preferable that the aqueous solution is reformed by the catalyst in a state where it is preheated while being distributed in the water and superheated to a temperature exceeding the boiling point.
Since the catalyst temperature is in a high temperature state exceeding the boiling point of methanol, the temperature of the reaction system is kept low and the hydrogen production efficiency is excellent.

<6> 前記<1>~前記<5>のいずれか1つに記載の第1の態様に係る水素生成システムにおいて、前記カーボンシートは、カーボンクロス又はカーボンフェルトであることが好ましい。
カーボンクロス及びカーボンフェルトは、いずれも繊維状のカーボンを用いたシートであるので、ミクロ細孔を有し、表面積が大きい。そのため、過熱状態のメタノール水溶液を保持しやすく、かつ、触媒金属を担持しやすい。
<6> In the hydrogen generation system according to the first aspect according to any one of <1> to <5>, the carbon sheet is preferably carbon cloth or carbon felt.
Since both the carbon cloth and the carbon felt are sheets using fibrous carbon, they have micropores and have a large surface area. Therefore, it is easy to hold an aqueous solution of methanol in a superheated state, and it is easy to support a catalyst metal.

<7> 前記<1>~前記<6>のいずれか1つに記載の第1の態様に係る水素生成システムにおいて、前記触媒金属が、白金、パラジウム、ルテニウム、ニッケルもしくは銅、又は、白金、パラジウム、ルテニウム、ニッケル及び銅からなる金属群より選ばれる少なくとも一つと前記金属群の金属と異なる他の金属との複合体であることが好ましい。
<8> 前記<7>に記載の第1の態様に係る水素生成システムにおいて、前記他の金属は、マンガン及び亜鉛の少なくとも一方を含むことが好ましい。
上記のように、触媒金属として上記の金属を選択することで、水溶液改質活性により優れたものとなる。
<7> In the hydrogen generation system according to the first aspect according to any one of <1> to <6>, the catalyst metal is platinum, palladium, ruthenium, nickel or copper, or platinum. It is preferably a composite of at least one selected from the metal group consisting of palladium, ruthenium, nickel and copper and another metal different from the metal of the metal group.
<8> In the hydrogen generation system according to the first aspect of the above <7>, the other metal preferably contains at least one of manganese and zinc.
As described above, by selecting the above metal as the catalyst metal, the aqueous solution modifying activity becomes more excellent.

<9> 前記<1>~前記<8>のいずれか1つに記載の第1の態様に係る水素生成システムにおいて、前記触媒金属は、少なくとも、白金、ルテニウム及びニッケルの少なくとも一つを含む固溶体であることが好ましい。
上記のように、触媒金属として上記の金属を選択することで、水溶液改質活性により優れたものとなる。
<9> In the hydrogen generation system according to the first aspect according to any one of <1> to <8>, the catalyst metal is a solid solution containing at least one of platinum, ruthenium, and nickel. Is preferable.
As described above, by selecting the above metal as the catalyst metal, the aqueous solution modifying activity becomes more excellent.

<10> 前記<1>~前記<9>のいずれか1つに記載の第1の態様に係る水素生成システムにおいて、前記触媒は、前記触媒金属を含む金属粒子が担持され、前記金属粒子の平均一次粒子径が10nm以下であることが好ましい。
触媒金属が金属粒子として担持され、かつ、担持される金属粒子が小粒径であると、液相触媒反応における発泡点が多くなり、熱伝達性がより向上し、水溶液改質がより進行しやすくなる。
<10> In the hydrogen generation system according to the first aspect according to any one of <1> to <9>, the catalyst is supported by metal particles containing the catalyst metal, and the metal particles are supported. The average primary particle size is preferably 10 nm or less.
When the catalyst metal is supported as metal particles and the supported metal particles have a small particle size, the number of foaming points in the liquid phase catalytic reaction is increased, the heat transfer property is further improved, and the reforming of the aqueous solution is further promoted. It will be easier.

本開示の第2の態様に係る燃料電池システムは、
<11> 前記<1>~前記<10>のいずれか1つに記載の水素生成システムと、前記水素生成システムで生成された水素ガスにより発電する燃料電池と、を備えたものである。
The fuel cell system according to the second aspect of the present disclosure is
<11> The hydrogen generation system according to any one of the above <1> to the above <10>, and a fuel cell that generates electricity by hydrogen gas generated by the hydrogen generation system are provided.

第2の態様に係る燃料電池システムは、上記第1の態様に係る水素生成システムを備えているので、システムの小型化が可能であり、250℃~350℃の中温領域を維持しながら、外部の水素使用装置での需要に応じて電力供給することが可能である。 Since the fuel cell system according to the second aspect includes the hydrogen generation system according to the first aspect, the system can be miniaturized, and the outside can be maintained while maintaining a medium temperature range of 250 ° C to 350 ° C. It is possible to supply electric power according to the demand of hydrogen-using equipment.

本開示によれば、小型で、かつ、中温領域(250℃~350℃)にて安定的に水素を生成する水素生成システム及び需要に応じた電力供給が可能な燃料電池システムが提供される。 According to the present disclosure, a hydrogen generation system that is small in size and stably generates hydrogen in a medium temperature region (250 ° C to 350 ° C) and a fuel cell system capable of supplying electric power according to demand are provided.

本開示の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows an example of the fuel cell system of this disclosure. 本開示の水素生成装置の一例を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows an example of the hydrogen generation apparatus of this disclosure. 図2の水素生成装置を分解して示す分解図である。It is an exploded view which shows by disassembling the hydrogen generation apparatus of FIG. 図2の水素生成装置のA-A線断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of the hydrogen generator of FIG. 基体の筒構造の周囲を覆うように触媒が配置されている状態を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the state which the catalyst is arranged so as to cover the periphery of the tubular structure of a substrate. カーボンクロスに白金粒子を担持した単層構造、2層構造又は3層構造の円形触媒を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the circular catalyst of a single-layer structure, a two-layer structure or a three-layer structure in which platinum particles are supported on a carbon cloth. 図6の3種の円形触媒を用いて水素生成させた際の、メタノール水溶液供給量と水素生成速度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the supply amount of an aqueous methanol solution, and the hydrogen generation rate at the time of hydrogen generation using the three kinds of circular catalysts of FIG. (a)はメタノール水溶液の供給量が少な過ぎて乾固する状態を示し、(b)は過熱液膜状態を示し、(c)はメタノール水溶液の供給量が多過ぎる懸濁状態を示す。(A) shows a state in which the supply amount of the methanol aqueous solution is too small to dry, (b) shows a superheated liquid film state, and (c) shows a suspension state in which the supply amount of the methanol aqueous solution is too large. 本開示の燃料電池システムの他の一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows another example of the fuel cell system of this disclosure.

以下、図1~図8を参照して、本開示の水素生成システム及び燃料電池システムの実施形態について具体的に説明する。但し、本開示においては、以下に示す実施形態に制限されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the hydrogen generation system and the fuel cell system of the present disclosure will be specifically described with reference to FIGS. 1 to 8. However, the present disclosure is not limited to the embodiments shown below.

本開示の一実施形態では、触媒として、シート状のカーボンクロスに触媒金属である白金粒子が担持されたシート状触媒を用いて、供給されたメタノール水溶液を水溶液改質し、水素ガスを生成する態様を一例に詳細に説明する。 In one embodiment of the present disclosure, the supplied methanol aqueous solution is reformed into an aqueous solution to generate hydrogen gas by using a sheet-shaped catalyst in which platinum particles as a catalyst metal are supported on a sheet-shaped carbon cloth as a catalyst. The embodiment will be described in detail as an example.

本開示の一実施形態の燃料電池システム100は、図1に示すように、水素生成装置10と、水素生成装置と接続され、水素ガスを含む混合ガスが送られる凝縮分離装置である凝縮分離器20と、凝縮分離器20で凝縮性のメタノール及び水から分離された水素含有ガスを貯留する水素貯留タンク30と、水素ガスが供給される燃料電池の一例である固体高分子形燃料電池(PEFC)60と、システム動作を制御する制御装置40と、を備えている。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 of the embodiment of the present disclosure is a condensation separator which is a condensation separator which is connected to a hydrogen generator 10 and a hydrogen generator and a mixed gas containing hydrogen gas is sent. 20 and a hydrogen storage tank 30 for storing hydrogen-containing gas separated from condensable methanol and water by a condensation separator 20, and a solid polymer fuel cell (PEFC) which is an example of a fuel cell to which hydrogen gas is supplied. ) 60 and a control device 40 for controlling system operation.

本開示の一実施形態である燃料電池システム100では、水素生成装置10で水溶液改質により生成された水素を含む混合ガスから凝縮分離器20で水素含有ガスを分離し、水素透過膜を通して水素含有ガスから精製された水素ガスをPEFCに供給することによって、PEFCから外部の水素使用装置に需要に応じた電力を供給するシステムが構築されている。外部の需要に基づくPEFCの要求に応じた水素供給は、メタノール水溶液の流量調節によって調整することが可能である。
また、水素生成装置で一酸化炭素が生成される場合、一酸化炭素は水素と共に水素含有ガスとして一旦貯留されるが、水素含有ガスから水素が選択的に精製されるにしたがい、蓄えられる一酸化炭素は増える。そして、燃焼熱が必要とされる場合に一酸化炭素が燃焼に供され、熱エネルギーとして有効に利用される。
In the fuel cell system 100 according to the embodiment of the present disclosure, the hydrogen-containing gas is separated from the hydrogen-containing mixed gas generated by the hydrogen generation device 10 by the aqueous solution reforming by the condensation separator 20 and hydrogen-containing through the hydrogen permeation film. By supplying hydrogen gas purified from the gas to PEFC, a system is constructed in which PEFC supplies electric power according to demand to an external hydrogen-using device. The hydrogen supply according to the PEFC's requirement based on external demand can be adjusted by adjusting the flow rate of the aqueous methanol solution.
When carbon monoxide is generated by a hydrogen generator, carbon monoxide is temporarily stored as a hydrogen-containing gas together with hydrogen, but as hydrogen is selectively purified from the hydrogen-containing gas, the stored carbon monoxide is stored. Carbon increases. Then, when combustion heat is required, carbon monoxide is used for combustion and is effectively used as heat energy.

水素生成装置10は、外部から供給されたメタノール水溶液を触媒により水溶液改質して水素ガスを生成する。生成された水素ガスは、水素生成装置10に接続されたガス排出管12を介して、他のガス成分と混合された混合ガスとして凝縮分離器20に送られる。
ここで、水素生成装置から排出される混合ガスには、水溶液改質反応により生成された水素に加え、二酸化炭素、一酸化炭素、水蒸気、及び未反応メタノール等の他のガス成分が含まれる。したがって、水素生成装置に接続されたガス排出管12には、水素を含む混合ガスが流通する。
The hydrogen generation device 10 reforms an aqueous solution of methanol supplied from the outside with a catalyst to generate hydrogen gas. The generated hydrogen gas is sent to the condensation separator 20 as a mixed gas mixed with other gas components via the gas discharge pipe 12 connected to the hydrogen generation device 10.
Here, the mixed gas discharged from the hydrogen generator includes, in addition to hydrogen generated by the aqueous solution reforming reaction, other gas components such as carbon dioxide, carbon monoxide, steam, and unreacted methanol. Therefore, the mixed gas containing hydrogen flows through the gas discharge pipe 12 connected to the hydrogen generator.

本開示の水素生成装置について、更に、図2~図4を参照して詳細に説明する。
本開示の一実施形態は、図2に示す水素生成装置10を備えている。この水素生成装置10は、図3に示すように、一端が開放され、かつ、他端が閉塞された筒構造を有する基体13と、基体13を収容する外装材11と、を備えた二重円筒型改質反応器である。
図2は、本開示の一実施形態に係る水素生成装置を示す概略斜視図であり、図3は、図2の水素生成装置10を分解して示す分解図である。
The hydrogen generation apparatus of the present disclosure will be further described in detail with reference to FIGS. 2 to 4.
One embodiment of the present disclosure comprises the hydrogen generator 10 shown in FIG. As shown in FIG. 3, the hydrogen generation device 10 includes a substrate 13 having a cylindrical structure in which one end is open and the other end is closed, and an exterior material 11 for accommodating the substrate 13. It is a cylindrical reforming reactor.
FIG. 2 is a schematic perspective view showing a hydrogen generation device according to an embodiment of the present disclosure, and FIG. 3 is an exploded view showing the hydrogen generation device 10 of FIG. 2 in an exploded manner.

外装材11は、内部中空で一端が開放された筒構造と、筒構造の上に設けられた水素ガスを排出する排出口12aと水素生成装置にメタノール水溶液を供給する供給口14aとを有し、排出口12aには、生成ガスを排出するガス排出管12の一端が接続されており、供給口14aには、原料供給管14の一端が接続されている。 The exterior material 11 has a tubular structure that is hollow inside and has one end open, a discharge port 12a that discharges hydrogen gas provided on the tubular structure, and a supply port 14a that supplies a methanol aqueous solution to a hydrogen generator. One end of the gas discharge pipe 12 for discharging the generated gas is connected to the discharge port 12a, and one end of the raw material supply pipe 14 is connected to the supply port 14a.

ガス排出管12は、水素生成装置10の反応室で生成されたガスを外部へ排出するための配管である。ガス排出管12の他端は、図1に示すように、改質生成された水素ガスを含む混合ガスから水素ガスを分離する凝縮分離器20と接続されており、混合ガスポンプP1を動作させることで、水素生成装置10からガス排出管12を通じて混合ガスが凝縮分離器20に送られるようになっている。 The gas discharge pipe 12 is a pipe for discharging the gas generated in the reaction chamber of the hydrogen generation device 10 to the outside. As shown in FIG. 1, the other end of the gas discharge pipe 12 is connected to a condensing separator 20 that separates hydrogen gas from the mixed gas containing the reformed and generated hydrogen gas, and operates the mixed gas pump P1. Then, the mixed gas is sent from the hydrogen generator 10 to the condensation separator 20 through the gas discharge pipe 12.

原料供給管14は、原料供給ポンプP2を備え、外部から改質用原料であるメタノール水溶液を水素生成装置10の反応室に供給するための配管である。原料供給管14の他端は、図1に示すように、メタノール水溶液の供給源である原料供給装置50と接続されており、原料供給ポンプP2を動作させることで、原料供給装置50から原料供給管14を通じてメタノール水溶液が水素生成装置の反応室に供給されるようになっている。 The raw material supply pipe 14 is provided with a raw material supply pump P2, and is a pipe for supplying an aqueous methanol solution, which is a raw material for reforming, to the reaction chamber of the hydrogen generation device 10 from the outside. As shown in FIG. 1, the other end of the raw material supply pipe 14 is connected to the raw material supply device 50 which is a supply source of the aqueous methanol solution, and by operating the raw material supply pump P2, the raw material is supplied from the raw material supply device 50. An aqueous solution of methanol is supplied to the reaction chamber of the hydrogen generator through the tube 14.

原料供給管14には、図示しないが、配管途中にメタノール水溶液を予熱するための加熱器が配設された態様に構成されていることが好ましい。
原料供給管14の配管途中に加熱器を配設し、原料供給管14からメタノール水溶液を水素生成装置10の反応室に供給する際、メタノール水溶液が反応室に供給される前に予め沸点まで加熱されることが好ましい。メタノール水溶液が予め沸点まで予熱された状態で反応室に供給されることにより、過熱液膜状態が形成されやすく、水素の生成効率を高める上で有利である。
予熱に必要な熱の付与は、後述するような電気ヒーターを用いて行ってもよいが、予熱に必要な熱には、例えば、バーナーやボイラー等の燃焼機器で得られる燃焼熱を利用することもできる。燃焼熱のうち、目的の温度域の熱以外の例えば中温域(250℃~350℃程度)の熱を利用することが好ましい。
Although not shown, the raw material supply pipe 14 is preferably configured in such a manner that a heater for preheating the aqueous methanol solution is provided in the middle of the pipe.
A heater is arranged in the middle of the raw material supply pipe 14, and when the aqueous methanol solution is supplied from the raw material supply pipe 14 to the reaction chamber of the hydrogen generator 10, the aqueous methanol is preheated to the boiling point before being supplied to the reaction chamber. It is preferable to be done. By supplying the aqueous methanol solution to the reaction chamber in a state of being preheated to the boiling point in advance, a superheated liquid film state is likely to be formed, which is advantageous in increasing the efficiency of hydrogen production.
The heat required for preheating may be applied using an electric heater as described later, but for the heat required for preheating, for example, combustion heat obtained from a combustion device such as a burner or a boiler should be used. You can also. Of the combustion heat, it is preferable to use heat in, for example, a medium temperature range (about 250 ° C. to 350 ° C.) other than the heat in the target temperature range.

基体13は、一端が開放され、かつ、他端が閉塞された円筒形状の筒構造16と、筒構造の開放された他端を閉塞し、かつ、外装材11に収容された場合に外装材11の他端を閉塞するための蓋材17と、を有しており、筒構造16の外周面には、筒構造16の周囲を覆うようにして触媒(不図示)が配置されるようになっている。 The substrate 13 has a cylindrical tubular structure 16 having one end open and the other end closed, and an exterior material when the open other end of the tubular structure is closed and housed in the exterior material 11. A lid material 17 for closing the other end of the cylinder 11 is provided, and a catalyst (not shown) is arranged on the outer peripheral surface of the cylinder structure 16 so as to cover the periphery of the cylinder structure 16. It has become.

ここで、外装材11に基体13が収容された状態の水素生成装置10の断面構造を図4に示す。図4は、図2の水素生成装置のA-A線断面図である。
外装材11に基体13が挿入されて収容された状態において、外装材11の内壁面と、基体13の筒構造の表面と、の間には、触媒による改質反応が行われる反応室18が形成されている。反応室18には、基体13の筒構造16の周囲方向に沿って筒構造の外周面を覆うようにして設けられた触媒15が配置されている。
Here, FIG. 4 shows a cross-sectional structure of the hydrogen generating apparatus 10 in a state where the substrate 13 is housed in the exterior material 11. FIG. 4 is a sectional view taken along line AA of the hydrogen generator of FIG.
In a state where the substrate 13 is inserted and housed in the exterior material 11, a reaction chamber 18 in which a catalyst-based reforming reaction is performed is formed between the inner wall surface of the exterior material 11 and the surface of the tubular structure of the substrate 13. It is formed. In the reaction chamber 18, a catalyst 15 provided so as to cover the outer peripheral surface of the tubular structure is arranged along the peripheral direction of the tubular structure 16 of the substrate 13.

基体13の筒構造16は、図5に示すように、円筒形状の周囲の全面に亘ってシート状の触媒15が巻回されて3重の積層構造が形成されている。即ち、基体13には、筒構造16の曲面にシート状の触媒15を巻回し、3回巻き重ねることによって3層からなる触媒層が配置されている。
本実施形態では、触媒を3回巻き重ねた3層からなる触媒層を備えた場合を説明したが、触媒の積層構造は、特に制限されるものではなく、水素生成装置のスケール、供給されるメタノール水溶液の量もしくは流量又は温度、改質生成する水素ガスの量、触媒の担持量もしくは触媒金属の種類などの種々の要求等に応じて適宜選択することができる。
したがって、巻き重ねられる触媒の巻き数は、3以上が好ましく、必要に応じて、5以上でもよいし、10以上でもよい。巻き数の上限値に制限はないが、例えば20以下としてもよい。
As shown in FIG. 5, the tubular structure 16 of the substrate 13 is formed with a triple laminated structure in which a sheet-shaped catalyst 15 is wound over the entire surface around the cylindrical shape. That is, on the substrate 13, a catalyst layer composed of three layers is arranged by winding a sheet-shaped catalyst 15 on a curved surface of a tubular structure 16 and winding the catalyst 15 three times.
In the present embodiment, the case where the catalyst layer composed of three layers in which the catalyst is wound three times is provided has been described, but the laminated structure of the catalyst is not particularly limited, and the scale and supply of the hydrogen generator are supplied. It can be appropriately selected according to various requirements such as the amount or flow rate or temperature of the aqueous methanol solution, the amount of hydrogen gas reformed and generated, the amount of catalyst supported or the type of catalyst metal.
Therefore, the number of turns of the catalyst to be wound is preferably 3 or more, and may be 5 or more or 10 or more, if necessary. The upper limit of the number of turns is not limited, but may be 20 or less, for example.

触媒15は、カーボンシートであるカーボンクロスと、カーボンクロスに担持された触媒金属である白金粒子と、を有している。 The catalyst 15 has a carbon cloth which is a carbon sheet and platinum particles which are catalyst metals supported on the carbon cloth.

触媒金属としては、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、ニッケル(Ni)、又は銅(Cu)が好適に挙げられ、触媒金属はこれら金属を含む複合体であってもよい。複合体としては、例えば、白金、パラジウム、ルテニウム、ニッケル及び銅からなる金属群より選ばれる少なくとも一つと、前記金属群の金属と異なる他の金属と、からなる複合体が挙げられる。他の金属としては、亜鉛(Zn)、マンガン(Mn)等が含まれ、好ましくは、亜鉛もしくはマンガン、又は亜鉛及びマンガンを含む。
複合体である触媒金属としては、例えば、Ni-Ru(1:1)、Ni-Cu(1:1)、Cu-Ru(2:1)、Cu-Mn(12:1)等を挙げることができる。カッコ内の数値は、元素のモル比を示す。
複合体としては、過熱液膜方式によるメタノール水溶液改質をより効率良く行える点で、固溶体が好ましく、少なくとも、白金、ルテニウム及びニッケルの少なくとも一つを含む固溶体であることが好ましい。
Preferred examples of the catalyst metal include platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), nickel (Ni), and copper (Cu), and the catalyst metal may be a composite containing these metals. .. Examples of the composite include a composite consisting of at least one selected from the metal group consisting of platinum, palladium, ruthenium, nickel and copper, and another metal different from the metal of the metal group. Other metals include zinc (Zn), manganese (Mn) and the like, preferably zinc or manganese, or zinc and manganese.
Examples of the catalyst metal as the complex include Ni-Ru (1: 1), Ni-Cu (1: 1), Cu-Ru (2: 1), Cu-Mn (12: 1) and the like. Can be done. The numbers in parentheses indicate the molar ratio of the elements.
As the composite, a solid solution is preferable because it can more efficiently modify the aqueous methanol solution by the superheated liquid film method, and a solid solution containing at least one of platinum, ruthenium, and nickel is preferable.

カーボンシートは、触媒金属を担持する担体として用いられる。シート状の担体を用いることで、本実施形態のように、筒構造の外周面を覆い、かつ、重ねて巻回することが可能になる。触媒金属が担持されたカーボンシートを重ねて巻回すると、触媒金属の担持量を増やしつつ、過熱液膜状態がメタノール水溶液中に生成され、触媒粒子の近傍に存在する気液混相中の気相成分を効率良く逃がすのに適している。したがって、固液接触が確保されて熱伝達率を大きくできるので、効率の良い水素生成が可能であり、さらにメタノール水溶液の供給流量を大きくすることで固液接触による反応機会をより増加させると、巻回構造を有しないカーボン担持触媒に比べ、より効率の良い水素生成が可能になる。
但し、メタノール水溶液の供給流量が大きくなり過ぎると、触媒と接触せずに巻回構造の触媒間の隙間を通り抜けて反応に寄与しない液相成分が生じやすくなり(チャンネリング)、結果として転化率が逓減し、水素生成速度を低下させることになる。温度を高めることで熱流束を増大させて水素生成速度を向上させることができる。温度を高めた場合、熱伝達に有利な核沸騰が熱伝達に不利な膜沸騰に転化しないように、膜沸騰に至らない温度域に低く抑えることが望ましい。膜沸騰に至らない温度域に抑えることにより、効率良く水素ガスを生成することが可能になる。
つまり、触媒量と、過熱液膜状態を保持しうるメタノール水溶液(改質用原料)の量と、の関係が固液接触状態を確保する範囲にあることが重要である。これにより、一端側から供給された改質用原料を他端側へ流通させながら、改質用原料の改質反応を効率良く進行させることができる。
The carbon sheet is used as a carrier for supporting the catalyst metal. By using the sheet-shaped carrier, it is possible to cover the outer peripheral surface of the tubular structure and to stack and wind the cylinder structure as in the present embodiment. When the carbon sheets on which the catalyst metal is supported are stacked and wound, a superheated liquid film state is generated in the methanol aqueous solution while increasing the amount of the catalyst metal supported, and the gas phase in the gas-liquid mixed phase existing in the vicinity of the catalyst particles. Suitable for efficiently releasing ingredients. Therefore, since solid-liquid contact is secured and the heat transfer coefficient can be increased, efficient hydrogen generation is possible, and further, by increasing the supply flow rate of the methanol aqueous solution, the reaction opportunity by solid-liquid contact is further increased. Compared to a carbon-supported catalyst that does not have a wound structure, more efficient hydrogen generation becomes possible.
However, if the supply flow rate of the aqueous methanol solution becomes too large, liquid phase components that do not come into contact with the catalyst and pass through the gaps between the catalysts of the wound structure and do not contribute to the reaction are likely to occur (channeling), resulting in conversion rate. Will gradually decrease, and the hydrogen production rate will decrease. By increasing the temperature, the heat flux can be increased and the hydrogen production rate can be improved. When the temperature is raised, it is desirable to keep the temperature low in a temperature range that does not lead to film boiling so that nucleate boiling, which is advantageous for heat transfer, does not convert to film boiling, which is disadvantageous for heat transfer. By suppressing the temperature to a temperature range that does not lead to film boiling, it becomes possible to efficiently generate hydrogen gas.
That is, it is important that the relationship between the amount of catalyst and the amount of the aqueous methanol solution (raw material for reforming) that can maintain the superheated liquid film state is within the range of ensuring the solid-liquid contact state. This makes it possible to efficiently proceed with the reforming reaction of the reforming raw material while distributing the reforming raw material supplied from one end side to the other end side.

触媒がメタノール水溶液で適度に湿潤した状態(過熱液膜状態)を維持するには、以下の点を考慮することが重要である。
(1)メタノール水溶液改質は、蒸発に並行して液相が気相生成物に変化する反応であるので、供給されるメタノール水溶液の供給量は、メタノール水溶液が蒸発しきらずに過熱液が存在し、触媒量に比べて少な過ぎない範囲、即ち、固液接触が固気接触とならない範囲に調整されることが好ましい。
(2)また、触媒活性サイトが発泡点となって気泡を成長、離脱させることで反応速度が高められるので、供給されるメタノール水溶液の供給量は、触媒量に比べて多過ぎない範囲に調整されることが好ましい。これにより、担体がカーボンシートである場合は適度の湿潤状態を維持でき、担体が顆粒状カーボンである場合は懸濁状態となって固液界面での温度差が失われることが抑えられる。
(3)したがって、触媒がメタノール水溶液で適度に湿潤された状態を保持しつつ、核沸騰条件下に置かれることで、外部の加熱源から過熱液膜に伝えられる熱は気泡の成長と離脱を強く促すことができる。
以上のことから、触媒金属の量〔V;g〕と、過熱液膜状態を維持し得るメタノール水溶液の量〔V;L(リットル)〕と、の関係としては、以下の式1で示す範囲が好ましく、更には以下の式2で示す範囲がより好ましい。
/V=10g/L~50g/L ・・・式1
/V=15g/L~20g/L ・・・式2
In order to maintain a state in which the catalyst is appropriately moistened with an aqueous methanol solution (superheated liquid film state), it is important to consider the following points.
(1) Since the reforming of an aqueous methanol solution is a reaction in which the liquid phase changes into a gas phase product in parallel with evaporation, the supplied amount of the aqueous methanol solution is such that the aqueous methanol solution does not evaporate completely and a superheated solution exists. However, it is preferable to adjust the amount to a range not too small compared to the amount of the catalyst, that is, a range in which the solid-liquid contact does not become a solid contact.
(2) Further, since the reaction rate is increased by the catalytically active site becoming an effervescent point and growing and releasing bubbles, the supply amount of the supplied methanol aqueous solution is adjusted within a range not too large compared to the catalytic amount. It is preferable to be done. As a result, when the carrier is a carbon sheet, an appropriate wet state can be maintained, and when the carrier is granular carbon, the carrier is in a suspended state and the temperature difference at the solid-liquid interface is suppressed from being lost.
(3) Therefore, when the catalyst is placed under the nucleate boiling condition while maintaining the state of being appropriately moistened with the aqueous methanol solution, the heat transferred from the external heating source to the superheated liquid film causes the growth and detachment of bubbles. Can be strongly encouraged.
From the above, the relationship between the amount of catalyst metal [V 1 ; g] and the amount of methanol aqueous solution [V 2 ; L (liter)] that can maintain the superheated liquid film state is as follows. The range shown is preferable, and the range shown by the following formula 2 is more preferable.
V 2 / V 1 = 10 g / L to 50 g / L ... Equation 1
V 2 / V 1 = 15 g / L to 20 g / L ... Equation 2

カーボンシートとしては、カーボンクロス、カーボンフェルトを用いることができる。
カーボンクロスは、例えばアクリル繊維等の炭素繊維を焼成し炭化することにより得られる炭化繊維を紡織したクロスを指し、上市されている市販品(例えば、クラレケミカル社製のカーボンクロス)を使用することができる。
カーボンフェルトは、炭素繊維を織らずに、炭素繊維の短繊維を絡み合わせたシート状の不織布を指し、上市されている市販品(例えば、クラレケミカル社製のカーボンクロス)を使用することができる。
As the carbon sheet, carbon cloth or carbon felt can be used.
The carbon cloth refers to a cloth obtained by spinning carbon fiber obtained by firing and carbonizing carbon fiber such as acrylic fiber, and a commercially available product on the market (for example, carbon cloth manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd.) is used. Can be done.
Carbon felt refers to a sheet-shaped non-woven fabric in which short fibers of carbon fibers are entwined without weaving carbon fibers, and commercially available products on the market (for example, carbon cloth manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd.) can be used. ..

触媒としては、触媒金属を含む金属粒子が担持され、かつ、担持されている金属粒子の平均一次粒子径が10nm以下であることが好ましい。即ち、金属粒子の形態で担持されることで、表面積が大きくなり、しかも担持された金属粒子の平均一次粒子径が10nm以下の小粒径であると、液相触媒反応における発泡点が多くなり、熱流束が増大して改質反応性がより向上する。
平均一次粒子径は、改質反応活性の観点から小サイズであるほど良く、5nm以下がより好ましい。平均一次粒子径の下限値は、例えば2nmとしてもよい。
平均一次粒子径は、透過型電子顕微鏡で観察し、任意の金属粒子を20個任意に選択して計測された一次粒子径の平均値として求められる値である。
As the catalyst, it is preferable that the metal particles containing the catalyst metal are supported and the average primary particle diameter of the supported metal particles is 10 nm or less. That is, when the surface area is increased by being supported in the form of metal particles and the average primary particle diameter of the supported metal particles is a small particle size of 10 nm or less, the number of foaming points in the liquid phase catalytic reaction increases. , The heat flux increases and the reforming reactivity is further improved.
The smaller the average primary particle size is, the better from the viewpoint of the reforming reaction activity, and 5 nm or less is more preferable. The lower limit of the average primary particle diameter may be, for example, 2 nm.
The average primary particle size is a value obtained as an average value of the primary particle size measured by observing with a transmission electron microscope and arbitrarily selecting 20 arbitrary metal particles.

触媒における触媒金属の担持量は、金属の種類、又は温度等に依存するが、本開示における触媒では、カーボンシートに担持された触媒金属の担持量が15g/L~150g/Lであることが好ましい。
カーボンシートに担持された触媒金属の担持量が15g/L以上であると、液相触媒反応における発泡点が増え、熱伝達率の大きい核沸騰の状態を維持しやすく、水素ガス生成効率により優れる。また、カーボンシートに担持された 触媒金属の担持量が150g/L以下であると、触媒の金属粒子の粒子径を適切な範囲に調節し、かつ、長期安定性を得やすい点で有利である。
カーボンシートに担持された触媒金属の担持量は、触媒の種類に応じて選択すればよく、例えばPt系触媒の場合は、高活性なため必要量を確保する観点から、15g/m~100g/mとしてもよいし、例えばCu-Mn系触媒の場合は、安価なため、100g/m~150g/mとしてもよい。
The amount of the catalyst metal supported on the catalyst depends on the type of metal, the temperature, and the like, but in the catalyst of the present disclosure, the amount of the catalyst metal supported on the carbon sheet is 15 g / L to 150 g / L. preferable.
When the amount of the catalyst metal supported on the carbon sheet is 15 g / L or more, the foaming points in the liquid phase catalytic reaction increase, it is easy to maintain the state of nucleate boiling with a large heat transfer coefficient, and the hydrogen gas generation efficiency is excellent. .. Further, when the amount of the catalyst metal supported on the carbon sheet is 150 g / L or less, it is advantageous in that the particle size of the metal particles of the catalyst can be adjusted to an appropriate range and long-term stability can be easily obtained. ..
The amount of the catalyst metal supported on the carbon sheet may be selected according to the type of catalyst. For example, in the case of a Pt-based catalyst, since it is highly active, 15 g / m 3 to 100 g from the viewpoint of securing the required amount. It may be set to / m 3 or, for example, in the case of a Cu—Mn-based catalyst, it may be set to 100 g / m 3 to 150 g / m 3 because it is inexpensive.

カーボンシートに触媒金属が担持された触媒の作製方法には、特に制限はなく、いずれの方法で作製されてもよい。触媒は、例えば、金属含有液中に担体を含浸させる含浸法により作製されてもよい。
含浸法による場合、例えば以下の方法で作製することができる。即ち、
まず、塩基等で前処理が施されたカーボン材(例えば、細孔を有する高表面積のカーボンシート)を用意する。カーボンシートを、撹拌している塩化白金カリウム(KPtCl)水溶液中に24時間浸漬した後、90℃の水素化ホウ素ナトリウム(NaBH)水溶液を用いて加熱還元して白金金属を生成させ、蒸留水1000mlで洗浄する。洗浄後の白金金属を70℃で10時間真空乾燥させることにより、カーボンシートに白金粒子が担持された白金担持触媒を作製することができる。
The method for producing the catalyst in which the catalyst metal is supported on the carbon sheet is not particularly limited, and any method may be used for producing the catalyst. The catalyst may be produced, for example, by an impregnation method in which a carrier is impregnated in a metal-containing liquid.
In the case of the impregnation method, for example, it can be produced by the following method. That is,
First, a carbon material (for example, a carbon sheet having a high surface area having pores) that has been pretreated with a base or the like is prepared. The carbon sheet is immersed in a stirring aqueous solution of potassium chloride (K 2 PtCl 4 ) for 24 hours and then heated and reduced with an aqueous solution of sodium borohydride (NaBH 4 ) at 90 ° C. to form platinum metal. , Wash with 1000 ml of distilled water. By vacuum-drying the washed platinum metal at 70 ° C. for 10 hours, a platinum-supported catalyst in which platinum particles are supported on a carbon sheet can be produced.

本開示における触媒は、メタノール水溶液を過熱液膜状態で水溶液改質する。水溶液改質は、液相中で触媒反応させて水素を生成する改質反応であり、水蒸気を用いて水素を生成する水蒸気改質反応とは区別される。
水溶液改質を行う場合、触媒量とメタノール水溶液との量的関係が、気体を生成する液相触媒反応においては重要である。
メタノール水溶液の量が触媒量に対して多過ぎる反応系では、図8(c)のように、顆粒状カーボンに担持した触媒粒子は懸濁状態となって存在することになる。懸濁液の温度は、液相の沸点に等しくなるため、この反応系の脱水素活性は小さい。これに対し、触媒量を増やして、図8(b)のように触媒がメタノール水溶液で適度に湿潤された状態(湿潤状態)が形成される反応系では、触媒温度がメタノール水溶液の沸点よりも高い状態(過熱状態)となる。そして、触媒がメタノール水溶液で湿潤状態にある場合に脱水素活性は最も大きくなる。このような状態を「過熱液膜状態」という。
一方、図8(a)のように、メタノール水溶液の量が触媒量に対して少な過ぎる反応系では、メタノール水溶液が次第に減量して枯渇状態になると、固気接触になるため、脱水素活性は小さくなる。他方、一般に伝熱面の温度を高くし過ぎると、発生した気泡が合一して蒸気膜を形成して伝熱面を覆うため、膜沸騰が起きるが、膜沸騰では、固気接触であるため、伝熱面からの良好な熱伝達性は期待できない。
気体を生成する液相触媒反応においては、熱伝達率の大きい核沸騰によることが好ましい。核沸騰の領域では、固液界面の伝熱境膜に過熱液が生じ、気相生成と蒸発を介して気泡へ物質と熱を液相から供給する。この際、触媒粒子が存在すると、触媒粒子は発泡点の役割を果す。発泡点となる触媒粒子の表面積を増やすためには、触媒粒子は小粒子であることが好ましく、ナノオーダーサイズの粒子が好ましい。これにより、発泡点が増え、孤立気泡の発生を促進することができる。
また、相変化に吸熱反応が加わるので、熱伝達率は向上し、気泡の成長と脱離が有利になる。気泡の離脱によって空いた触媒活性サイトには、過熱液のメタノール分子が直ちに吸着し反応し始める。
高い気泡離脱頻度が大きな熱流束と空サイト表面密度をもたらし、反応速度を向上させることができる。
The catalyst in the present disclosure modifies an aqueous solution of methanol in a superheated liquid film state. Aqueous solution reforming is a reforming reaction that produces hydrogen by catalytic reaction in a liquid phase, and is distinguished from a steam reforming reaction that produces hydrogen using steam.
When modifying an aqueous solution, the quantitative relationship between the amount of catalyst and the aqueous solution of methanol is important in the liquid-phase catalytic reaction that produces a gas.
In a reaction system in which the amount of the aqueous methanol solution is too large with respect to the amount of the catalyst, the catalyst particles supported on the granular carbon are present in a suspended state as shown in FIG. 8 (c). Since the temperature of the suspension is equal to the boiling point of the liquid phase, the dehydrogenation activity of this reaction system is small. On the other hand, in a reaction system in which the amount of catalyst is increased to form a state in which the catalyst is appropriately moistened with an aqueous methanol solution (wet state) as shown in FIG. 8B, the catalyst temperature is higher than the boiling point of the aqueous methanol solution. It becomes a high state (overheated state). The dehydrogenation activity is greatest when the catalyst is wet with an aqueous methanol solution. Such a state is called a "superheated liquid film state".
On the other hand, in a reaction system in which the amount of the aqueous methanol solution is too small with respect to the amount of the catalyst as shown in FIG. It becomes smaller. On the other hand, in general, when the temperature of the heat transfer surface is set too high, the generated bubbles coalesce to form a steam film and cover the heat transfer surface, resulting in film boiling. Therefore, good heat transfer from the heat transfer surface cannot be expected.
In the liquid phase catalytic reaction to generate a gas, it is preferable to use nucleate boiling, which has a large heat transfer coefficient. In the region of nucleate boiling, a superheated liquid is generated in the heat transfer boundary film at the solid-liquid interface, and the substance and heat are supplied from the liquid phase to the bubbles through gas phase generation and evaporation. At this time, if the catalyst particles are present, the catalyst particles play the role of a foaming point. In order to increase the surface area of the catalyst particles to be the foaming points, the catalyst particles are preferably small particles, and nano-order size particles are preferable. As a result, the number of foaming points increases, and the generation of isolated bubbles can be promoted.
In addition, since an endothermic reaction is added to the phase change, the heat transfer coefficient is improved, and the growth and desorption of bubbles are advantageous. Methanol molecules in the superheated liquid immediately adsorb to the catalytically active sites vacated by the separation of bubbles and begin to react.
A high bubble separation frequency can result in a large heat flux and empty site surface density, which can improve the reaction rate.

ここで、シート状の触媒15を3回巻き重ねた3層構造の触媒層について説明する。
液相(メタノール水溶液)中では、シート状の触媒15は、カーボンシートの表面にナノスケールの触媒金属粒子が担持され、カーボンシートのミクロ細孔にはメタノール水溶液(メタノール:水=1:1[モル比])が貯留されて湿潤状態とされる。
沸点近くにまで予熱されたメタノール水溶液は、カーボンシートの細孔に毛管凝縮し、シートの一端から他端に向けて細孔凝縮と表面移動とを繰返し、吸熱的な改質反応と蒸発とが進行する。その際、反応室18は、基体13側と外装材11側との両側から、メタノール水溶液の沸点を上回る温度で加熱されている。
シートの一端では液相のみであったメタノール水溶液は、反応室内を移動する間に気液混相の状態に変化するので、固液接触していた触媒とメタノール水溶液とが固気接触に変化した分、過熱液膜状態に固有の反応速度を維持できなくなる。
このような状況を踏まえ、本開示の一実施形態では、触媒を、触媒金属を担持したカーボンシートを複数回巻き回した積層構造として配置することで、気液混相の気相成分を、シート間の隙間を通じて反応系外に逃がし易くする。これにより、液相中での安定的な核沸騰が進行しやすくなり、触媒での改質反応を良好に進行させるのに有利である。
Here, a catalyst layer having a three-layer structure in which the sheet-shaped catalyst 15 is wound three times will be described.
In the liquid phase (methanol aqueous solution), the sheet-shaped catalyst 15 has nanoscale catalyst metal particles supported on the surface of the carbon sheet, and the micropores of the carbon sheet are methanol aqueous solution (methanol: water = 1: 1 [. Methanol ratio]) is stored and made wet.
The aqueous methanol solution preheated to near the boiling point condenses capillaries in the pores of the carbon sheet, and repeats pore condensation and surface movement from one end to the other end of the sheet, resulting in endothermic reforming reaction and evaporation. proceed. At that time, the reaction chamber 18 is heated from both sides of the substrate 13 side and the exterior material 11 side at a temperature higher than the boiling point of the aqueous methanol solution.
The methanol aqueous solution, which had only a liquid phase at one end of the sheet, changes to a gas-liquid mixed phase while moving in the reaction chamber. , The reaction rate inherent in the superheated liquid film state cannot be maintained.
In view of such a situation, in one embodiment of the present disclosure, the catalyst is arranged as a laminated structure in which a carbon sheet carrying a catalyst metal is wound a plurality of times, so that the gas phase component of the gas-liquid mixed phase is transferred between the sheets. It is easy to escape to the outside of the reaction system through the gap of. This facilitates stable nucleate boiling in the liquid phase, which is advantageous for satisfactorily advancing the reforming reaction with a catalyst.

また、シート状の触媒15を複数枚重ねた場合、メタノール水溶液等の基質の供給速度を変えると、水素の生成速度はシート状の触媒の積層数におよそ比例する。即ち、シート状の触媒を重ねることで、過熱液膜状態は維持されつつ、触媒の金属粒子の反応器内における容積密度が高められる。この点で、シート状の触媒を重ねて用いることは有意義である。
例えば図6に示すように、φ4cmのカーボンクロスに白金粒子を12mg担持させた触媒をそのまま又は複数枚重ねて用いることで、単層構造、2層構造又は3層構造の円形触媒を用意し、それぞれ加熱面に接触配置した。そして、加熱面から最も遠い側から円形触媒の円心部に150℃に加熱した2-プロパノール(沸点:82.4℃)を滴下した。結果、図7のように、水素の生成速度は層数におよそ比例するとの知見を得た。
滴下された2-プロパノールは、多層の円形触媒の面内を表面拡散して移動するのに対し、熱は円形触媒の面と直交する方向に外部から伝えられているといえ、過熱液膜状態での改質反応の保持に有効である。
Further, when a plurality of sheet-shaped catalysts 15 are stacked, the hydrogen production rate is approximately proportional to the number of laminated sheet-shaped catalysts when the supply rate of a substrate such as an aqueous methanol solution is changed. That is, by stacking the sheet-shaped catalysts, the bulk density of the metal particles of the catalyst in the reactor is increased while the superheated liquid film state is maintained. In this respect, it is meaningful to use the sheet-shaped catalysts in layers.
For example, as shown in FIG. 6, a single-layer structure, a two-layer structure, or a three-layer structure circular catalyst can be prepared by using a catalyst in which 12 mg of platinum particles are supported on a carbon cloth of φ4 cm as it is or by stacking a plurality of catalysts. Each was placed in contact with the heating surface. Then, 2-propanol (boiling point: 82.4 ° C.) heated to 150 ° C. was added dropwise to the concentric portion of the circular catalyst from the side farthest from the heating surface. As a result, as shown in FIG. 7, it was found that the hydrogen production rate is approximately proportional to the number of layers.
The dropped 2-propanol is surface-diffused and moves in the plane of the multi-layered circular catalyst, whereas the heat is transferred from the outside in the direction orthogonal to the plane of the circular catalyst, and it can be said that the superheated liquid film state. It is effective for maintaining the reforming reaction in.

また、筒構造16の内部には、図4に示すように、筒構造16の表面に配置された触媒を加熱するための加熱室19が設けられている。加熱室19での加熱温度を制御することにより、筒構造の曲面を形成している壁材を介して、触媒を所望の温度域に加熱制御することができる。
加熱室19は、燃料を燃焼させた際の燃焼熱で筒構造を加熱する燃焼室に構成されてもよい。この場合、加熱室に燃料を供給する燃料供給系と燃焼排ガスを排出する排出系とが取り付けられた構成とされてもよい。また、加熱室19は、電気ヒーターが配置された加熱室とされてもよい。電気ヒーターには、発熱ヒーター、輻射熱ヒーター等のいずれを用いてもよい。
Further, as shown in FIG. 4, inside the tubular structure 16, a heating chamber 19 for heating the catalyst arranged on the surface of the tubular structure 16 is provided. By controlling the heating temperature in the heating chamber 19, the catalyst can be heated and controlled in a desired temperature range via the wall material forming the curved surface of the tubular structure.
The heating chamber 19 may be configured as a combustion chamber that heats the tubular structure with the heat of combustion when the fuel is burned. In this case, a fuel supply system for supplying fuel to the heating chamber and an exhaust system for discharging combustion exhaust gas may be attached. Further, the heating chamber 19 may be a heating chamber in which an electric heater is arranged. As the electric heater, either a heat generating heater, a radiant heat heater, or the like may be used.

更に、筒構造16を収容する外装材11の外側に、外装材を介して触媒を加熱するための加熱器であるテープヒーターが配設されている。これにより、図4に示すように、反応室18中の触媒15は、基体13側と外装材11側との両側から加熱される。
加熱器としては、テープヒーター以外に、燃焼排熱を利用して加熱する燃焼排熱伝熱装置を用いてもよい。
Further, a tape heater, which is a heater for heating the catalyst via the exterior material, is arranged on the outside of the exterior material 11 accommodating the tubular structure 16. As a result, as shown in FIG. 4, the catalyst 15 in the reaction chamber 18 is heated from both sides of the substrate 13 side and the exterior material 11 side.
As the heater, in addition to the tape heater, a combustion waste heat transfer device that heats by utilizing the combustion waste heat may be used.

触媒の加熱に必要な熱の付与は、例えばバーナー等の燃焼機器70で得られる燃焼熱の一部を利用することが好ましい。本開示では、燃焼機器で得られる燃焼熱のうち、本来目的とする温度域の熱は所期の目的に利用し、目的の温度域の熱以外の例えば中温域(250℃~350℃程度)の熱を水素生成装置の加熱に利用する態様とすることができる。具体的には、燃焼排熱で加熱するいわゆる燃焼排熱伝熱装置を用い、システム始動時に水素生成装置で要求される熱量を、バーナー等の燃焼機器70で得られる燃焼排熱で賄う構成が好ましい。この場合、燃焼熱は、反応室の加熱に利用してもよいし、反応室に供給されるメタノール水溶液の予熱に利用してもよい。 It is preferable to use a part of the combustion heat obtained by the combustion device 70 such as a burner, for example, to apply the heat required for heating the catalyst. In the present disclosure, among the combustion heat obtained by the combustion equipment, the heat in the temperature range originally intended is used for the intended purpose, and the heat in the medium temperature range (about 250 ° C to 350 ° C) other than the heat in the target temperature range is used. The heat of the above can be used for heating the hydrogen generator. Specifically, a so-called combustion exhaust heat transfer device that heats with combustion exhaust heat is used, and the amount of heat required by the hydrogen generator at the start of the system is covered by the combustion exhaust heat obtained by the combustion device 70 such as a burner. preferable. In this case, the heat of combustion may be used for heating the reaction chamber, or may be used for preheating the aqueous methanol solution supplied to the reaction chamber.

基体13及び外装材11は、触媒を昇温させるための加熱が行えるように、熱伝達性の材質で形成されていることが好ましい。熱伝達性の材質としては、金属が好ましい。金属としては、特に制限はなく、耐熱性又は腐食等の観点から、例えば、ステンレス合金(いわゆるSUS材)が好ましい。 The substrate 13 and the exterior material 11 are preferably made of a heat transferable material so that the catalyst can be heated to raise the temperature. As the heat transfer material, metal is preferable. The metal is not particularly limited, and for example, a stainless alloy (so-called SUS material) is preferable from the viewpoint of heat resistance, corrosion, and the like.

触媒の加熱温度としては、150℃~350℃が好ましく、250℃~350℃がより好ましい。 The heating temperature of the catalyst is preferably 150 ° C. to 350 ° C., more preferably 250 ° C. to 350 ° C.

凝縮分離装置である凝縮分離器20は、ガス排出管12により水素生成装置10と接続されている。
水素生成装置10で水素が生成されると、水素は他のガス成分と混合された混合ガスとしてガス排出管12に排出され、ガス排出管12に取り付けられた混合ガスポンプP1を作動させることにより、混合ガスはガス排出管12を介して凝縮分離器20に送られる。混合ガスには、水素ガス、二酸化炭素、一酸化炭素、水蒸気、及び未反応メタノールが含まれる。
The condensation separator 20 which is a condensation separator is connected to the hydrogen generator 10 by a gas discharge pipe 12.
When hydrogen is generated by the hydrogen generator 10, the hydrogen is discharged to the gas discharge pipe 12 as a mixed gas mixed with other gas components, and by operating the mixed gas pump P1 attached to the gas discharge pipe 12, the hydrogen is discharged. The mixed gas is sent to the condensing separator 20 via the gas discharge pipe 12. The mixed gas includes hydrogen gas, carbon dioxide, carbon monoxide, water vapor, and unreacted methanol.

凝縮分離装置は、水素生成装置で生成された水素ガスを含む混合ガスを凝縮させ、沸点の違いを利用して水素ガス等のガス成分(水素含有ガス)と凝縮性成分(凝縮物)とを分離、精製する。
この際、ガス成分には、水素、二酸化炭素及び一酸化炭素が含まれる。したがって、凝縮によって、混合ガスから水素、二酸化炭素及び一酸化炭素のガス成分を分離することができる。
凝縮分離装置としては、未反応のメタノール及び水から、水素及び二酸化炭素の混合ガス、又は水素、二酸化炭素及び一酸化炭素の混合ガスを凝縮によって分離することができる機器を任意に選択して使用することができる。凝縮分離装置として、例えば蒸留装置を用いてもよい。
The condensation separation device condenses a mixed gas containing hydrogen gas generated by the hydrogen generator, and utilizes the difference in boiling point to separate gas components such as hydrogen gas (hydrogen-containing gas) and condensable components (condensate). Separate and purify.
At this time, the gas component includes hydrogen, carbon dioxide and carbon monoxide. Therefore, the gas components of hydrogen, carbon dioxide and carbon monoxide can be separated from the mixed gas by condensation.
As the condensation separation device, an apparatus capable of separating a mixed gas of hydrogen and carbon dioxide or a mixed gas of hydrogen, carbon dioxide and carbon monoxide from unreacted methanol and water by condensation is arbitrarily selected and used. can do. As the condensation separation device, for example, a distillation device may be used.

凝縮分離器20には、凝集物を水素生成装置10での水溶液改質反応に供するための再供給手段である戻し配管24の一端が接続されている。凝縮分離器20において、水素ガス等のガス成分と分離された凝集物は、戻し配管24を通じて凝縮分離器20から排出される。 One end of a return pipe 24, which is a resupply means for subjecting the agglomerate to the aqueous solution reforming reaction in the hydrogen generation device 10, is connected to the condensation separator 20. In the condensation separator 20, the agglomerates separated from the gas component such as hydrogen gas are discharged from the condensation separator 20 through the return pipe 24.

戻し配管24は、他端が水素生成装置と接続された原料供給管14のメタノール水溶液流通方向上流側に接続されている。これにより、水素生成装置10と凝縮分離器20とは戻し配管によって互いに連通されている。戻し配管24を流通する凝縮物は、原料供給管14に戻され、原料供給ポンプP2を動作させることで水素生成装置の反応室に供給される。反応室に供給された凝縮物は、水溶液改質反応に再利用される。そして、水溶液改質反応に供されたメタノール水溶液と同量のメタノール及び水は、原料供給装置50から新たにメタノール水溶液として水素生成装置に供給される。
このように、水素ガスが分離された後の凝縮物中に残存する未反応のメタノール及び水が循環経路を通じて水溶液改質反応に再利用されることで、供給されたメタノールの完全転化が可能になる。
The return pipe 24 is connected to the upstream side of the raw material supply pipe 14 having the other end connected to the hydrogen generator in the flow direction of the methanol aqueous solution. As a result, the hydrogen generator 10 and the condensation separator 20 are communicated with each other by a return pipe. The condensate flowing through the return pipe 24 is returned to the raw material supply pipe 14, and is supplied to the reaction chamber of the hydrogen generator by operating the raw material supply pump P2. The condensed product supplied to the reaction chamber is reused for the aqueous solution reforming reaction. Then, the same amount of methanol and water as the methanol aqueous solution used in the aqueous solution reforming reaction is newly supplied from the raw material supply device 50 to the hydrogen generation device as a methanol aqueous solution.
In this way, the unreacted methanol and water remaining in the condensate after the hydrogen gas is separated are reused for the aqueous solution reforming reaction through the circulation path, so that the supplied methanol can be completely converted. Become.

戻し配管24には、図示していないが、必要に応じて液相の凝縮物を、配管内を良好に流通させるための駆動ポンプが設置されていてもよい。 Although not shown, the return pipe 24 may be provided with a drive pump for satisfactorily circulating the liquid phase condensate in the pipe, if necessary.

凝縮分離器20には、水素流通管22により水素貯留タンク30が接続されている。
凝縮分離器20において、水素生成装置10で生成された混合ガスからガス成分(水素含有ガス)が分離された後、分離された水素含有ガスは一旦水素貯留タンク30に貯留される。水素含有ガスには、水素のほか二酸化炭素等が含まれていてもよい。
水素生成装置で生成された水素含有ガスは、直接燃料電池に供給することもできるが、一旦水素貯留タンク30に貯留され、燃料電池システムの運転状況に応じて必要量が燃料電池に供給されることが好ましい。
A hydrogen storage tank 30 is connected to the condensation separator 20 by a hydrogen flow pipe 22.
In the condensation separator 20, after the gas component (hydrogen-containing gas) is separated from the mixed gas generated by the hydrogen generator 10, the separated hydrogen-containing gas is temporarily stored in the hydrogen storage tank 30. The hydrogen-containing gas may contain carbon dioxide or the like in addition to hydrogen.
The hydrogen-containing gas generated by the hydrogen generator can be directly supplied to the fuel cell, but it is temporarily stored in the hydrogen storage tank 30 and the required amount is supplied to the fuel cell according to the operating condition of the fuel cell system. Is preferable.

固体高分子形燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)60は、水素供給管26により水素貯留タンク30と接続されている。PEFC60は、電極間に電解質としてイオン伝導性を有する高分子膜(イオン交換膜)を用いた燃料電池であり、従来公知とされている一般的なPEFCを用いることができる。また、固体高分子形燃料電池(PEFC)以外の燃料電池を用いてもよい。 The polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 60 is connected to the hydrogen storage tank 30 by a hydrogen supply pipe 26. The PEFC 60 is a fuel cell using a polymer membrane (ion exchange membrane) having ionic conductivity as an electrolyte between the electrodes, and a general PEFC conventionally known can be used. Further, a fuel cell other than the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) may be used.

水素供給管26は、バルブV1を備えており、バルブV1の開度が制御装置40からの信号を受けて制御されることで、水素貯留タンク30からPEFC60の要求量に応じた水素(水素含有ガス)が供給されるようになっている。 The hydrogen supply pipe 26 includes a valve V1, and the opening degree of the valve V1 is controlled by receiving a signal from the control device 40, so that hydrogen (hydrogen-containing) corresponding to the required amount of PEFC 60 from the hydrogen storage tank 30 is controlled. Gas) is to be supplied.

また、水素供給管26には、水素透過膜28が取り付けられている。水素透過膜28は、水素含有ガス中の水素を選択的に通過させることができる膜であり、例えば、パラジウム(Pd)を含む合金薄膜等を用いることができる。これにより、水素供給管26を流通するガス中の水素濃度が高められ、水素濃度の高い水素ガス(好ましくは純水素ガス)をPEFC60に供給することができる。 Further, a hydrogen permeation membrane 28 is attached to the hydrogen supply pipe 26. The hydrogen permeation membrane 28 is a membrane through which hydrogen in a hydrogen-containing gas can be selectively passed, and for example, an alloy thin film containing palladium (Pd) or the like can be used. As a result, the hydrogen concentration in the gas flowing through the hydrogen supply pipe 26 is increased, and a hydrogen gas having a high hydrogen concentration (preferably pure hydrogen gas) can be supplied to the PEFC 60.

水素貯留タンク30には、バルブV2を備えた可燃ガス配管32が接続されている。
上記のように、水素透過膜28により水素含有ガスから水素が選択的に分離されると、水素貯留タンク30内における水素以外のガス成分(特に一酸化炭素、水素等の可燃性ガス)の濃度は高くなる。そのため、バルブV2を動作させることで、可燃ガス配管32を通じて水素以外のガス成分(可燃性ガス)を外部に排出できるようになっている。バルブV2の開度は、例えば水素貯留タンク30にタンク中の例えば水素濃度を検出する水素検知センサを設けておき、水素検知センサの検出値に基づく制御装置40からの信号を受けて制御されてもよい。
可燃ガス配管32には、燃焼機器の一例であるバーナー70が接続されており、可燃性ガスは、可燃ガス配管32を通じてバーナーに供給されて燃焼に供されるようになっている。バーナーで得られる燃焼熱は、水素生成装置における触媒の加熱や、水素生成装置に供給されるメタノール水溶液の予熱に利用することができる。これにより、エネルギーの有効利用も図られる。
以上のように、バルブV2の開度が制御装置40からの信号を受けて制御されることで、水素貯留タンク30内の水素以外のガス成分の濃度が所期の範囲に保たれ、また水素以外のガス成分をも有効に利用することができる。
なお、ここでは、燃焼機器としてバーナーを用いた例を説明したが、バーナー以外の燃焼機器が接続されても同様の効果が期待できる。
A combustible gas pipe 32 provided with a valve V2 is connected to the hydrogen storage tank 30.
As described above, when hydrogen is selectively separated from the hydrogen-containing gas by the hydrogen permeation film 28, the concentration of gas components other than hydrogen (particularly flammable gas such as carbon monoxide and hydrogen) in the hydrogen storage tank 30. Will be higher. Therefore, by operating the valve V2, a gas component (flammable gas) other than hydrogen can be discharged to the outside through the combustible gas pipe 32. The opening degree of the valve V2 is controlled by, for example, providing a hydrogen detection sensor for detecting, for example, the hydrogen concentration in the tank in the hydrogen storage tank 30, and receiving a signal from the control device 40 based on the detection value of the hydrogen detection sensor. May be good.
A burner 70, which is an example of a combustion device, is connected to the combustible gas pipe 32, and the combustible gas is supplied to the burner through the combustible gas pipe 32 and used for combustion. The combustion heat obtained by the burner can be used for heating the catalyst in the hydrogen generator and preheating the aqueous methanol solution supplied to the hydrogen generator. As a result, effective use of energy can be achieved.
As described above, by controlling the opening degree of the valve V2 by receiving the signal from the control device 40, the concentration of the gas component other than hydrogen in the hydrogen storage tank 30 is kept within the desired range, and hydrogen is also maintained. Other gas components can also be effectively used.
Although an example of using a burner as a combustion device has been described here, the same effect can be expected even if a combustion device other than the burner is connected.

上記のように、凝縮分離器20で分離された水素含有ガスは、一旦水素貯留タンク30に貯留された後、水素透過膜28を通して精製され、PEFCの要求量に応じた水素ガスがPEFC60に供給される。 As described above, the hydrogen-containing gas separated by the condensation separator 20 is once stored in the hydrogen storage tank 30, then purified through the hydrogen permeation membrane 28, and the hydrogen gas corresponding to the required amount of PEFC is supplied to the PEFC 60. Will be done.

制御装置40は、水素生成システムを備えた燃料電池システムの動作を制御する。
制御装置40には、図1に示すように、混合ガスポンプP1、原料供給ポンプP2、及び凝縮分離装置等と電気的に接続されており、水素生成システム及びこれを備えた燃料電池システムの動作を制御している。
The control device 40 controls the operation of the fuel cell system including the hydrogen generation system.
As shown in FIG. 1, the control device 40 is electrically connected to a mixing gas pump P1, a raw material supply pump P2, a condensation separation device, and the like, and operates a hydrogen generation system and a fuel cell system equipped with the hydrogen generation system. I'm in control.

次に、本開示の一実施形態に係る燃料電池システムでの水素生成及び電力の外部供給について略説する。
まず、原料供給ポンプP2を作動させると、原料供給装置50の供給口から原料供給管14を通じて液体の改質用原料(メタノール水溶液)が水素生成装置10に供給される。具体的に説明すると、供給口14aから水素生成装置10に供給された改質用原料は、図4に示すように、外装材11の内壁と、外装材に収容された基体13の筒構造の外周面と、の間に形成されている反応室18に導入される。反応室18には、基体13の筒構造の周囲全体を覆うように触媒15が配置されている。
Next, hydrogen generation and external supply of electric power in the fuel cell system according to the embodiment of the present disclosure will be briefly described.
First, when the raw material supply pump P2 is operated, the liquid reforming raw material (methanol aqueous solution) is supplied to the hydrogen generation device 10 from the supply port of the raw material supply device 50 through the raw material supply pipe 14. Specifically, as shown in FIG. 4, the reforming raw material supplied from the supply port 14a to the hydrogen generation device 10 has a tubular structure of the inner wall of the exterior material 11 and the substrate 13 housed in the exterior material. It is introduced into the reaction chamber 18 formed between the outer peripheral surface and the outer peripheral surface. In the reaction chamber 18, the catalyst 15 is arranged so as to cover the entire circumference of the tubular structure of the substrate 13.

供給口14aから反応室18に供給された液体のメタノール水溶液は、基体13の筒構造の長手方向に筒構造の表面に沿って流通し、排出口12aが設けられている側へ反応室内を移動する。メタノール水溶液は、反応室内を移動しながら予熱され、沸点を超える温度に過熱された状態で触媒の金属粒子と接触することにより水溶液改質される。
この際、触媒15の触媒金属は、カーボンシートに担持されており、そこでメタノール水溶液によって適度に湿潤された状態(湿潤状態)が形成される。この際、触媒金属は伝熱境膜の中にあって、温度はメタノール水溶液の沸点よりも高い状態(過熱状態)となり、脱水素活性は最も大きくなる。即ち、この際、「過熱液膜状態」にある。
The liquid methanol aqueous solution supplied from the supply port 14a to the reaction chamber 18 flows along the surface of the tubular structure in the longitudinal direction of the tubular structure of the substrate 13 and moves in the reaction chamber to the side where the discharge port 12a is provided. do. The aqueous methanol solution is preheated while moving in the reaction chamber, and is reformed by contacting with the metal particles of the catalyst in a state of being superheated to a temperature exceeding the boiling point.
At this time, the catalyst metal of the catalyst 15 is supported on a carbon sheet, and a state appropriately moistened with an aqueous methanol solution (wet state) is formed there. At this time, the catalyst metal is in the heat transfer boundary film, the temperature is higher than the boiling point of the aqueous methanol solution (superheated state), and the dehydrogenation activity is the highest. That is, at this time, it is in the "superheated liquid film state".

また、上記したように、熱伝達性に優れた高表面積活性炭にナノスケールの触媒金属粒子が担持され、触媒金属粒子が液相中の発泡点となるので、核沸騰が進行する。核沸騰の領域では、固液界面の伝熱境膜に過熱液が生じ、加熱温度と沸点との温度差が適切であれば液相から気泡へ物質と熱を供給する。相変化に吸熱反応が加わるので、熱伝達率は向上し、気泡の成長と脱離が有利になる。気泡の脱離によって空いた触媒活性サイトには、過熱液のメタノール分子が直ちに吸着し反応し始めるので、反応速度が向上する。 Further, as described above, nanoscale catalytic metal particles are supported on the high surface area activated carbon having excellent heat transfer properties, and the catalytic metal particles become foaming points in the liquid phase, so that nucleate boiling proceeds. In the region of nuclear boiling, a superheated liquid is generated in the heat transfer boundary film at the solid-liquid interface, and if the temperature difference between the heating temperature and the boiling point is appropriate, the substance and heat are supplied from the liquid phase to the bubbles. Since the endothermic reaction is added to the phase change, the heat transfer coefficient is improved, and the growth and desorption of bubbles are advantageous. Methanol molecules in the superheated liquid are immediately adsorbed on the catalytically active sites vacated by the desorption of bubbles and start to react, so that the reaction rate is improved.

触媒15では、下記反応式に示すように、メタノールの水溶液改質反応(式3)が進行し、水素が生成される。また、触媒によっては、式3の水溶液改質反応とメタノール分解反応(式4)とが進行し、水素が生成される。
CHOH + HO → 3H + CO ・・・式3
CHOH → 2H + CO ・・・式4
In the catalyst 15, as shown in the reaction formula below, the aqueous solution reforming reaction (formula 3) of methanol proceeds to generate hydrogen. Further, depending on the catalyst, the aqueous solution reforming reaction of the formula 3 and the methanol decomposition reaction (formula 4) proceed to generate hydrogen.
CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 ... Equation 3
CH 3 OH → 2H 2 + CO ・ ・ ・ Equation 4

生成された気体の水素は、副生される二酸化炭素又は二酸化炭素及び一酸化炭素と未反応のメタノール等とともに反応室内を移動し、混合ガスとして排出口12aから排出され、ガス排出管12に取り付けられた混合ガスポンプP1を作動させることで、混合ガスは凝縮分離器20へ送られる。
凝縮分離器20では、供給された混合ガスに含まれる、凝縮性成分であるメタノール及び水と、非凝縮性成分である水素、二酸化炭素、及び場合により副生する一酸化炭素を含む水素含有ガスと、を分離し、分離された水素含有ガスは水素貯留タンク30に貯留される。その後、水素含有ガスを水素透過膜に通すことによって精製水素を生成する。精製水素の利用目的がPEFCでの発電用燃料である場合、一酸化炭素は、PEFCの燃料として利用され得ないため、例えば水素生成システムでの改質に必要とされる熱を得るための燃焼機器の燃料として利用すべく、水素貯留タンク30に一時的に貯留される。
凝縮分離器20で分離された水素含有ガスは、凝縮分離器20の一端に接続された水素流通管22を通じて一旦水素貯留タンク30に送られる。その後、水素供給管26に取り付けられた水素透過膜28によって一酸化炭素等を含まない精製水素とされ、PEFC60に送られる。精製された水素ガスが供給されることで、PEFC60は発電を行うことができる。
一方、凝縮分離器20で水素ガスが分離された後の凝縮性成分(凝縮物)は、凝縮分離器20の他端に接続された排出管を通じて排出除去され、メタノール水溶液として再利用することができる。
The generated gaseous hydrogen moves in the reaction chamber together with carbon dioxide or carbon dioxide produced as a by-product and unreacted methanol with carbon monoxide, is discharged as a mixed gas from the discharge port 12a, and is attached to the gas discharge pipe 12. By operating the mixed gas pump P1, the mixed gas is sent to the condensing separator 20.
In the condensation separator 20, a hydrogen-containing gas containing methanol and water as condensable components, hydrogen and carbon dioxide as non-condensable components, and carbon monoxide as a by-product, contained in the supplied mixed gas. And, and the separated hydrogen-containing gas is stored in the hydrogen storage tank 30. Then, purified hydrogen is produced by passing a hydrogen-containing gas through a hydrogen permeation membrane. When the purpose of using purified hydrogen is as a fuel for power generation in PEFC, carbon monoxide cannot be used as a fuel for PEFC, so for example, combustion for obtaining heat required for reforming in a hydrogen production system. It is temporarily stored in the hydrogen storage tank 30 for use as fuel for equipment.
The hydrogen-containing gas separated by the condensation separator 20 is once sent to the hydrogen storage tank 30 through the hydrogen flow pipe 22 connected to one end of the condensation separator 20. After that, it is made into purified hydrogen containing no carbon monoxide and the like by the hydrogen permeation membrane 28 attached to the hydrogen supply pipe 26, and is sent to PEFC60. By supplying the purified hydrogen gas, the PEFC 60 can generate electricity.
On the other hand, the condensable component (condensate) after the hydrogen gas is separated by the condensation separator 20 can be discharged and removed through a discharge pipe connected to the other end of the condensation separator 20 and reused as an aqueous methanol solution. can.

次に、本開示の燃料電池システムの変形例を図9を参照して説明する。
なお、図9において、図1~図8に示す既述の水素生成システムと同一の構成には同じ符号を付し、その説明を省略する。
Next, a modified example of the fuel cell system of the present disclosure will be described with reference to FIG.
In FIG. 9, the same components as those of the above-mentioned hydrogen generation system shown in FIGS. 1 to 8 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

図9に示す燃料電池システム200は、2つの水素生成システムを備えることにより、2基の水素生成装置を備える。燃料電池システム200は、2基の水素生成装置が直列に接続されて配設されていることで、上流側の水素生成装置において水溶液改質に使用されずに残存する未反応のメタノールを下流側の水素生成装置に供給し、これによりメタノール水溶液の転化効率を高め、水素生成量を向上させる態様である。本態様では、水素生成装置に供給されたメタノール水溶液のうち、未反応のメタノールが別の水素生成装置に供される点で、未反応のメタノールが同一の水素生成装置に戻されて水溶液改質に供される図1に示す既述の水素生成システムと異なる。 The fuel cell system 200 shown in FIG. 9 includes two hydrogen generation devices by including two hydrogen generation systems. In the fuel cell system 200, two hydrogen generators are connected and arranged in series, so that unreacted methanol remaining without being used for aqueous solution reforming in the hydrogen generator on the upstream side is discharged on the downstream side. This is an embodiment in which the hydrogen generation device is supplied to the hydrogen generator, thereby increasing the conversion efficiency of the aqueous methanol solution and improving the amount of hydrogen produced. In this embodiment, of the methanol aqueous solution supplied to the hydrogen generator, the unreacted methanol is returned to the same hydrogen generator at the point where the unreacted methanol is provided to another hydrogen generator to reform the aqueous solution. It is different from the above-mentioned hydrogen generation system shown in FIG.

図9に示すように、本態様の水素生成システムでは、2基の水素生成装置10、10Aを備えており、上流側の水素生成装置10で生成した水素ガスを含む水素含有ガスと凝縮物とが凝縮分離器20で分離された後、分離後の凝縮物中の未反応のメタノール水溶液は、再供給手段である再供給配管34を通じて下流側の水素生成装置10Aに供給される。 As shown in FIG. 9, the hydrogen generation system of this embodiment includes two hydrogen generation devices 10 and 10A, and includes a hydrogen-containing gas and a condensate containing hydrogen gas generated by the hydrogen generation device 10 on the upstream side. Is separated by the condensation separator 20, and the unreacted aqueous methanol solution in the separated condensate is supplied to the hydrogen generation device 10A on the downstream side through the resupply pipe 34 which is a resupply means.

再供給配管34は、凝縮分離器20と水素生成装置10Aとを連通している。再供給配管34には、原料供給ポンプP2Aが取り付けられており、原料供給ポンプP2Aを動作させることで凝縮分離器20から排出された凝縮物を水素生成装置に供給し、水溶液改質反応に供する。この場合、凝縮分離器20から排出された凝縮物からメタノール及び水を分離し、メタノール及び水を選択的に再供給配管34に流通させるようにしてもよい。この場合、例えば凝縮分離器20から排出された凝縮物の組成を分析する等して、メタノール及び水が改質反応に適した組成(例えばメタノール:水=1:1(モル比))となるように混合比を調整した上で、メタノール及び水を再供給配管34に流通させてもよい。混合比の調整は、例えばメタノール等の不足成分を外部より補って行うようにしてもよい。
再供給配管34を通じて再供給されたメタノールは、水素生成装置10Aで水溶液改質されて水素が生成され、水素は水素含有ガスとして凝縮分離器20Aに送られる。凝縮分離器20Aでは、凝縮分離器20と同様に、水素含有ガスと凝縮物とに分離される。水素含有ガスは、水素流通管22Aを通じて一旦水素貯留タンク30に貯留される。水素含有ガスには、水素のほか二酸化炭素等が含まれていてもよい。
水素生成装置で生成された水素含有ガスは、直接燃料電池に供給することもできるが、一旦水素貯留タンク30に貯留され、燃料電池システムの運転状況に応じて必要量が燃料電池に供給されることが好ましい。
水素貯留タンク30には、バルブV1を備えた水素供給管26が接続されており、水素供給管26を介してPEFC60と連通され、水素貯留タンク30からPEFC60の要求量に応じた水素(水素含有ガス)が供給されるようになっている。水素が供給されたPEFC60は、発電を行うことができる。凝縮分離器20Aで分離された凝縮物は、メタノールの残存量が少ない状況であるので、凝縮分離器20Aから外部に排出されるようになっている。
The resupply pipe 34 communicates the condensation separator 20 and the hydrogen generator 10A. A raw material supply pump P2A is attached to the resupply pipe 34, and by operating the raw material supply pump P2A, the condensed product discharged from the condensation separator 20 is supplied to the hydrogen generator and subjected to an aqueous solution reforming reaction. .. In this case, methanol and water may be separated from the condensate discharged from the condensation separator 20 and the methanol and water may be selectively distributed to the resupply pipe 34. In this case, for example, by analyzing the composition of the condensed product discharged from the condensation separator 20, methanol and water have a composition suitable for the reforming reaction (for example, methanol: water = 1: 1 (molar ratio)). After adjusting the mixing ratio as described above, methanol and water may be circulated to the resupply pipe 34. The mixing ratio may be adjusted by supplementing the deficient component such as methanol from the outside.
The methanol resupplied through the resupply pipe 34 is reformed in an aqueous solution by the hydrogen generator 10A to generate hydrogen, and the hydrogen is sent to the condensation separator 20A as a hydrogen-containing gas. In the condensation separator 20A, the hydrogen-containing gas and the condensed product are separated in the same manner as in the condensation separator 20. The hydrogen-containing gas is temporarily stored in the hydrogen storage tank 30 through the hydrogen flow pipe 22A. The hydrogen-containing gas may contain carbon dioxide or the like in addition to hydrogen.
The hydrogen-containing gas generated by the hydrogen generator can be directly supplied to the fuel cell, but it is temporarily stored in the hydrogen storage tank 30 and the required amount is supplied to the fuel cell according to the operating condition of the fuel cell system. Is preferable.
A hydrogen supply pipe 26 provided with a valve V1 is connected to the hydrogen storage tank 30, and is communicated with the PEFC 60 via the hydrogen supply pipe 26. Hydrogen (hydrogen-containing) according to the required amount of the PEFC 60 from the hydrogen storage tank 30. Gas) is to be supplied. The PEFC 60 supplied with hydrogen can generate electricity. Since the condensate separated by the condensation separator 20A has a small residual amount of methanol, it is discharged from the condensation separator 20A to the outside.

本態様の水素生成システムでは、下流側の水素生成装置10Aにおいて凝縮物中に残存する未反応のメタノールを(好ましくは、未反応のメタノール及び水の組成を調整した上で)水溶液改質するので、システム全体におけるメタノール水溶液の転化効率を高めることができる。これにより、水素生成量をより向上させることが可能である。 In the hydrogen generation system of this embodiment, the unreacted methanol remaining in the condensate is reformed in an aqueous solution (preferably after adjusting the composition of unreacted methanol and water) in the hydrogen generation device 10A on the downstream side. , It is possible to increase the conversion efficiency of the aqueous methanol solution in the entire system. This makes it possible to further improve the amount of hydrogen produced.

本態様の水素生成システムでは、水素生成装置及び凝縮分離装置をそれぞれ2基ずつ配設した構成を中心に説明したが、水素生成装置は2基に限らず、未反応のメタノールの残存割合に応じて3基以上を直列に及び/又は並列に配設した構成にしてもよい。
他の変形例として、2基の水素生成装置を並列に配設し、この2基の水素生成装置から排出されて凝縮分離装置で凝縮分離された凝縮物を、2基の水素生成装置の双方に対して直列に配設された下流の1基の水素生成装置に供給し、未反応のメタノールを水溶液改質してもよい。これによっても、メタノール水溶液の転化効率を高め、水素生成量を向上させることが可能である。
また、凝縮分離装置も2基に限らず、図示しないが、例えば、2基の水素生成装置に対して1基の凝縮分離装置を配設し、水素含有ガスを一ヶ所に集約して一括して凝縮分離する構成にしてもよいし、水素生成装置の配設数に対応させて3基以上を配設した構成にしてもよい。
In the hydrogen generation system of this embodiment, the configuration in which two hydrogen generation devices and two condensation separation devices are arranged has been mainly described, but the hydrogen generation device is not limited to two units, depending on the residual ratio of unreacted methanol. 3 or more units may be arranged in series and / or in parallel.
As another modification, two hydrogen generators are arranged in parallel, and the condensate discharged from the two hydrogen generators and condensed and separated by the condensation separator is combined with both of the two hydrogen generators. The unreacted methanol may be reformed into an aqueous solution by supplying it to one hydrogen generator located downstream in series with respect to the hydrogen generator. This also makes it possible to increase the conversion efficiency of the aqueous methanol solution and improve the amount of hydrogen produced.
Further, the condensation separation device is not limited to two, and although not shown, for example, one condensation separation device is arranged for two hydrogen generation devices, and hydrogen-containing gas is collected in one place and collectively. It may be configured to be condensed and separated, or it may be configured to arrange three or more units according to the number of arrangements of the hydrogen generating apparatus.

上記の実施形態では、一端が閉塞した基体が外装材に収容された水素生成装置を一例に説明したが、基体は、基体の長手方向の両端部がともに開放されて例えば熱風が流通する筒形に構成されたものでもよい。
また、上記では、触媒金属として白金を用いた場合を説明したが、白金以外の触媒金属を用いた場合にも同等以上の効果が奏される。
さらに、上記の実施形態では、触媒金属が担持されたカーボンシートを3回巻き重ねることによって3層からなる触媒層が配置された構造を一例に説明したが、水素生成装置の反応室のスケール等、即ち水素ガスの生成量等に応じて、4回以上巻き重ねることによって多層の触媒層が配置された構造としても、同様の効果が奏される。
In the above embodiment, a hydrogen generator in which a substrate having one end closed is housed in an exterior material has been described as an example. However, the substrate has a tubular shape in which both ends in the longitudinal direction of the substrate are opened and hot air flows, for example. It may be configured in.
Further, in the above, the case where platinum is used as the catalyst metal has been described, but the same or better effect can be obtained even when a catalyst metal other than platinum is used.
Further, in the above embodiment, the structure in which the catalyst layer composed of three layers is arranged by winding the carbon sheet on which the catalyst metal is supported three times has been described as an example, but the scale of the reaction chamber of the hydrogen generator and the like have been described. That is, the same effect can be obtained even in a structure in which a multi-layered catalyst layer is arranged by winding four or more times depending on the amount of hydrogen gas produced or the like.

10,10A・・・水素生成装置
11・・・外装材
12,12A・・・ガス排出管
12a・・・排出口
13・・・基体
14,14A・・・原料供給管
14a・・・供給口
15・・・触媒
16・・・筒構造
17・・・蓋材
18・・・反応室
19・・・加熱室
20,20A・・・凝縮分離装置
22,22A・・・水素流通管
24・・・戻し配管(再供給手段)
26・・・水素供給管
28・・・水素透過膜
30・・・水素貯留タンク
32・・・可燃ガス配管
34・・・再供給配管(再供給手段)
40・・・制御装置
50・・・原料供給装置
60・・・固体高分子形燃料電池(PEFC)
70・・・バーナー(燃焼機器)
100,200・・・燃料電池システム
P1,P1A・・・混合ガスポンプ
P2,P2A・・・原料供給ポンプ
V1,V2・・・バルブ
10, 10A ... Hydrogen generator 11 ... Exterior material 12, 12A ... Gas discharge pipe 12a ... Discharge port 13 ... Base 14, 14A ... Raw material supply pipe 14a ... Supply port 15 ... Catalyst 16 ... Cylindrical structure 17 ... Cover material 18 ... Reaction chamber 19 ... Heating chamber 20, 20A ... Condensation separation device 22, 22A ... Hydrogen flow tube 24 ...・ Return pipe (resupply means)
26 ... Hydrogen supply pipe 28 ... Hydrogen permeation membrane 30 ... Hydrogen storage tank 32 ... Combustible gas pipe 34 ... Resupply pipe (resupply means)
40 ... Control device 50 ... Raw material supply device 60 ... Solid polymer electrolyte fuel cell (PEFC)
70 ... Burner (combustion equipment)
100,200 ... Fuel cell system P1, P1A ... Mixing gas pump P2, P2A ... Raw material supply pump V1, V2 ... Valve

Claims (11)

メタノール水溶液を水溶液改質して水素ガスを生成する水素生成装置と、
前記水素生成装置から排出された水素を含む混合ガスが供給され、供給された混合ガスを凝縮して少なくとも水素ガスと凝縮物とを分離する凝縮分離装置と、
前記凝縮分離装置で分離された凝縮物中の少なくとも未反応のメタノールを、水素生成装置に再供給して水溶液改質に供する再供給手段と、
を備え、前記水素生成装置は、
少なくとも一端が開放された筒構造を有し、前記筒構造の内部に加熱室が配設された基体と、
前記基体の前記筒構造の外周面の少なくとも一部を覆うように配置され、カーボンシートに触媒金属が担持された触媒と、
前記触媒が配置された前記基体を収容する外装材と、
前記基体の筒の長さ方向における前記一端の側に配置され、水素ガスを排出する排出口と、
前記基体の筒の長さ方向における他端の側に配置され、前記基体と前記外装材との間にメタノール水溶液を供給する供給口と、
を備え、供給されたメタノール水溶液を前記触媒により水溶液改質して水素ガスを生成する、水素生成システム。
A hydrogen generator that reforms an aqueous solution of methanol to generate hydrogen gas,
A condensation separation device in which a mixed gas containing hydrogen discharged from the hydrogen generation device is supplied, and the supplied mixed gas is condensed to separate at least the hydrogen gas and the condensate.
A resupply means for resupplying at least unreacted methanol in the condensate separated by the condensation separation device to the hydrogen generation device to reform the aqueous solution.
The hydrogen generator is equipped with
A substrate having a tubular structure with at least one end open and a heating chamber disposed inside the tubular structure.
A catalyst arranged so as to cover at least a part of the outer peripheral surface of the tubular structure of the substrate and having a catalyst metal supported on a carbon sheet.
An exterior material that houses the substrate on which the catalyst is placed, and
A discharge port arranged on the side of one end of the substrate in the length direction of the cylinder and discharging hydrogen gas.
A supply port arranged on the other end side in the length direction of the cylinder of the substrate and supplying an aqueous methanol solution between the substrate and the exterior material.
A hydrogen generation system that reforms the supplied methanol aqueous solution with the catalyst to generate hydrogen gas.
前記触媒は、前記基体の外周面に巻回されて積層構造とされている、請求項1に記載の水素生成システム。 The hydrogen generation system according to claim 1, wherein the catalyst is wound around an outer peripheral surface of the substrate to form a laminated structure. 前記触媒は、前記カーボンシートに担持された触媒金属の担持量が15g/L~150g/Lである請求項1又は請求項2に記載の水素生成システム。 The hydrogen generation system according to claim 1 or 2, wherein the catalyst is a catalyst metal supported on the carbon sheet in an amount of 15 g / L to 150 g / L. 前記触媒は、供給されたメタノール水溶液を過熱液膜状態で水溶液改質する請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の水素生成システム。 The hydrogen generation system according to any one of claims 1 to 3, wherein the catalyst is an aqueous solution reforming of the supplied methanol aqueous solution in a superheated liquid film state. 前記供給口から供給されたメタノール水溶液は、前記基体の筒の長さ方向に流通されながら予熱され、沸点を超える温度に過熱された状態で前記触媒により水溶液改質される請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の水素生成システム。 Claims 1 to claim that the aqueous methanol solution supplied from the supply port is preheated while flowing in the length direction of the cylinder of the substrate, and is reformed by the catalyst in a state of being superheated to a temperature exceeding the boiling point. 4. The hydrogen generation system according to any one of 4. 前記カーボンシートが、カーボンクロス又はカーボンフェルトである請求項1~請求項5のいずれか1項に記載の水素生成システム。 The hydrogen generation system according to any one of claims 1 to 5, wherein the carbon sheet is carbon cloth or carbon felt. 前記触媒金属が、白金、パラジウム、ルテニウム、ニッケルもしくは銅、又は、白金、パラジウム、ルテニウム、ニッケル及び銅からなる金属群より選ばれる少なくとも一つと前記金属群の金属と異なる他の金属との複合体である請求項1~請求項6のいずれか1項に記載の水素生成システム。 The catalyst metal is a composite of at least one selected from the metal group consisting of platinum, palladium, ruthenium, nickel or copper, or platinum, palladium, ruthenium, nickel and copper and another metal different from the metal of the metal group. The hydrogen generation system according to any one of claims 1 to 6. 前記他の金属が、マンガン及び亜鉛の少なくとも一方を含む請求項7の記載の水素生成システム。 The hydrogen generation system according to claim 7, wherein the other metal contains at least one of manganese and zinc. 前記触媒金属が、少なくとも、白金、ルテニウム及びニッケルの少なくとも一つを含む固溶体である請求項1~請求項8のいずれか1項に記載の水素生成システム。 The hydrogen generation system according to any one of claims 1 to 8, wherein the catalyst metal is a solid solution containing at least one of platinum, ruthenium and nickel. 前記触媒は、前記触媒金属を含む金属粒子が担持され、前記金属粒子の平均一次粒子径が10nm以下である請求項1~請求項9のいずれか1項に記載の水素生成システム。 The hydrogen generation system according to any one of claims 1 to 9, wherein the catalyst is supported by metal particles containing the catalyst metal, and the average primary particle diameter of the metal particles is 10 nm or less. 請求項1~請求項10のいずれか1項に記載の水素生成システムと、
前記水素生成装置で生成された水素ガスにより発電する燃料電池と、
を備えた燃料電池システム。
The hydrogen generation system according to any one of claims 1 to 10.
A fuel cell that generates electricity from the hydrogen gas generated by the hydrogen generator,
Fuel cell system with.
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