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JP4302266B2 - Stopping method of methanol reformer - Google Patents
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  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水とメタノールから水素富化ガスを発生させるメタノール改質装置を停止させる方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、低公害化を狙った自動車の駆動源及びその他発電装置として、燃料電池の開発が進められている。
そのエネルギー源としての水素は、圧縮水素又は液体水素が簡便であるが、安全性及び取扱性に問題があるため、より安全な水素供給装置が望まれている。
最近では、アルコール又は炭化水素を触媒で改質して水素富化ガスを製造する技術開発が盛んに行われており、様々な触媒及び反応装置が考案されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、引火性,発火性の大きいメタノールをメタノール改質装置で改質する場合、特に、部分酸化反応と水蒸気改質反応とを同時進行させるオートサーマル方式を用いる場合には、メタノール蒸気と空気が高温触媒上で共存することになるため、水,メタノール及び空気の混合比率は、反応が高速度に進行する範囲(以下、「高速反応領域」と称する。)内に入ってはならず、これらの厳密な導入量管理が必要となる。
【0004】
逆に、メタノール改質装置を停止させる場合には、水,メタノール及び空気の導入を停止し、触媒層の冷却操作を行うことになるが、オートサーマル方式を用いた場合において空気量が過剰な状態では、部分酸化反応が進行し、触媒層が熱暴走してしまうおそれを生じる。
【0005】
従って、メタノール改質装置の停止操作においても、水,メタノール及び空気の混合比が高速反応領域に入らないように厳密な制御を行うことが肝要であり、特に、空気量が過大とならないように抑制しながら停止させる必要があることから、従来は停止に長時間を要していた。
【0006】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、メタノール改質装置の停止の際、熱暴走を引き起こすことなく、触媒層を迅速に冷却することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、まず初めに空気導入を停止し、水及びメタノールのみを触媒層(図1では改質触媒層41)に導入し続けることにより、メタノール水蒸気改質反応の吸熱反応を利用して触媒層温度を下げる。
空気の導入停止は、遮断弁による速断でも良いし、制御バルブ等によって徐々に導入量を遮断していっても構わない。
【0008】
他方、空気導入の停止後に継続導入する水/メタノールのモル比を定常運転時の第1モル比(例えば、1.0〜2.0)よりも高い第2モル比に切り替えておくことにより、吸熱反応であるメタノール水蒸気改質反応が促進されるから、触媒層温度を迅速に下げることが可能となる。触媒層が所定の温度まで冷却できたら、水及びメタノール導入を停止する。この燃料導入の停止に先立ち、予め水/メタノールのモル比を高速反応領域から外しておけば、熱暴走を引き起こすことなく、穏やかな停止が達成される。
【0009】
発明者は、図2の水,メタノール及び空気の3種混合相図より、水/メタノールのモル比(以下、「S/C比」と称する。)が4.6(=82mol%/18mol%)以上となるように、水,メタノール及び空気の混合比を制御すれば、高速度な反応を引き起こすことなく、穏やかな停止がなしえることを見出した。この図においては、斜線部分が高速反応領域を示している。
従って、穏やかな停止を実現するには、S/C比を4.6以上に切り替えてから、水及びメタノールの導入を停止することが好ましい。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
(第一の実施の形態)
図1は、電気自動車における燃料電池への燃料供給システム図であり、符号10は燃料電池を示している。
この燃料電池10は、水素及び空気中の酸素を燃料にして発電を行う。
以下、燃料電池10への水素供給系及び空気供給系について説明する。
【0011】
[水素供給系]
水素供給系は、燃焼器21と、蒸発器22と、改質器(メタノール改質装置)23と、CO除去器24と、起動用ヒータ25と、熱交換器26a,26bと、水メタノール混合液タンク27a,27bと、メタノールタンク28とを主たる構成要素としている。
【0012】
燃焼器21は、着火源である電気ヒータ31と、燃焼状態を持続させるための燃焼用触媒32と、器内温度を検出するための温度センサ33とを備えており、メタノールタンク28からのメタノールと、空気供給系からの空気とを燃焼させて、蒸発器22の暖機及び蒸発器22に供給された水メタノール混合液の気化に用いる燃焼ガスを発生させる。
【0013】
また、燃焼器21には、起動から定常運転に至るまでの間に改質器23で生成された水素富化ガス及び定常運転時に燃料電池10から排出された未反応水素を含むオフガスを燃焼用燃料として再利用するためのオフガス管34が接続されている。
【0014】
蒸発器22は、S/C比が1.5に調整された水メタノール混合液タンク27a,又はS/C比が4.6に調整された水メタノール混合液タンク27bから供給された水メタノール混合液をノズルから噴霧し、これを燃焼器21から供給された燃焼ガスにより気化して、水メタノール混合ガスを生成する。
また、蒸発器22には、器内温度を検出するための温度センサ36が設けられている。
【0015】
改質器23には、ハニカム構造体の表面にNi,Ru,Rh,Cu−Zn系等の触媒がコーティングされてなる改質触媒層41が設けられており、蒸発器22からの水メタノール混合ガスを改質触媒層41に通して、水素富化ガスを生成する。
改質触媒層41の入口部分にはO2センサ42が設けられ、改質触媒層41の内部には温度センサ43が設けられている。
【0016】
改質器23では、以下のオートサーマル改質反応が行われる。
CH3OH+H2O→3H2 +CO2 …(1)
CH3OH+2O2→2H2O+CO2 …(2)
反応式(1)は、メタノールと水による水蒸気改質反応であり、この反応により目的物たる水素が生成される。
他方、反応式(2)は、メタノールの部分酸化反応であり、吸熱反応である反応式(1)に必要な熱量は、この酸化反応時の酸化熱により補給される。
【0017】
なお、改質器23では、反応式(1),(2)の他に、不可避的に起こる以下のメタノール分解反応により、微量ではあるが一酸化炭素が生成される。
CH3OH→2H2+CO …(3)
この一酸化炭素は、燃料電池10内のPt触媒を被毒して、発電効率を低下させると共に電池寿命を短くするため、後段に配備されたCO除去器24で除去される。
【0018】
CO除去器24には、ハニカム構造体の表面にPt,Ru系等の触媒がコーティングされてなる選択酸化触媒層が設けられており、改質器23で生成された水素富化ガスが供給されると、以下のCO選択酸化反応により、水素富化ガス中の一酸化炭素が除去される。
2CO+O2→2CO2 …(4)
【0019】
改質器23とCO除去器24の間には、改質器23から出た水素富化ガスを冷却し、CO除去器24内の選択酸化触媒を熱破損から保護する目的で、熱交換器26aが設けられている。同様に、CO除去器24と燃料電池10の間には、CO除去器24から出た水素富化ガスを冷却し、燃料電池10内のPt触媒を熱破損から保護する目的で、熱交換器26bが設置されている。
【0020】
なお、水素供給系に設けられたバルブ51,…、ポンプ55,…は、ECU(Electronic Control Unit)45により制御される。
ECU45は、O2センサ42及び温度センサ43からの出力信号や、停止指令等に基づき、バルブ51,…、ポンプ55,…に制御指令を送り、これらを動作させる。すなわち、ECU45は、燃料供給源として使用する水メタノール混合液タンク27a,27bの切替手段としての機能も有している。
【0021】
[空気供給系]
空気供給系は、PCU61と、駆動モータ62と、スーパーチャージャ63と、インタークーラ64と、フィルタ65a,65bとを主たる構成要素としており、外部から導入した空気を燃料電池10,燃焼器21及び起動用ヒータ25に送る。
PCU61は、主として駆動モータ62の出力を調整するものであり、燃料電池10から送られてくる電力を調整し、これを駆動モータ62に送給する。
【0022】
スーパーチャージャ63は、レゾネータ66を介してフィルタ65aから取り込まれた外部空気を加圧圧縮する。
インタークーラ64は、スーパーチャージャ63による加圧圧縮で上昇した空気の温度を下げるために設けられており、これにより冷却された空気は、インタークーラ64の後段に設けられたフィルタ65bを通って、燃料電池10,燃焼器21及び起動用ヒータ25に送られる。
【0023】
次に、本実施の形態に係る改質器23の停止方法について説明するが、その説明に先立って、定常運転時(通常改質時)の動作例について概説する。
定常運転時においては、バルブ50は開とされており、空気供給系からの空気、すなわち、レゾネータ66,フィルタ65aを介して導入され、スーパーチャージャ63により加圧された後、インタークーラ64により冷却され、更に、フィルタ65bを通った空気は、燃焼器21及びその後段に配備された蒸発器22,改質器23,…へと供給されている。
【0024】
また、バルブ51が閉とされる一方でバルブ52が開とされており、水メタノール混合液タンク27aから蒸発器22に向けて、S/C比が1.5に調整された水メタノール混合液がポンプ56で送給され、これがノズルから蒸発器22内に噴霧されている。
蒸発器22では、燃焼器21からの燃焼ガスにより、水メタノール混合液が気化して水メタノール混合ガスが生成され、これが改質器23へと送られている。
【0025】
改質器23では、水メタノール混合ガスを改質触媒層41に通すことにより、反応式(1),(2)による水素富化ガスの生成が行われている。
改質器23で生成された水素富化ガスは、熱交換器26aを通過する間に、約300℃から約100℃にまで冷却され、CO除去器24へ送られる。
CO除去器24では、水素富化ガスを選択酸化触媒層に通すことにより、反応式(4)による一酸化炭素の除去が行われる。
【0026】
そして、CO除去された水素富化ガスは、熱交換器26bを通過する間に約180℃から約80℃にまで冷却され、燃料電池10へ送られる。
燃料電池10では、この水素供給系から供給された水素富化ガスと、空気供給系から供給された空気とを用いて発電を行う。
燃料電池10からは未反応水素を含むオフガスが排出されるが、該オフガスはオフガス管34を通って燃焼器21に戻され、燃焼用燃料として再利用される。
【0027】
次に、定常運転中の改質器23を停止させる方法について説明する。
この改質器停止方法は、改質器23への空気導入を停止する第1のステップと、改質器23に送る水メタノール混合ガスのS/C比を定常運転時よりも高めに切り替える第2のステップと、改質器23への水メタノール混合ガス導入を停止する第3のステップとからなる。
【0028】
まず初めに行われる第1のステップでは、定常運転時に開であったバルブ50を閉にする。
すると、空気供給系から水素供給系、すなわち、燃焼器21及びその後段に配備された蒸発器22,改質器23,…への空気導入が遮断される。
このとき、改質器23では、水及びメタノールに比して空気の混合比が低下するから、反応式(2)の発熱反応が抑制されつつ、反応式(1)の吸熱反応が進行する。従って、改質触媒層41は効果的に冷却されることになる。
【0029】
次いで行われる第2のステップでは、定常運転時に開であったバルブ52を閉にすると共に、閉であったバルブ51を開にする。
すると、水メタノール混合液タンク27bから蒸発器22に向けて、S/C比=4.6の水メタノール混合液がポンプ55で送給され、蒸発器22で気化生成された水メタノール混合ガスが改質器23へと送られる。
このとき、水メタノール混合ガスのS/C比は、定常運転時(例えば、S/C=1.0〜2.0)よりも高めに切り替えられているから、吸熱反応である反応式(1)の進行が促進され、改質触媒層41は速やかに冷却される。
【0030】
最後に行われる第3のステップでは、改質触媒層41が所定の温度まで冷却できた時点で、第2のステップで開にしたバルブ51を閉にする。
すると、水メタノール混合液タンク27bから蒸発器22への水メタノール混合液供給が遮断され、改質器23への水メタノール混合ガス導入が停止する。
このとき、S/C比が高速反応領域(図2参照)を外した値に設定されているから、熱暴走を引き起こすことなく、穏やかな停止が達成される。
【0031】
(第二の実施の形態)
以下、図3を用いて、本発明の第二の実施の形態について説明するが、図1と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。
本実施の形態は、水素供給系の一部と空気供給系の一部が、第一の実施の形態と相違するだけで、その他の構成については、第一の実施の形態と同様である。
【0032】
水素供給系には、図1のS/C比が4.6に調整された水メタノール混合液タンク27bに代えて、復水器71とS/C調整タンク72とが設けられている。
復水器71は、燃料電池10の反応及び燃焼による生成水を蒸発器22から回収する。
S/C調整タンク72は、水メタノール混合液タンク27aからの水メタノール混合液(S/C比=1.5)と、復水器71からの回収水とにより、起動/停止用の水メタノール混合液(S/C比=4.6以上)を調合する。
【0033】
S/C調整タンク72内のS/C比は、常時、メタノールセンサ73により検出され、ECU45に送られている。
ECU45は、この検出結果に基づき、バルブ75,76の開度を調整する。
なお、S/C調整タンク72による水メタノール混合液の調合後、及び停止時おいて復水器71に回収された余剰水は、捨てられることになる。
【0034】
空気供給系には、蒸発器22への空気供給ライン81が設けられている。
これにより、蒸発器22は、空気供給ライン81を介して供給された空気を加熱するヒータとしての役割も担うことになる。
よって、本実施の形態にあっては、この加熱空気によって改質器23を暖機することができるから、図1に示す起動用ヒータ25は不要となっている。
【0035】
以上の構成においても、改質器23を停止させる際には、通常改質用の水メタノール混合液タンク27aと、起動/停止用のS/C調整タンク72とを切り替えることにより、上記第2のステップにおけるS/C比の切り替えが可能になるから、制御が不安定になり易い改質器23の停止時においても、高速反応領域を外した組成の水メタノール混合ガスを瞬時に供給し得て、改質触媒層41を熱暴走させることなく、穏やか且つ迅速に冷却することが可能となる。
【0036】
(実施例1)
内径20mmの石英製反応管に、Cu/Zn/Al比が1.3/1/0.05のメタノール改質触媒ペレット9.2gを仕込んだテスト装置を用いて、触媒に加熱空気を40ml/minで流し、触媒層を230℃になるまで加熱した。
別途、S/C比を1.5に調整した水メタノール混合液を蒸発器に供給する。
【0037】
蒸発器で生成された水メタノール混合ガスを1.8ml/minで触媒に導入し、オートサーマル方式で改質反応を開始させた。
触媒層が230℃になるように導入空気量を調節し、改質反応を安定させた。
次に、停止操作として、水,メタノール及び空気の供給を同時に停止し、触媒層の温度推移を記録した(図4のプロット◆)。
【0038】
(実施例2)
実施例1と同じテスト装置を用い、実施例1と同様の手順にて改質反応を開始させ、安定化させた。
次に、停止操作として、まず最初に水及びメタノールの供給を停止し、次いで空気の供給を停止し、触媒層の温度推移を記録した(図4のプロット□)。
【0039】
(実施例3)
実施例1と同じテスト装置を用い、実施例1と同様の手順にて改質反応を開始させ、安定化させた。
次に、停止操作として、まず最初に空気の供給を停止し、次いで水及びメタノールの供給を停止し、触媒層の温度推移を記録した(図4のプロット△)。
【0040】
(実施例4;本発明)
実施例1と同じテスト装置を用い、実施例1と同様の手順にて改質反応を開始させ、安定化させた。
次に、停止操作として、まず最初に空気の供給を停止し、次いで継続供給中の水メタノールのS/C比を4.6に切り替え、触媒層の温度推移を記録した(図4のプロット○)。
【0041】
実施例1のように、水,メタノール及び空気の供給を同時に停止して、触媒層を自然冷却させる場合と比較して、実施例2のように、最初に水及びメタノールの供給を停止すると、残存メタノールが異常発熱を起こし、触媒層温度が急激に上昇することが確認された。
これは、触媒層上の空気量が過剰になり、反応式(2)の発熱反応が高速度に進行するからである。
【0042】
これに対し、実施例3のように、最初に空気の供給を停止すると、水メタノールの水蒸気改質反応に伴う吸熱反応により、自然冷却よりも速い触媒層冷却が可能になることが確認された。
これは、反応式(2)の発熱反応が抑制されつつ、反応式(1)の吸熱反応が進行するからである。
【0043】
そして、実施例4のように、空気の供給停止後(又は供給停止と同時)に、水メタノールのS/C比を高速反応領域から外した値に切り替えた場合は、実施例3の場合よりも速い触媒層冷却が可能になることが確認された。
これは、水リッチな燃料供給により、反応式(2)の発熱反応を抑制しつつ、反応式(1)の吸熱反応を更に促進させることができるからである。
【0044】
これら実施例1〜4を比較すれば明らかなように、改質器23を停止するにあたり、まず初めに空気供給を停止し、次いで水メタノールのS/C比を高速反応領域から外した値に切り替え、最後に水メタノール供給を停止した場合には、熱暴走を引き起こすことなく、穏やか且つ速やかに触媒層を冷却し得ることが確認された。
【0045】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
(a)メタノール改質装置の停止時に、まず初めに空気導入を停止し、次いで水/メタノールのモル比を定常運転時よりも高いモル比に切り替え、その後に水及びメタノール導入を停止するものであるから、最初の空気導入の停止により、発熱反応である部分酸化反応を抑制しつつ、吸熱反応である水蒸気改質反応を進行させることができるうえに、次に行う水/メタノールのモル比切り替えにより、この吸熱反応を更に促進することができる。
よって、触媒温度を迅速に低下させ得て、停止時間を短縮することができる。
【0046】
(b)メタノール改質装置の停止時に、水/メタノールのモル比を高速反応領域から外した4.6以上に切り替えてから、水及びメタノール導入を停止するものであるから、熱暴走を引き起こすことなく、穏やかな停止を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第一の実施の形態による電気自動車における燃料電池への燃料供給システム図である。
【図2】 水/メタノール/空気の3種混合相図である。
【図3】 本発明の第二の実施の形態による電気自動車における燃料電池への燃料供給システム図である。
【図4】 テスト装置による触媒温度上昇の推移図である。
【符号の説明】
23 改質器(メタノール改質装置)
41 改質触媒層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for stopping a methanol reformer that generates hydrogen-enriched gas from water and methanol.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, fuel cells have been developed as a driving source for automobiles and other power generation devices aimed at reducing pollution.
As hydrogen as the energy source, compressed hydrogen or liquid hydrogen is simple, but there is a problem in safety and handling, so a safer hydrogen supply device is desired.
Recently, technological development for producing hydrogen-enriched gas by reforming alcohol or hydrocarbon with a catalyst has been actively carried out, and various catalysts and reaction apparatuses have been devised.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, when reforming methanol with high flammability and ignitability with a methanol reformer, especially when using an autothermal system in which a partial oxidation reaction and a steam reforming reaction proceed simultaneously, methanol vapor and air In order to coexist on the high-temperature catalyst, the mixing ratio of water, methanol and air must not be within the range where the reaction proceeds at a high speed (hereinafter referred to as “high-speed reaction region”). It is necessary to strictly manage the amount introduced.
[0004]
Conversely, when the methanol reformer is stopped, the introduction of water, methanol and air is stopped and the catalyst layer is cooled. However, when the autothermal method is used, the amount of air is excessive. In the state, the partial oxidation reaction proceeds, and the catalyst layer may run out of heat.
[0005]
Therefore, it is important to strictly control the mixing ratio of water, methanol, and air so that the mixing ratio of water, methanol, and air does not enter the high-speed reaction region even when the methanol reformer is stopped. In particular, the amount of air should not be excessive. Since it is necessary to stop while suppressing, conventionally, it took a long time to stop.
[0006]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to quickly cool the catalyst layer without causing thermal runaway when the methanol reformer is stopped.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, in the present invention, first, the introduction of air is stopped and only the water and methanol are continuously introduced into the catalyst layer (the reforming catalyst layer 41 in FIG. 1). The catalyst layer temperature is lowered using the endothermic reaction.
The introduction and stop of air may be fast interruption by a shut-off valve, or the introduction amount may be gradually cut off by a control valve or the like.
[0008]
On the other hand, by switching the water / methanol molar ratio continuously introduced after the stop of air introduction to a second molar ratio higher than the first molar ratio (for example, 1.0 to 2.0) during steady operation, Since the methanol steam reforming reaction, which is an endothermic reaction, is promoted, the catalyst layer temperature can be rapidly lowered. When the catalyst layer is cooled to a predetermined temperature, the introduction of water and methanol is stopped. If the water / methanol molar ratio is removed from the high-speed reaction region prior to stopping the fuel introduction, a gentle stop can be achieved without causing thermal runaway.
[0009]
The inventor found that the water / methanol molar ratio (hereinafter referred to as “S / C ratio”) is 4.6 (= 82 mol% / 18 mol%) from the three-phase mixed phase diagram of water, methanol and air in FIG. ) As described above, it has been found that if the mixing ratio of water, methanol and air is controlled, a gentle stop can be achieved without causing a high-speed reaction. In this figure, the hatched portion indicates the fast reaction region.
Therefore, in order to realize a gentle stop, it is preferable to stop the introduction of water and methanol after switching the S / C ratio to 4.6 or more.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a fuel supply system diagram for a fuel cell in an electric vehicle. Reference numeral 10 denotes a fuel cell.
The fuel cell 10 generates power using hydrogen and oxygen in the air as fuel.
Hereinafter, a hydrogen supply system and an air supply system for the fuel cell 10 will be described.
[0011]
[Hydrogen supply system]
The hydrogen supply system includes a combustor 21, an evaporator 22, a reformer (methanol reformer) 23, a CO remover 24, a starter heater 25, heat exchangers 26 a and 26 b, and a water methanol mixture. The liquid tanks 27a and 27b and the methanol tank 28 are the main components.
[0012]
The combustor 21 includes an electric heater 31 as an ignition source, a combustion catalyst 32 for maintaining the combustion state, and a temperature sensor 33 for detecting the internal temperature. Methanol and air from the air supply system are combusted to generate combustion gas used for warming up the evaporator 22 and vaporizing the water-methanol mixture supplied to the evaporator 22.
[0013]
Further, the combustor 21 is used for burning off-gas containing hydrogen-enriched gas generated by the reformer 23 from start-up to steady operation and unreacted hydrogen discharged from the fuel cell 10 during steady operation. An off-gas pipe 34 for reuse as fuel is connected.
[0014]
The evaporator 22 is a mixture of aqueous methanol supplied from an aqueous methanol mixed liquid tank 27a whose S / C ratio is adjusted to 1.5 or an aqueous methanol mixed liquid tank 27b whose S / C ratio is adjusted to 4.6. The liquid is sprayed from the nozzle, and this is vaporized by the combustion gas supplied from the combustor 21 to produce a water-methanol mixed gas.
Further, the evaporator 22 is provided with a temperature sensor 36 for detecting the internal temperature.
[0015]
The reformer 23 is provided with a reforming catalyst layer 41 in which the surface of the honeycomb structure is coated with a catalyst such as Ni, Ru, Rh, or Cu—Zn, and is mixed with water / methanol from the evaporator 22. The gas is passed through the reforming catalyst layer 41 to generate a hydrogen-enriched gas.
An O 2 sensor 42 is provided at the inlet portion of the reforming catalyst layer 41, and a temperature sensor 43 is provided inside the reforming catalyst layer 41.
[0016]
In the reformer 23, the following autothermal reforming reaction is performed.
CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 (1)
CH 3 OH + 2O 2 → 2H 2 O + CO 2 (2)
Reaction formula (1) is a steam reforming reaction with methanol and water, and this reaction generates hydrogen as a target product.
On the other hand, the reaction formula (2) is a partial oxidation reaction of methanol, and the amount of heat necessary for the reaction formula (1) which is an endothermic reaction is replenished by the oxidation heat at the time of this oxidation reaction.
[0017]
In the reformer 23, in addition to the reaction formulas (1) and (2), a small amount of carbon monoxide is generated by the following unavoidable methanol decomposition reaction.
CH 3 OH → 2H 2 + CO (3)
The carbon monoxide is removed by a CO remover 24 provided at a later stage in order to poison the Pt catalyst in the fuel cell 10 to lower the power generation efficiency and shorten the battery life.
[0018]
The CO remover 24 is provided with a selective oxidation catalyst layer formed by coating the surface of the honeycomb structure with a catalyst such as Pt or Ru, and supplied with the hydrogen-enriched gas generated by the reformer 23. Then, carbon monoxide in the hydrogen-enriched gas is removed by the following CO selective oxidation reaction.
2CO + O 2 → 2CO 2 (4)
[0019]
A heat exchanger is provided between the reformer 23 and the CO remover 24 for the purpose of cooling the hydrogen-enriched gas from the reformer 23 and protecting the selective oxidation catalyst in the CO remover 24 from thermal damage. 26a is provided. Similarly, a heat exchanger is provided between the CO remover 24 and the fuel cell 10 for the purpose of cooling the hydrogen-enriched gas discharged from the CO remover 24 and protecting the Pt catalyst in the fuel cell 10 from thermal damage. 26b is installed.
[0020]
The valves 51,..., The pumps 55,... Provided in the hydrogen supply system are controlled by an ECU (Electronic Control Unit) 45.
The ECU 45 sends control commands to the valves 51,..., Pumps 55,... Based on output signals from the O2 sensor 42 and the temperature sensor 43, a stop command, etc., and operates them. That is, the ECU 45 also has a function as switching means for the water / methanol mixed liquid tanks 27a and 27b used as the fuel supply source.
[0021]
[Air supply system]
The air supply system mainly includes a PCU 61, a drive motor 62, a supercharger 63, an intercooler 64, and filters 65a and 65b. The air introduced from the outside is the fuel cell 10, the combustor 21, and the starter. To the heater 25.
The PCU 61 mainly adjusts the output of the drive motor 62, adjusts the electric power sent from the fuel cell 10, and supplies this to the drive motor 62.
[0022]
The supercharger 63 compresses and compresses external air taken in from the filter 65 a via the resonator 66.
The intercooler 64 is provided in order to lower the temperature of the air that has risen due to the pressure compression by the supercharger 63, and the air cooled thereby passes through the filter 65b provided in the subsequent stage of the intercooler 64, It is sent to the fuel cell 10, the combustor 21, and the starting heater 25.
[0023]
Next, a method for stopping the reformer 23 according to the present embodiment will be described. Prior to the description, an example of operation during steady operation (during normal reforming) will be outlined.
During steady operation, the valve 50 is open, introduced from the air supply system, that is, through the resonator 66 and the filter 65a, pressurized by the supercharger 63, and then cooled by the intercooler 64. Further, the air that has passed through the filter 65b is supplied to the combustor 21 and the evaporator 22, the reformer 23,.
[0024]
Further, the valve 51 is closed while the valve 52 is opened, and the water / methanol mixed solution in which the S / C ratio is adjusted to 1.5 from the water / methanol mixed solution tank 27 a toward the evaporator 22. Is fed by a pump 56, which is sprayed into the evaporator 22 from a nozzle.
In the evaporator 22, the water methanol mixed liquid is vaporized by the combustion gas from the combustor 21 to generate a water methanol mixed gas, which is sent to the reformer 23.
[0025]
In the reformer 23, the hydrogen-enriched gas is generated by the reaction formulas (1) and (2) by passing the water-methanol mixed gas through the reforming catalyst layer 41.
The hydrogen-enriched gas produced in the reformer 23 is cooled from about 300 ° C. to about 100 ° C. while passing through the heat exchanger 26 a and sent to the CO remover 24.
In the CO remover 24, carbon monoxide is removed by the reaction formula (4) by passing the hydrogen-enriched gas through the selective oxidation catalyst layer.
[0026]
Then, the hydrogen-enriched gas from which CO has been removed is cooled from about 180 ° C. to about 80 ° C. while passing through the heat exchanger 26 b and is sent to the fuel cell 10.
The fuel cell 10 generates power using the hydrogen-enriched gas supplied from the hydrogen supply system and the air supplied from the air supply system.
Off-gas containing unreacted hydrogen is discharged from the fuel cell 10, and the off-gas is returned to the combustor 21 through the off-gas pipe 34 and reused as combustion fuel.
[0027]
Next, a method for stopping the reformer 23 during steady operation will be described.
This reformer stopping method includes a first step of stopping the introduction of air into the reformer 23, and a step of switching the S / C ratio of the water-methanol mixed gas sent to the reformer 23 to be higher than that in the steady operation. And a third step for stopping the introduction of the water-methanol mixed gas into the reformer 23.
[0028]
First, in the first step performed, the valve 50 that was open during the steady operation is closed.
Then, air introduction from the air supply system to the hydrogen supply system, that is, the combustor 21 and the evaporator 22, the reformer 23,.
At this time, in the reformer 23, since the mixing ratio of air is lower than that of water and methanol, the endothermic reaction of the reaction formula (1) proceeds while the exothermic reaction of the reaction formula (2) is suppressed. Therefore, the reforming catalyst layer 41 is effectively cooled.
[0029]
Next, in the second step to be performed, the valve 52 that was open during the steady operation is closed and the valve 51 that was closed is opened.
Then, an aqueous methanol mixed liquid having an S / C ratio = 4.6 is fed from the aqueous methanol mixed liquid tank 27 b to the evaporator 22 by the pump 55, and the aqueous methanol mixed gas vaporized and generated by the evaporator 22 is supplied. It is sent to the reformer 23.
At this time, since the S / C ratio of the water-methanol mixed gas is switched higher than that during steady operation (for example, S / C = 1.0 to 2.0), the reaction formula (1 ) Is promoted, and the reforming catalyst layer 41 is quickly cooled.
[0030]
In the third step that is performed last, when the reforming catalyst layer 41 can be cooled to a predetermined temperature, the valve 51 opened in the second step is closed.
Then, the supply of the aqueous methanol mixture from the aqueous methanol mixture tank 27b to the evaporator 22 is interrupted, and the introduction of the aqueous methanol mixture gas to the reformer 23 is stopped.
At this time, since the S / C ratio is set to a value excluding the high-speed reaction region (see FIG. 2), a gentle stop is achieved without causing thermal runaway.
[0031]
(Second embodiment)
Hereinafter, the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3, but the same components as those in FIG.
In this embodiment, a part of the hydrogen supply system and a part of the air supply system are different from those of the first embodiment, and other configurations are the same as those of the first embodiment.
[0032]
The hydrogen supply system is provided with a condenser 71 and an S / C adjustment tank 72 in place of the water / methanol mixture tank 27b whose S / C ratio is adjusted to 4.6 in FIG.
The condenser 71 collects water generated by the reaction and combustion of the fuel cell 10 from the evaporator 22.
The S / C adjustment tank 72 is a water methanol for starting / stopping using a water methanol mixed liquid (S / C ratio = 1.5) from the water methanol mixed liquid tank 27a and recovered water from the condenser 71. A mixed solution (S / C ratio = 4.6 or more) is prepared.
[0033]
The S / C ratio in the S / C adjustment tank 72 is always detected by the methanol sensor 73 and sent to the ECU 45.
The ECU 45 adjusts the opening degree of the valves 75 and 76 based on the detection result.
It should be noted that surplus water collected in the condenser 71 after the preparation of the aqueous methanol mixed solution by the S / C adjustment tank 72 and at the time of stopping is discarded.
[0034]
An air supply line 81 to the evaporator 22 is provided in the air supply system.
Thereby, the evaporator 22 also serves as a heater for heating the air supplied via the air supply line 81.
Therefore, in this embodiment, since the reformer 23 can be warmed up by this heated air, the activation heater 25 shown in FIG. 1 is unnecessary.
[0035]
Even in the above configuration, when the reformer 23 is stopped, the second methanol water tank 27a for normal reforming and the S / C adjustment tank 72 for starting / stopping are switched to switch the second. Since the S / C ratio can be switched in this step, even when the reformer 23 is likely to be unstable, the water / methanol mixed gas having the composition excluding the high-speed reaction region can be instantaneously supplied. Thus, the reforming catalyst layer 41 can be cooled gently and quickly without causing thermal runaway.
[0036]
Example 1
Using a test apparatus in which 9.2 g of methanol reforming catalyst pellets having a Cu / Zn / Al ratio of 1.3 / 1 / 0.05 were charged in a quartz reaction tube having an inner diameter of 20 mm, heated air was supplied to the catalyst at 40 ml / The catalyst layer was heated to 230 ° C.
Separately, a water-methanol mixed solution having an S / C ratio adjusted to 1.5 is supplied to the evaporator.
[0037]
The water-methanol mixed gas produced by the evaporator was introduced into the catalyst at 1.8 ml / min, and the reforming reaction was started by the autothermal method.
The amount of introduced air was adjusted so that the catalyst layer was 230 ° C., and the reforming reaction was stabilized.
Next, as a stop operation, the supply of water, methanol and air was stopped simultaneously, and the temperature transition of the catalyst layer was recorded (plot ♦ in FIG. 4).
[0038]
(Example 2)
Using the same test apparatus as in Example 1, the reforming reaction was started and stabilized in the same procedure as in Example 1.
Next, as a stop operation, the supply of water and methanol was first stopped, then the supply of air was stopped, and the temperature transition of the catalyst layer was recorded (plot □ in FIG. 4).
[0039]
(Example 3)
Using the same test apparatus as in Example 1, the reforming reaction was started and stabilized in the same procedure as in Example 1.
Next, as a stop operation, the supply of air was first stopped, then the supply of water and methanol was stopped, and the temperature transition of the catalyst layer was recorded (plot Δ in FIG. 4).
[0040]
(Example 4; the present invention)
Using the same test apparatus as in Example 1, the reforming reaction was started and stabilized in the same procedure as in Example 1.
Next, as a stop operation, first, the supply of air was stopped, and then the S / C ratio of water methanol being continuously supplied was switched to 4.6, and the temperature transition of the catalyst layer was recorded (plot ○ in FIG. 4). ).
[0041]
Compared with the case where the supply of water, methanol and air is stopped simultaneously as in Example 1 and the catalyst layer is naturally cooled, as in Example 2, when the supply of water and methanol is first stopped, It was confirmed that the residual methanol caused abnormal heat generation and the catalyst layer temperature rapidly increased.
This is because the amount of air on the catalyst layer becomes excessive and the exothermic reaction of the reaction formula (2) proceeds at a high speed.
[0042]
On the other hand, as in Example 3, when the supply of air was first stopped, it was confirmed that the catalyst layer could be cooled faster than natural cooling by the endothermic reaction accompanying the steam reforming reaction of water methanol. .
This is because the endothermic reaction of the reaction formula (1) proceeds while the exothermic reaction of the reaction formula (2) is suppressed.
[0043]
Then, as in Example 4, after the supply of air is stopped (or at the same time as the supply is stopped), the S / C ratio of water methanol is switched to a value that is excluded from the high-speed reaction region, compared to the case of Example 3. It was confirmed that the catalyst layer can be cooled quickly.
This is because the endothermic reaction of the reaction formula (1) can be further promoted while the exothermic reaction of the reaction formula (2) is suppressed by supplying water-rich fuel.
[0044]
As is clear from comparison between Examples 1 to 4, when the reformer 23 is stopped, the air supply is first stopped, and then the S / C ratio of water methanol is removed from the high-speed reaction region. It was confirmed that the catalyst layer could be cooled gently and quickly without causing thermal runaway when the water methanol supply was stopped after switching.
[0045]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the present invention, the following effects can be obtained.
(A) When the methanol reformer is stopped, the introduction of air is first stopped, then the water / methanol molar ratio is switched to a higher molar ratio than during steady operation, and then the introduction of water and methanol is stopped. Therefore, by stopping the first air introduction, the partial oxidation reaction, which is an exothermic reaction, can be suppressed and the steam reforming reaction, which is an endothermic reaction, can proceed. Thus, this endothermic reaction can be further promoted.
Therefore, the catalyst temperature can be lowered quickly, and the stop time can be shortened.
[0046]
(B) When the methanol reformer is stopped, the water / methanol molar ratio is switched to 4.6 or more, which is excluded from the high-speed reaction region, and then water and methanol introduction is stopped, which causes thermal runaway. A calm stop can be realized.
[Brief description of the drawings]
1 is a fuel supply system diagram for a fuel cell in an electric vehicle according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a mixed phase diagram of water / methanol / air.
FIG. 3 is a fuel supply system diagram to a fuel cell in an electric vehicle according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a transition diagram of catalyst temperature rise by a test apparatus.
[Explanation of symbols]
23 Reformer (Methanol reformer)
41 reforming catalyst layer

Claims (1)

水,メタノール及び空気の混合ガスを触媒上で反応させて水素富化ガスを発生させるメタノール改質装置の停止方法であって、
まず初めに空気導入を停止し、次いで水/メタノールのモル比を4.6以上に切り替え、その後に水及びメタノール導入を停止することを特徴とするメタノール改質装置の停止方法。
A method for stopping a methanol reformer that generates a hydrogen-enriched gas by reacting a mixed gas of water, methanol and air on a catalyst,
A method for stopping a methanol reformer characterized by first stopping air introduction, then switching the water / methanol molar ratio to 4.6 or more, and then stopping the introduction of water and methanol.
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