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JP5283330B2 - Operation method of hydrogen generator and hydrogen generator - Google Patents
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Description

本発明は、天然ガス、液化石油ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、メタノール等の炭化水素系物質と水とを原料として燃料電池等の水素利用機器に利用される水素を製造する水素発生装置の運転方法及び水素発生装置に関するものである。   The present invention relates to an operation of a hydrogen generator for producing hydrogen to be used in a hydrogen-using device such as a fuel cell using water and a hydrocarbon-based material such as natural gas, liquefied petroleum gas, gasoline, naphtha, kerosene, and methanol. The present invention relates to a method and a hydrogen generator.

化石燃料に代替するエネルギー源の有力候補の一つとして水素が注目されているが、その有効利用のためには水素パイプライン等の社会インフラの整備が必要とされている。その一つの方法として、天然ガス、その他化石燃料、アルコール等現状既に構築されている運送、搬送等のインフラを利用し、水素を必要とする場所でそれら燃料を改質して水素を発生させる方法が検討されている。例えば中小規模でのオンサイト発電装置としての燃料電池のための天然ガス(都市ガス)改質技術、自動車の動力源用の燃料電池のためのメタノール改質技術等が、様々な形で提案されている。それらの原料を改質して水素を発生させるためには高温での触媒反応が用いられ、代表的な方法として部分酸化法、水蒸気改質法、両者を併用したオートサーマル法と呼ばれる方法がある。   Hydrogen is attracting attention as one of the promising energy sources to replace fossil fuels, but social infrastructure such as hydrogen pipelines is required for its effective use. One method is to use natural gas, other fossil fuels, alcohol, and other infrastructure that has already been built, such as transportation and transportation, and reform these fuels where hydrogen is needed to generate hydrogen. Is being considered. For example, natural gas (city gas) reforming technology for fuel cells as small-scale on-site power generation devices, methanol reforming technology for fuel cells for automobile power sources, etc. have been proposed in various forms. ing. Catalytic reactions at high temperatures are used to reform these raw materials to generate hydrogen, and typical methods include a partial oxidation method, a steam reforming method, and a method called autothermal method using both in combination. .

しかし、改質反応は高温で進行するため、生成物である水素と共にその反応平衡から複生成物として一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2)が生成する。生成した水素を燃料電池で利用するとき、特に高分子型燃料電池においては、副生成物であるCOは燃料電池の電極を被毒してその性能を著しく劣化させるため、CO濃度を極力低濃度にしておく必要がある。そのため、改質反応部の下流側に、変成反応部、CO除去部を付加して、CO濃度を数十ppmまで低下させる方法を採用するのが一般的である。このとき、改質反応部にはルテニウムやニッケル系の改質触媒が採用され、変成反応部には殆どの場合銅系の金属触媒が反応活性が優れているために採用され、またCO除去部には貴金属系触媒が採用されている。この一連の反応系で、改質反応部で生成される約10%程度の濃度のCOは変成反応部で1%以下まで低減され、更にCO除去部で数十ppmまで低減され、燃料電池等に供給されることとなる(特許文献1等参照)。 However, since the reforming reaction proceeds at a high temperature, carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 ) are generated as a double product from the reaction equilibrium together with hydrogen as a product. When using the produced hydrogen in fuel cells, especially in polymer fuel cells, CO, which is a by-product, poisons the electrodes of the fuel cell and significantly degrades its performance, so the CO concentration is kept as low as possible. It is necessary to keep it. Therefore, it is common to employ a method of adding a shift reaction section and a CO removal section downstream of the reforming reaction section to reduce the CO concentration to several tens of ppm. At this time, the reforming reaction section employs a ruthenium or nickel-based reforming catalyst, and in most cases, the shift reaction section employs a copper-based metal catalyst because of its excellent reaction activity, and the CO removal section. A precious metal catalyst is used for the. In this series of reaction systems, about 10% concentration of CO produced in the reforming reaction section is reduced to 1% or less in the shift reaction section, and further reduced to several tens of ppm in the CO removal section. (Refer to Patent Document 1 etc.).

このように、燃料電池、特に高分子型燃料電池に水素を供給するための水素発生装置は、改質反応、変成反応、CO除去反応を経由するのが一般的であり、これらの反応のための触媒として、改質反応用にはニッケル等のベースメタル或いはルテニウム等の貴金属等が、変成反応用には銅系のベースメタルが、CO除去部には白金やルテニウム等の貴金属が用いられていた。このとき、上記触媒中のベースメタル類は還元された(金属)状態で触媒として高活性が得られるものであるが、酸化されるとその活性が失われ、一度酸化されると次に還元操作を加えても元の活性を取り戻しにくいものであった。また、当然、度重なる酸化/還元の繰り返しの過程において活性を維持することは困難であった。   As described above, a hydrogen generator for supplying hydrogen to a fuel cell, particularly a polymer fuel cell, generally passes through a reforming reaction, a shift reaction, and a CO removal reaction. As a catalyst, a base metal such as nickel or a noble metal such as ruthenium is used for the reforming reaction, a copper base metal is used for the metamorphic reaction, and a noble metal such as platinum or ruthenium is used for the CO removal part. It was. At this time, the base metals in the above catalyst are those that are highly active as a catalyst in the reduced (metal) state. However, when oxidized, the activity is lost, and once oxidized, the reduction operation is performed next. It was difficult to recover the original activity even if added. Of course, it was difficult to maintain the activity in the repeated process of repeated oxidation / reduction.

また、特に変成反応部で使用される銅系触媒は、改質反応部やCO除去部で使用される金属触媒と比較すると容易に空気や水蒸気により酸化され、またこの触媒上への水の凝集、蒸発の繰り返しにより物理的に破壊されやすいという問題点があった。   In particular, the copper-based catalyst used in the shift reaction section is easily oxidized by air or water vapor as compared with the metal catalyst used in the reforming reaction section or the CO removal section, and water is condensed on the catalyst. There is a problem that it is easily destroyed physically by repeated evaporation.

そのため、上記反応系は運転中に常時還元状態に維持しておく必要があると同時に、運転停止状態、ヒートアップ時、クールダウン時には窒素等の不活性ガスを充填するか或いは流通させて上記触媒の酸化を防止する必要があるという問題点があった。この操作は、専門の運転者が管理できる状況においては、水素発生装置の傍らに窒素ボンベ等を準備しておくと解決できるものであるが、例えば家庭用機器や自動車等に適用する場合には、窒素等の高圧ボンベを配置することが困難であり、将来の家庭用機器や自動車等、小型分散型の装置への適用して一つの大きな問題点となっていた。また、特に運転状態から運転停止状態に移行すると、内部の気体が収縮するため、大気との隔離が不十分であると空気が混入して触媒が酸化されその活性が低下し、また、大気と十分隔離して空気の混入を防ぐためには圧力差にうち勝つ圧力容器に準じる構造を必要とするという問題点があった。
特開2002−293506号公報
Therefore, it is necessary to keep the reaction system always in a reduced state during operation, and at the same time, the catalyst is filled with an inert gas such as nitrogen or is circulated when the operation is stopped, during heat-up, or during cool-down. There is a problem that it is necessary to prevent the oxidation of the. This operation can be solved by preparing a nitrogen cylinder or the like beside the hydrogen generator in a situation that can be managed by a specialized driver, but for example, when applied to household equipment or automobiles, etc. However, it is difficult to arrange a high-pressure cylinder such as nitrogen, which has been a major problem when applied to small-scale distributed devices such as household appliances and automobiles in the future. In particular, when the operation state is shifted to the operation stop state, the internal gas contracts, and if the separation from the atmosphere is insufficient, the air is mixed in and the catalyst is oxidized to reduce its activity. There is a problem that a structure similar to a pressure vessel that overcomes the pressure difference is required in order to sufficiently isolate and prevent air contamination.
JP 2002-293506 A

本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、水素発生装置の起動時等にパージガスとして窒素ガス等の不活性ガスを使用することなく、改質反応部や変成反応部における触媒の活性を維持することができ、操作性及び利便性に優れる水素発生装置の運転方法及び水素発生装置を提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above points, and without using an inert gas such as nitrogen gas as a purge gas when the hydrogen generator is started up, the catalyst in the reforming reaction section or the shift reaction section is used. An object of the present invention is to provide a method of operating a hydrogen generator and a hydrogen generator that can maintain activity and are excellent in operability and convenience.

本発明に係る水素発生装置の運転方法は、少なくともNi又はRuを含む改質触媒を備え、原燃料ガスと水蒸気とから水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質反応部1と、前記改質ガス中に含まれるCOガスを水性シフト反応により低減させる変成反応部2と、前記改質反応部1及び前記変成反応部2を加熱する加熱部4,10を具備する水素発生装置の運転方法であって、水素発生装置の運転を停止した状態から前記改質反応部1及び前記変成反応部2をそれぞれ所定の反応温度T4,T5まで昇温する立上げ過程と、前記改質反応部1及び変成反応部2をそれぞれ前記反応温度T4,T5に維持した状態で前記改質反応部1に原燃料ガスと水蒸気とを含む混合ガスを供給する通常運転過程とを含み、前記立上げ過程において、前記変成反応部2の温度が、変成反応部2に原燃料ガスと水蒸気とを含む混合ガスを流通させた場合の変成反応部2における露点である第一露点T1以下である状態では、前記改質反応部1の温度を、この改質反応部1に原燃料を流通させた場合に改質触媒の表面における炭素の析出が開始される温度である炭素析出温度T3未満に維持すると共に改質反応部1に水蒸気を供給することなく原燃料ガスを供給し、前記改質反応部1の温度が炭素析出温度T3以上となった後、改質反応部1と変成反応部2の温度をそれぞれ所定の反応温度T4,T5まで昇温する間は、前記改質反応部1に原燃料ガスと水蒸気との混合ガスを供給することを特徴とする。   A method for operating a hydrogen generator according to the present invention includes a reforming reaction section 1 that includes a reforming catalyst containing at least Ni or Ru, and generates a reformed gas containing hydrogen from a raw fuel gas and steam by a steam reforming reaction. And a shift reaction section 2 for reducing CO gas contained in the reformed gas by an aqueous shift reaction, and heating sections 4 and 10 for heating the reform reaction section 1 and the shift reaction section 2. An operation method of the apparatus, wherein the reforming reaction section 1 and the shift reaction section 2 are heated up to predetermined reaction temperatures T4 and T5 from the state where the operation of the hydrogen generator is stopped, respectively, A normal operation process in which a mixed gas containing raw fuel gas and water vapor is supplied to the reforming reaction section 1 with the quality reaction section 1 and the shift reaction section 2 maintained at the reaction temperatures T4 and T5, respectively. During the startup process In the state where the temperature of the shift reaction unit 2 is equal to or lower than the first dew point T1, which is the dew point in the shift reaction unit 2 when the mixed gas containing raw fuel gas and water vapor is circulated through the shift reaction unit 2. While maintaining the temperature of the reforming reaction section 1 below the carbon deposition temperature T3, which is the temperature at which carbon deposition on the surface of the reforming catalyst starts when the raw fuel is passed through the reforming reaction section 1. After the raw fuel gas is supplied to the reforming reaction section 1 without supplying water vapor, and the temperature of the reforming reaction section 1 becomes equal to or higher than the carbon deposition temperature T3, the temperatures of the reforming reaction section 1 and the shift reaction section 2 While the temperature of each is raised to a predetermined reaction temperature T4, T5, a mixed gas of raw fuel gas and water vapor is supplied to the reforming reaction section 1.

これにより、立上げ過程では、変成反応部2の温度が第一露点T1に達するまでは改質反応部1には水蒸気は供給されずに原燃料のみがパージガスとして供給され、変成反応部2の温度が第一露点T1に達していない状態では変成反応部2には水蒸気が流通せず原燃料のみが流通することとなり、変成反応部2のシフト触媒の表面には水滴が付着することがなくなる。また、改質反応部1に水蒸気を供給せずに原燃料を供給している間は、改質反応部1の温度は炭素析出温度T3未満であるため、改質反応部1内では原燃料の分解による改質触媒表面の炭素の析出は生じることがない。また、改質反応部1の温度が炭素析出温度T3以上となった場合には、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質反応部1に供給しても水蒸気改質反応が進行することとなって改質触媒の表面には炭素の析出は生じず、しかもこの水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成することができる。
また、前記第一露点は62〜93℃の範囲内となるように水素発生装置を設計することが好ましい。
Thus, in the start-up process, until the temperature of the shift reaction unit 2 reaches the first dew point T1, steam is not supplied to the reforming reaction unit 1, but only raw fuel is supplied as a purge gas. When the temperature does not reach the first dew point T1, water vapor does not flow through the shift reaction section 2 and only the raw fuel flows, and water droplets do not adhere to the surface of the shift catalyst in the shift reaction section 2. . Further, while the raw fuel is supplied to the reforming reaction unit 1 without supplying water vapor, the temperature of the reforming reaction unit 1 is lower than the carbon deposition temperature T3. No carbon deposition on the surface of the reforming catalyst due to decomposition of. Further, when the temperature of the reforming reaction unit 1 becomes equal to or higher than the carbon deposition temperature T3, the steam reforming reaction proceeds even if a mixed gas of raw fuel and steam is supplied to the reforming reaction unit 1. Thus, no carbon deposition occurs on the surface of the reforming catalyst, and a reformed gas containing hydrogen can be generated by this steam reforming reaction.
In addition, it is preferable to design the hydrogen generator so that the first dew point is in the range of 62 to 93 ° C.

前記立上げ過程においては、前記変成反応部2の温度が第一露点T1に達する前に、前記改質反応部1の温度が、改質反応部1に原燃料ガスと水蒸気とを含む混合ガスを流通させた場合の改質反応部1における露点である第二露点T2に達する場合、前記変成反応部2の温度が第一露点T1を超えた後、改質反応部1の温度が炭素析出温度T3未満の状態では、前記改質反応部1に原燃料と水蒸気のうち少なくとも一方を供給することが好ましい。この場合、変成反応部2の温度が第一露点T1以下であることと、改質反応部1の温度が第二露点T2以下であることの、いずれか一方が満たされていれば、改質反応部1に水蒸気が供給されることなく原燃料が供給されることとなり、改質反応部1の温度が第二露点T2に達していない状態では、改質反応部1には水蒸気が流通せず、原燃料のみが流通し、改質触媒の表面にも水滴が付着することがなくなる。また、変成反応部2の温度が第一露点T1を超えた後、改質反応部1の温度が炭素析出温度T3未満の状態では、原燃料のみ、水蒸気のみ、両者の混合ガスのいずれを改質反応部1に供給しても、改質触媒及びシフト触媒の表面には水滴の付着は生じず、また改質触媒の表面に炭素が析出することもない。   In the start-up process, the temperature of the reforming reaction section 1 is a mixed gas containing raw fuel gas and water vapor in the reforming reaction section 1 before the temperature of the shift reaction section 2 reaches the first dew point T1. When the temperature reaches the second dew point T2, which is the dew point in the reforming reaction unit 1 when the gas is circulated, after the temperature of the shift reaction unit 2 exceeds the first dew point T1, the temperature of the reforming reaction unit 1 is carbon deposited. In a state below the temperature T3, it is preferable to supply at least one of raw fuel and water vapor to the reforming reaction section 1. In this case, if either one of the temperature of the shift reaction unit 2 is equal to or lower than the first dew point T1 and the temperature of the reforming reaction unit 1 is equal to or lower than the second dew point T2, the reforming is performed. The raw fuel is supplied without supplying steam to the reaction unit 1, and when the temperature of the reforming reaction unit 1 does not reach the second dew point T <b> 2, steam flows through the reforming reaction unit 1. In other words, only the raw fuel flows and water drops do not adhere to the surface of the reforming catalyst. Further, after the temperature of the shift reaction section 2 exceeds the first dew point T1, when the temperature of the reforming reaction section 1 is lower than the carbon deposition temperature T3, either the raw fuel alone, the steam alone, or the mixed gas of both is modified. Even if it is supplied to the quality reaction unit 1, water droplets do not adhere to the surfaces of the reforming catalyst and shift catalyst, and carbon does not deposit on the surface of the reforming catalyst.

また、このとき前記変成反応部2の温度が第一露点T1に達する以前に前記改質反応部2の温度が炭素析出温度T3未満の所定温度に達する場合は、前記変成反応部2の温度が第一露点T1に達するまで加熱部4を断続的に作動して改質反応部1の温度を炭素析出温度T3未満の温度に維持することが好ましい。このように変成反応部2の温度が第一露点T1に達する以前での改質反応部1の温度上昇を抑制することで、変成反応部2の温度が第一露点T1に達する以前で改質反応部1に水蒸気を供給せずに原燃料を供給されている状態では改質反応部1の温度が炭素析出温度T3に達することを防ぎ、このときの改質触媒の表面での炭素の析出を確実に防止することができる。   At this time, when the temperature of the reforming reaction unit 2 reaches a predetermined temperature lower than the carbon deposition temperature T3 before the temperature of the shift reaction unit 2 reaches the first dew point T1, the temperature of the shift reaction unit 2 is It is preferable to operate the heating unit 4 intermittently until the first dew point T1 is reached to maintain the temperature of the reforming reaction unit 1 at a temperature lower than the carbon deposition temperature T3. In this way, by suppressing the temperature rise of the reforming reaction unit 1 before the temperature of the shift reaction unit 2 reaches the first dew point T1, reforming is performed before the temperature of the shift reaction unit 2 reaches the first dew point T1. In the state where the raw fuel is supplied to the reaction unit 1 without supplying water vapor, the temperature of the reforming reaction unit 1 is prevented from reaching the carbon deposition temperature T3, and carbon is deposited on the surface of the reforming catalyst at this time. Can be reliably prevented.

また、前記立上げ過程においては、前記変成反応部2の温度が第一露点T1に達した後、前記改質反応部1の温度が、改質反応部1に原燃料ガスと水蒸気とを含む混合ガスを流通させた場合の改質反応部1における露点である第二露点T2に達する場合、前記変成反応部2の温度が第一露点T1を超えた後、前記改質反応部1の温度が第二露点T2以下の状態では、前記改質反応部1に水蒸気を供給することなく原燃料ガスを供給し、前記改質反応部1の温度が第二露点T2を超えた後、改質反応部1の温度が炭素析出温度T3未満の状態では、前記改質反応部1に原燃料と水蒸気のうち少なくとも一方を供給することが好ましい。この場合も、変成反応部2の温度が第一露点T1以下であることと、改質反応部1の温度が第二露点T2以下であることの、いずれか一方が満たされていれば、改質反応部1に水蒸気が供給されることなく原燃料が供給されることとなり、改質反応部1の温度が第二露点T2に達していない状態では、改質反応部1には水蒸気が流通せず、原燃料のみが流通し、改質触媒の表面にも水滴が付着することがなくなる。また、改質反応部1の温度が第二露点T2を超えた後、改質反応部1の温度が炭素析出温度T3未満の状態では、原燃料のみ、水蒸気のみ、両者の混合ガスのいずれを改質反応部1に供給しても、改質触媒及びシフト触媒の表面には水滴の付着は生じず、また改質触媒の表面に炭素が析出することもない。   Further, in the start-up process, after the temperature of the shift reaction section 2 reaches the first dew point T1, the temperature of the reforming reaction section 1 includes raw fuel gas and water vapor in the reforming reaction section 1. When reaching the second dew point T2, which is the dew point in the reforming reaction unit 1 when the mixed gas is circulated, the temperature of the reforming reaction unit 1 is increased after the temperature of the shift reaction unit 2 exceeds the first dew point T1. In the state where the dew point is less than or equal to the second dew point T2, the raw fuel gas is supplied without supplying steam to the reforming reaction unit 1, and after the temperature of the reforming reaction unit 1 exceeds the second dew point T2, reforming is performed. In a state where the temperature of the reaction unit 1 is lower than the carbon deposition temperature T3, it is preferable to supply at least one of raw fuel and steam to the reforming reaction unit 1. In this case as well, if either one of the temperature of the shift reaction section 2 is equal to or lower than the first dew point T1 and the temperature of the reforming reaction section 1 is equal to or lower than the second dew point T2, the reform is performed. The raw fuel is supplied without supplying water vapor to the quality reaction unit 1, and in a state where the temperature of the reforming reaction unit 1 has not reached the second dew point T <b> 2, steam flows through the reforming reaction unit 1. In this case, only the raw fuel is circulated, and no water droplets adhere to the surface of the reforming catalyst. In addition, after the temperature of the reforming reaction section 1 exceeds the second dew point T2, when the temperature of the reforming reaction section 1 is lower than the carbon deposition temperature T3, only the raw fuel, only the steam, or the mixed gas of both are used. Even if it is supplied to the reforming reaction section 1, water droplets do not adhere to the surfaces of the reforming catalyst and shift catalyst, and carbon does not deposit on the surface of the reforming catalyst.

このような水素発生装置の運転方法においては、変成反応部2が、少なくとも銅を含むシフト触媒を備えることが好ましい。この場合、他の触媒と比較して安価であると共に、本発明の効果がより顕著に表れる。   In such an operation method of the hydrogen generator, it is preferable that the shift reaction unit 2 includes a shift catalyst containing at least copper. In this case, it is cheaper than other catalysts and the effect of the present invention is more remarkable.

また、前記第二露点は90〜100℃の範囲内となるように水素発生装置を設計することが好ましい。この場合、改質反応部1に水が凝縮することが防ぎやすくなると共に、昇温速度を短縮でき、起動エネルギーを抑えることができる。   Moreover, it is preferable to design the hydrogen generator so that the second dew point is in the range of 90 to 100 ° C. In this case, it is easy to prevent water from condensing in the reforming reaction unit 1, and the temperature raising rate can be shortened, so that the startup energy can be suppressed.

また、前記炭素析出温度は200〜300℃であることが好ましい。この場合、改質触媒の劣化を抑え、耐久性が優れた水素発生装置となる。   Moreover, it is preferable that the said carbon deposition temperature is 200-300 degreeC. In this case, deterioration of the reforming catalyst is suppressed, and a hydrogen generator having excellent durability is obtained.

本発明に係る水素発生装置は、少なくともNi又はRuを含む改質触媒を備え、原燃料ガスと水蒸気とから水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質反応部1と、前記改質ガス中に含まれるCOガスを水性シフト反応により低減させる変成反応部2と、前記改質反応部1及び前記変成反応部を加熱する加熱部4,10とを備え、水素発生装置の運転を停止した状態から前記改質反応部1及び前記変成反応部2をそれぞれ所定の反応温度T4,T5まで昇温する立上げ過程を経た後、前記改質反応部1及び変成反応部2をそれぞれ前記反応温度T4,T5に維持した状態で前記改質反応部1に原燃料ガスと水蒸気とを含む混合ガスを供給する通常運転過程により水素を製造する水素発生装置であって、前記立上げ過程において前記改質反応部1に水蒸気が供給されることなく原燃料が供給される場合に、この改質反応部1の温度が改質触媒の表面における炭素の析出が開始される温度である炭素析出温度T3まで昇温される前に、前記変成反応部2の温度を、前記混合ガスが変成反応部2に供給される場合の変成反応部2における露点である第一露点T1以上まで昇温させるように前記加熱部4,10による前記改質反応部1及び変成反応部2の加熱制御を行う制御手段を具備することを特徴とする。   The hydrogen generator according to the present invention includes a reforming catalyst including a reforming catalyst containing at least Ni or Ru, and generates a reformed gas containing hydrogen from a raw fuel gas and steam by a steam reforming reaction, An operation of a hydrogen generator, comprising a shift reaction section 2 for reducing CO gas contained in the reformed gas by an aqueous shift reaction, and heating sections 4 and 10 for heating the reform reaction section 1 and the shift reaction section. After the start-up process of raising the reforming reaction part 1 and the shift reaction part 2 to the predetermined reaction temperatures T4 and T5 from the state where the reaction is stopped, the reforming reaction part 1 and the shift reaction part 2 are respectively A hydrogen generator for producing hydrogen by a normal operation process in which a mixed gas containing raw fuel gas and water vapor is supplied to the reforming reaction section 1 while maintaining the reaction temperatures T4 and T5. Before When the raw fuel is supplied to the reforming reaction section 1 without supplying water vapor, the temperature of the reforming reaction section 1 is the temperature at which carbon deposition starts on the surface of the reforming catalyst. Before the temperature is raised to T3, the temperature of the shift reaction unit 2 is raised to a temperature equal to or higher than the first dew point T1, which is the dew point in the shift reaction unit 2 when the mixed gas is supplied to the shift reaction unit 2. And a control means for controlling the heating of the reforming reaction section 1 and the shift reaction section 2 by the heating sections 4 and 10.

かかる水素発生装置を作動させることにより、立上げ過程では、変成反応部2の温度が第一露点T1に達するまでは改質反応部1には水蒸気は供給されずに原燃料のみがパージガスとして供給されるようにすれば、変成反応部2の温度が第一露点T1に達していない状態では変成反応部2には水蒸気が流通せず原燃料のみが流通することとなり、変成反応部2のシフト触媒の表面には水滴が付着することがなくなる。また、改質反応部1に水蒸気を供給せずに原燃料を供給している間は、改質反応部1の温度は制御手段により炭素析出温度T3未満に維持され、改質反応部1内では原燃料の分解による改質触媒表面の炭素の析出は生じることがない。また、改質反応部1の温度が炭素析出温度T3以上となった場合には、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質反応部1に供給しても水蒸気改質反応が進行することとなって改質触媒の表面には炭素の析出は生じず、しかもこの水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成することができる。   By operating such a hydrogen generator, in the start-up process, steam is not supplied to the reforming reaction section 1 until the temperature of the shift reaction section 2 reaches the first dew point T1, and only raw fuel is supplied as a purge gas. By doing so, in the state where the temperature of the shift reaction section 2 has not reached the first dew point T1, steam does not flow through the shift reaction section 2, but only the raw fuel flows, so that the shift of the shift reaction section 2 is shifted. Water drops do not adhere to the surface of the catalyst. While the raw fuel is supplied to the reforming reaction section 1 without supplying water vapor, the temperature of the reforming reaction section 1 is maintained below the carbon deposition temperature T3 by the control means. Then, carbon deposition on the surface of the reforming catalyst due to decomposition of the raw fuel does not occur. Further, when the temperature of the reforming reaction unit 1 becomes equal to or higher than the carbon deposition temperature T3, the steam reforming reaction proceeds even if a mixed gas of raw fuel and steam is supplied to the reforming reaction unit 1. Thus, no carbon deposition occurs on the surface of the reforming catalyst, and a reformed gas containing hydrogen can be generated by this steam reforming reaction.

この水蒸気発生装置は、改質反応部1及び変成反応部2の温度を検出する温度検出手段を具備することが好ましい。この場合、温度検出手段の検出結果に基づき、改質反応部1及び変成反応部2の加熱制御を行うことができる。   The steam generator preferably includes a temperature detection means for detecting the temperatures of the reforming reaction unit 1 and the shift reaction unit 2. In this case, the heating control of the reforming reaction unit 1 and the shift reaction unit 2 can be performed based on the detection result of the temperature detection means.

本発明によれば、水素発生装置の起動時等にパージガスとして窒素ガス等の不活性ガスを使用することなく、変成反応部の温度が第一露点以下では原燃料を、改質反応部の温度が炭素析出温度以上では原燃料と水蒸気との混合ガスをパージガスとして用いることができて、別途に不活性ガスの供給手段を設けることなく立上げ過程におけるパージを行うことができ、またこのときのシフト触媒の表面での水滴の付着や改質触媒の表面での炭素の析出を防止することができて触媒活性の低下を防止することができるものである。   According to the present invention, without using an inert gas such as nitrogen gas as a purge gas when the hydrogen generator is started, the raw fuel is converted to the reforming reaction portion temperature when the temperature of the shift reaction portion is below the first dew point. However, at a temperature higher than the carbon deposition temperature, a mixed gas of raw fuel and water vapor can be used as a purge gas, and a purge in the startup process can be performed without providing a separate inert gas supply means. Adhesion of water droplets on the surface of the shift catalyst and precipitation of carbon on the surface of the reforming catalyst can be prevented, and a decrease in catalyst activity can be prevented.

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.

図1は水素発生装置の構成の一例を概念的に示すものである。   FIG. 1 conceptually shows an example of the configuration of the hydrogen generator.

改質反応部1は内部にニッケル(Ni)又はルテニウム(Ru)のうち少なくとも一方を含む改質触媒が充填されるものであり、水素発生装置の通常運転時には原燃料と水蒸気との混合ガスが供給され、水性改質反応により水素を含む改質ガスを生成する。この反応は吸熱反応であり、炭化水素系の原燃料を使用する場合はその反応温度T5は通常は600〜800℃の範囲に設定することが好ましい。この改質反応部1には、改質反応部1の内部のガスの温度を測定する熱電対や高温型サーミスタ等の温度検知器8が設けられている。   The reforming reaction section 1 is filled with a reforming catalyst containing at least one of nickel (Ni) or ruthenium (Ru), and a mixed gas of raw fuel and steam is generated during normal operation of the hydrogen generator. A reformed gas containing hydrogen is generated by an aqueous reforming reaction. This reaction is an endothermic reaction. When a hydrocarbon-based raw fuel is used, the reaction temperature T5 is usually preferably set in the range of 600 to 800 ° C. The reforming reaction unit 1 is provided with a temperature detector 8 such as a thermocouple or a high temperature type thermistor for measuring the temperature of the gas inside the reforming reaction unit 1.

変成反応部2は、内部に銅系のシフト触媒が充填されており、水素発生装置の通常運転時には改質反応部1にて生成された改質ガスが供給され、水性シフト反応により改質ガス中のCOの大部分をCO2に変換し、改質ガス中のCO濃度を低減する。この反応は発熱反応であり、その反応温度T4は通常200〜300℃の範囲に設定することが好ましい。この変成反応部2には、変成反応部2の内部のガスの温度を測定する熱電対等の温度検知器9が設けられている。 The shift reaction section 2 is filled with a copper-based shift catalyst, and the reformed gas generated in the reforming reaction section 1 is supplied during normal operation of the hydrogen generator, and the reformed gas is generated by an aqueous shift reaction. Most of the CO inside is converted to CO 2 to reduce the CO concentration in the reformed gas. This reaction is an exothermic reaction, and the reaction temperature T4 is usually preferably set in the range of 200 to 300 ° C. The shift reaction unit 2 is provided with a temperature detector 9 such as a thermocouple for measuring the temperature of the gas inside the shift reaction unit 2.

また、図示の例ではCO除去部3も設けられている。CO除去部3は白金、ルテニウム等のCO酸化触媒が充填されており、水素発生装置の通常運転時には変成反応部2から改質ガスが供給され、この改質ガス中に未だ残存するCOをCO選択酸化反応によりCO2に酸化し、改質ガス中のCO濃度を更に低減する。この反応は発熱反応であり、その反応温度は通常は120〜180℃の範囲に設定することが好ましい。 In the illustrated example, a CO removing unit 3 is also provided. The CO removal unit 3 is filled with a CO oxidation catalyst such as platinum or ruthenium. During the normal operation of the hydrogen generator, the reformed gas is supplied from the shift reaction unit 2, and the CO still remaining in the reformed gas is converted into CO. It is oxidized to CO 2 by a selective oxidation reaction, and the CO concentration in the reformed gas is further reduced. This reaction is an exothermic reaction, and the reaction temperature is usually preferably set in the range of 120 to 180 ° C.

上記改質反応部1には、水供給部5と原燃料供給部6とが接続されている。水供給部5は改質反応部1に、両者間を接続する水供給路11を介して水を供給するものであり、このとき加熱された改質反応部1に水が供給されることで、改質反応部1に水蒸気が供給される。また、原燃料供給部6は原燃料が充填されたボンベ等で構成され、この原燃料供給部6は改質反応部1に、両者間を接続する原燃料供給路12を介して原燃料を供給する。原燃料としては、ブタンガス等の炭化水素系の気体または液体の燃料や、アルコール系の燃料等を用いるものを用いることができ、例えば天然ガス、液化石油ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、メタノール等を用いることができる。原燃料供給部6から加熱された改質反応部1に原燃料が供給されることにより、改質反応部1にガス状の原燃料が供給される。   A water supply unit 5 and a raw fuel supply unit 6 are connected to the reforming reaction unit 1. The water supply unit 5 supplies water to the reforming reaction unit 1 through a water supply path 11 connecting the two, and water is supplied to the reforming reaction unit 1 heated at this time. The steam is supplied to the reforming reaction unit 1. The raw fuel supply unit 6 includes a cylinder filled with the raw fuel, and the raw fuel supply unit 6 supplies the raw fuel to the reforming reaction unit 1 via a raw fuel supply path 12 connecting the two. Supply. The raw fuel can be a hydrocarbon-based gas or liquid fuel such as butane gas, or an alcohol-based fuel, such as natural gas, liquefied petroleum gas, gasoline, naphtha, kerosene, methanol, etc. Can be used. By supplying the raw fuel from the raw fuel supply unit 6 to the heated reforming reaction unit 1, gaseous raw fuel is supplied to the reforming reaction unit 1.

図示の例では水供給路11と原燃料供給路12とが合流した合流供給路13が改質反応部1に接続されており、この合流供給路13において水と原燃料とが混合された状態で改質反応部1に供給され、これにより改質反応部1に水蒸気と原燃料とが混合した混合ガスが供給される。但し、水供給路11と原燃料供給路12とを改質反応部1に別個に接続して、改質反応部1内で水蒸気と原燃料とが混合されるようにすることで、改質反応部1に水蒸気と原燃料との混合ガスを供給するようにしても良い。   In the illustrated example, a merged supply path 13 where the water supply path 11 and the raw fuel supply path 12 merge is connected to the reforming reaction unit 1, and water and raw fuel are mixed in the merged supply path 13. Is supplied to the reforming reaction section 1, whereby a gas mixture of water vapor and raw fuel is supplied to the reforming reaction section 1. However, the water supply path 11 and the raw fuel supply path 12 are separately connected to the reforming reaction unit 1 so that the steam and the raw fuel are mixed in the reforming reaction unit 1, thereby reforming. A mixed gas of water vapor and raw fuel may be supplied to the reaction unit 1.

また、加熱部4は、改質反応部1や変成反応部2を加熱するものであり、バーナーや触媒燃焼装置等にて構成することができる。この加熱部4は燃焼用燃料と燃焼用空気が供給されるものであり、この燃焼用燃料と燃焼用空気との燃焼反応により加熱ガスを発生させる。そして加熱ガスを媒体として熱エネルギーを改質反応部1や変成反応部2に供給し、これらを加熱するものである。   The heating unit 4 heats the reforming reaction unit 1 and the shift reaction unit 2 and can be configured by a burner, a catalytic combustion apparatus, or the like. The heating unit 4 is supplied with combustion fuel and combustion air, and generates a heating gas by a combustion reaction between the combustion fuel and the combustion air. Then, heat energy is supplied to the reforming reaction section 1 and the shift reaction section 2 using the heated gas as a medium, and these are heated.

この加熱部4にはエアポンプ等で構成される燃焼用空気供給部7が燃焼用空気供給路14を介して接続されており、また原燃料供給部6が燃焼用燃料供給路15を介して接続されている。このとき、図示の例では燃焼用空気供給路14と燃焼用燃料供給路15とが合流した燃焼用合流供給路16が加熱部4に接続されている。これにより、加熱部4には燃焼用空気供給部7から燃焼用空気が供給されると共に、原燃料供給部6から原燃料が燃焼用燃料として供給される。   A combustion air supply unit 7 constituted by an air pump or the like is connected to the heating unit 4 via a combustion air supply channel 14, and a raw fuel supply unit 6 is connected via a combustion fuel supply channel 15. Has been. At this time, in the example shown in the drawing, the combustion merging supply path 16 where the combustion air supply path 14 and the combustion fuel supply path 15 merge is connected to the heating unit 4. Thereby, the combustion air is supplied from the combustion air supply unit 7 to the heating unit 4 and the raw fuel is supplied from the raw fuel supply unit 6 as the combustion fuel.

また、上記水供給路11、原燃料供給路12、燃焼用空気供給路14及び燃焼用燃料供給路15には、調整弁17,18,19,20がそれぞれ設けられている。   The water supply passage 11, the raw fuel supply passage 12, the combustion air supply passage 14 and the combustion fuel supply passage 15 are provided with regulating valves 17, 18, 19 and 20, respectively.

また、図示の例では変成反応部2に、上記加熱部4とは別途の加熱部10が設けられている。この加熱部10はヒーターや触媒燃焼装置等にて構成することができ、この加熱部10にて、上記加熱部4と共に変成反応部2を加熱することができる。   In the example shown in the figure, the transformation reaction unit 2 is provided with a heating unit 10 separate from the heating unit 4. The heating unit 10 can be constituted by a heater, a catalytic combustion device, or the like. The heating unit 10 can heat the shift reaction unit 2 together with the heating unit 4.

また、この水素発生装置には、水素発生装置の動作制御を行う制御手段として制御部21が設けられる。この制御部21は、検知器8,9にて測定される改質反応部1及び変成反応部2の温度情報に基づき、改質反応部1への原燃料及び水蒸気の供給量制御と、改質反応部1及び変成反応部2の温度制御とを行う。このとき制御部21は調整弁17及び調整弁18に制御信号を出力してその開閉制御及び開度の制御を行うことで、改質反応部1への原燃料及び水蒸気の供給量制御を行い、また、調整弁19及び調整弁20に制御信号を出力してその開閉制御及び開度の制御を行ったり加熱部4,10に制御信号を出力して改質反応部1や変成反応部2への熱エネルギーの供給制御を行うことで、改質反応部1及び変成反応部2の温度制御を行うようにすることができる。このような制御部21は、例えば上記温度検知器8,9から出力される改質反応部1及び変成反応部2の温度の検知情報が入力されてこれを演算処理装置が読みとり可能な情報に変換する入力装置、入力装置から伝達された情報に基づいて演算処理を行い調整弁17,18,19,20及び加熱部4,10の動作制御信号を生成する演算処理装置、演算処理装置を動作させるプログラムや参照情報が格納された記憶装置、演算処理装置にて生成された動作制御信号を調整弁17,18,19,20及び加熱部4,10に出力する出力装置から構成することができる。   Further, the hydrogen generator is provided with a control unit 21 as control means for controlling the operation of the hydrogen generator. The control unit 21 controls the supply amount of raw fuel and steam to the reforming reaction unit 1 based on the temperature information of the reforming reaction unit 1 and the shift reaction unit 2 measured by the detectors 8 and 9, Temperature control of the quality reaction part 1 and the transformation reaction part 2 is performed. At this time, the control unit 21 outputs a control signal to the regulating valve 17 and the regulating valve 18 to perform opening / closing control and opening degree control, thereby controlling the supply amount of raw fuel and steam to the reforming reaction unit 1. Further, the control signal is output to the regulating valve 19 and the regulating valve 20 to control the opening and closing thereof, and the opening degree is controlled, and the control signal is output to the heating units 4 and 10 to output the reforming reaction unit 1 and the shift reaction unit 2. The temperature control of the reforming reaction unit 1 and the shift reaction unit 2 can be performed by controlling the supply of heat energy to the gas. Such a control unit 21 receives, for example, temperature detection information of the reforming reaction unit 1 and the shift reaction unit 2 output from the temperature detectors 8 and 9 and converts this information into information that can be read by the arithmetic processing unit. An input device to be converted, an arithmetic processing device that performs arithmetic processing based on information transmitted from the input device, and generates operation control signals for the regulating valves 17, 18, 19, and 20 and the heating units 4 and 10 are operated. A storage device storing programs to be executed and reference information, and an output device for outputting operation control signals generated by the arithmetic processing device to the adjusting valves 17, 18, 19, 20 and the heating units 4, 10. .

上記の水素発生装置にて水素を発生するにあたっては、予め第一露点T1、第二露点T2、炭素析出温度T3、変成反応部2における反応温度T4、改質反応部1における反応温度T5を、上記制御部21に参照情報として記憶させておく。   In generating hydrogen in the above hydrogen generator, the first dew point T1, the second dew point T2, the carbon deposition temperature T3, the reaction temperature T4 in the shift reaction unit 2, and the reaction temperature T5 in the reforming reaction unit 1, The information is stored in the control unit 21 as reference information.

第一露点T1は、原燃料ガスと水蒸気とを通常運転時と同一の所定の割合で含む混合ガスを変成反応部2に流通させた状態での、変成反応部2における露点(変成触媒の表面に水滴が付着し始める温度)である。この第一露点T1は通常運転時の前記混合ガス中の水蒸気と原燃料との割合、変成反応部2におけるガスの流通量、及び変成反応部2の内部構造に依存する値であり、水素発生装置の運転に先立って実測により導出することができる。   The first dew point T1 is the dew point (the surface of the shift catalyst) in the shift reaction section 2 in a state where a mixed gas containing raw fuel gas and water vapor at the same predetermined ratio as in normal operation is circulated through the shift reaction section 2. Temperature at which water droplets begin to adhere to the surface). This first dew point T1 is a value depending on the ratio of water vapor and raw fuel in the mixed gas during normal operation, the amount of gas flow in the shift reaction section 2, and the internal structure of the shift reaction section 2, and hydrogen generation Prior to the operation of the apparatus, it can be derived by actual measurement.

この第一露点T1は、62〜93℃の範囲内となるように水素発生装置を設計することが好ましく、例えば90℃に設定される。この第一露点T1の値は、例えば反応温度、原燃料と水蒸気との供給量割合、供給圧力等を調整して設定することができる。   It is preferable to design the hydrogen generator so that the first dew point T1 is in a range of 62 to 93 ° C, and is set to 90 ° C, for example. The value of the first dew point T1 can be set by adjusting, for example, the reaction temperature, the supply amount ratio between the raw fuel and water vapor, the supply pressure, and the like.

第二露点T2は、原燃料ガスと水蒸気とを通常運転時と同一の所定の割合で含む混合ガスを改質反応部1に流通させた状態での、改質反応部1における露点(改質触媒の表面に水滴が付着し始める温度)である。この第二露点T2は通常運転時の前記混合ガス中の水蒸気と原燃料との割合、改質反応部1におけるガスの流通量、及び改質反応部1の内部構造に依存する値であり、水素発生装置の運転に先立って実測により導出することができる。   The second dew point T2 is a dew point (reformation in the reforming reaction unit 1 in a state in which a mixed gas containing raw fuel gas and water vapor in the same predetermined ratio as in normal operation is circulated through the reforming reaction unit 1. Temperature at which water droplets start to adhere to the surface of the catalyst). This second dew point T2 is a value that depends on the ratio of water vapor and raw fuel in the mixed gas during normal operation, the amount of gas flow in the reforming reaction section 1, and the internal structure of the reforming reaction section 1. It can be derived by actual measurement prior to the operation of the hydrogen generator.

この第二露点T2は、90〜100℃の範囲内となるように水素発生装置を設計することが好ましく、例えば100℃に設定される。第二露点T2の値は、例えば原燃料と水蒸気との供給量割合を調整して設定することができる。   It is preferable to design the hydrogen generator so that the second dew point T2 is in the range of 90 to 100 ° C, and is set to 100 ° C, for example. The value of the second dew point T2 can be set, for example, by adjusting the supply amount ratio between the raw fuel and the water vapor.

炭素析出温度T3は、改質反応部1に水蒸気を供給せず原燃料を供給させた状態で、改質反応部1において原燃料が分解して改質触媒の表面に炭素の析出が発生し始める温度である。この炭素析出温度T3は通常運転時の前記混合ガス中の水蒸気と原燃料との割合、改質反応部1におけるガスの流通量、改質反応部1の内部構造、改質触媒の種類に依存する値であり、水素発生装置の運転に先立って実測により導出することができる。この値は200〜300℃の範囲に設定されていることが一般的である。   The carbon deposition temperature T3 is such that the raw fuel is decomposed in the reforming reaction unit 1 in a state in which the raw fuel is supplied without supplying steam to the reforming reaction unit 1, and carbon deposition occurs on the surface of the reforming catalyst. It is the starting temperature. This carbon deposition temperature T3 depends on the ratio of water vapor and raw fuel in the mixed gas during normal operation, the gas flow rate in the reforming reaction section 1, the internal structure of the reforming reaction section 1, and the type of reforming catalyst. And can be derived by actual measurement prior to the operation of the hydrogen generator. This value is generally set in the range of 200 to 300 ° C.

この炭素析出温度T3は主として原燃料の種類及び改質触媒の種類に依存して変動するものであり、例えば原燃料として13A都市ガスを用いると、改質触媒としてNiを含むものを用いる場合には300℃、Ruを含むものを用いる場合には500℃と設定することができる。   This carbon deposition temperature T3 varies mainly depending on the type of raw fuel and the type of reforming catalyst. For example, when 13A city gas is used as the raw fuel, Ni containing is used as the reforming catalyst. Can be set to 300 ° C. and 500 ° C. when a material containing Ru is used.

また、変成反応部2における反応温度T4は、通常運転時における変成反応部2の温度であり、既述のように通常は200〜300℃の範囲に設定される。   The reaction temperature T4 in the shift reaction section 2 is the temperature of the shift reaction section 2 during normal operation, and is usually set in the range of 200 to 300 ° C. as described above.

また、改質反応部1における反応温度T5は、通常運転時における改質反応部1の温度であり、既述のように通常は600〜800℃の範囲に設定される。   The reaction temperature T5 in the reforming reaction unit 1 is the temperature of the reforming reaction unit 1 during normal operation, and is usually set in the range of 600 to 800 ° C. as described above.

水素発生装置を停止状態から起動させて改質反応部1及び変成反応部2の温度を所定の反応温度T4,T5まで昇温させる立上げ過程において、本発明では、変成反応部2の温度が第一露点T1以下である状態では、改質反応部1を炭素析出温度T3未満に維持すると共に改質反応部1に水蒸気を供給することなく原燃料ガスを供給し、また、改質反応部1の温度が炭素析出温度T3以上となった後は、改質反応部1に原燃料ガスと水蒸気との混合ガスを供給する。   In the start-up process in which the temperature of the reforming reaction section 1 and the shift reaction section 2 is increased to the predetermined reaction temperatures T4 and T5 by starting the hydrogen generator from a stopped state, the temperature of the shift reaction section 2 is increased in the present invention. In a state where the temperature is equal to or lower than the first dew point T1, the reforming reaction unit 1 is maintained at a temperature lower than the carbon deposition temperature T3, and the raw fuel gas is supplied to the reforming reaction unit 1 without supplying water vapor. After the temperature of 1 becomes equal to or higher than the carbon deposition temperature T3, a mixed gas of raw fuel gas and water vapor is supplied to the reforming reaction section 1.

この立上げ過程では、水素発生装置の運転開始後、まず制御部21は調整弁17を閉じて水供給部5から改質反応部1へ水が供給されないようにし、調整弁18を所定の開度で開いて原燃料供給部6から改質反応部1に所定の流量で原燃料を供給し、調整弁19及び調整弁20を所定の開度で開いて原燃料供給部6から原燃料を、空気供給部7から空気を、それぞれ所定の流量で加熱部4に供給し、加熱部4,10を動作させて改質反応部1及び変成反応部2に熱エネルギーを供給して加熱する制御を行う。   In this startup process, after the operation of the hydrogen generator is started, the control unit 21 first closes the adjustment valve 17 so that water is not supplied from the water supply unit 5 to the reforming reaction unit 1, and the adjustment valve 18 is opened to a predetermined degree. The raw fuel is supplied at a predetermined flow rate from the raw fuel supply unit 6 to the reforming reaction unit 1, and the regulating valve 19 and the regulating valve 20 are opened at a predetermined degree of opening to feed the raw fuel from the raw fuel supply unit 6. Control that supplies air from the air supply unit 7 to the heating unit 4 at a predetermined flow rate and operates the heating units 4 and 10 to supply heat energy to the reforming reaction unit 1 and the shift reaction unit 2 to heat them. I do.

このように改質反応部1及び変成反応部2の昇温を開始した後は、改質反応部1及び変成反応部2の温度上昇の仕方に応じ、水素発生装置の運転動作が次の二通りの運転シーケンスに分岐する。   After the temperature increase of the reforming reaction unit 1 and the shift reaction unit 2 is started in this way, the operation of the hydrogen generator is performed according to the manner in which the temperature of the reforming reaction unit 1 and the shift reaction unit 2 is increased. Branch to the street operation sequence.

図2のグラフに示される第一の運転シーケンスは、加熱部4,10による改質反応部1及び変成反応部2の昇温を開始した後、変成反応部2の温度が第一露点T1に達する前に、改質反応部1の温度が第二露点T2に達する場合のものである。この場合、制御部21は次の動作を行うことにより、変成反応部2の温度が第一露点T1に達するまで(図示の領域A)は改質反応部1に水蒸気を供給することなく原燃料ガスを供給し、変成反応部2の温度が第一露点T1を超えた後、改質反応部1の温度が炭素析出温度T3未満の状態(図示の領域B)では、改質反応部1に原燃料と水蒸気のうち少なくとも一方を供給するようにする。   In the first operation sequence shown in the graph of FIG. 2, after the heating of the reforming reaction unit 1 and the shift reaction unit 2 by the heating units 4 and 10 is started, the temperature of the shift reaction unit 2 reaches the first dew point T1. This is a case where the temperature of the reforming reaction section 1 reaches the second dew point T2 before reaching. In this case, the control unit 21 performs the following operation so that the raw fuel is not supplied to the reforming reaction unit 1 until the temperature of the shift reaction unit 2 reaches the first dew point T1 (region A in the drawing). After the gas is supplied and the temperature of the shift reaction section 2 exceeds the first dew point T1, the reforming reaction section 1 is in the reforming reaction section 1 when the temperature of the reforming reaction section 1 is lower than the carbon deposition temperature T3 (region B in the figure). At least one of raw fuel and water vapor is supplied.

まず、制御部21は、温度検知器9にて検知される変成反応部2の温度が第一露点T1未満の状態で、温度検知器8にて検知される改質反応部1の温度が第二露点T2に達したことを認識した場合、各調整弁17,18,19,20及び加熱部4,10の動作をそのまま維持する。   First, the control unit 21 sets the temperature of the reforming reaction unit 1 detected by the temperature detector 8 in the state where the temperature of the shift reaction unit 2 detected by the temperature detector 9 is lower than the first dew point T1. When recognizing that the dew point T2 has been reached, the operations of the regulating valves 17, 18, 19, 20 and the heating units 4, 10 are maintained as they are.

その後、制御部21が温度検知器9にて検知される変成反応部2の温度が第一露点T1を超えたことを制御部21が認識すると、制御部21は調整弁18を所定の開度で開く制御を行う。このとき同時に制御部21は調整弁17を閉じる制御を行うようにしても良い。或いは、各調整弁17が所定の開度で開くと共に調整弁18が閉じた状態を維持しても良い。これにより、改質反応部1に原燃料と水蒸気のうち一方を供給し、或いは原燃料と水蒸気との混合ガスを供給する。   Thereafter, when the control unit 21 recognizes that the temperature of the shift reaction unit 2 detected by the temperature detector 9 has exceeded the first dew point T1, the control unit 21 opens the regulating valve 18 to a predetermined opening degree. Control to open with. At the same time, the control unit 21 may perform control to close the adjustment valve 17. Alternatively, each regulating valve 17 may be opened at a predetermined opening and the regulating valve 18 may be kept closed. Thereby, one of raw fuel and steam is supplied to the reforming reaction section 1 or a mixed gas of raw fuel and steam is supplied.

次に、温度検知器8にて検知される改質反応部1の温度が炭素析出温度T3に達したことを制御部2が検知すると、制御部21は調整弁17を所定の開度で開くと共に調整弁18を所定の開度で開くように調整弁17及び調整弁18を制御し、改質反応部1に原燃料と水蒸気との混合ガスを供給する(図示の領域C)。このとき同時に制御部21は調整弁19,20の開度を変更するなどして加熱部4から改質反応部1や変成反応部2で伝達される熱エネルギーを増減させたり、加熱部10から変成反応部2へ伝達される熱エネルギーを増減させたりする制御を行うと、改質反応部1及び変成反応部2の昇温速度を増大させるようにして立上げに要する時間を短縮したり、改質反応部1と変成反応部2の昇温速度を調整して変成反応部2が反応温度T4に達すると同時に改質反応部1が反応温度T5に達するようにすることができる。   Next, when the control unit 2 detects that the temperature of the reforming reaction unit 1 detected by the temperature detector 8 has reached the carbon deposition temperature T3, the control unit 21 opens the adjustment valve 17 at a predetermined opening. At the same time, the control valve 17 and the control valve 18 are controlled so as to open the control valve 18 at a predetermined opening, and a mixed gas of raw fuel and water vapor is supplied to the reforming reaction section 1 (region C in the drawing). At the same time, the control unit 21 increases or decreases the thermal energy transmitted from the heating unit 4 to the reforming reaction unit 1 or the shift reaction unit 2 by changing the opening degree of the regulating valves 19 and 20, or from the heating unit 10. When control is performed to increase or decrease the thermal energy transmitted to the shift reaction section 2, the time required for startup is shortened by increasing the rate of temperature increase of the reforming reaction section 1 and shift reaction section 2, It is possible to adjust the temperature rising rates of the reforming reaction unit 1 and the shift reaction unit 2 so that the shift reaction unit 2 reaches the reaction temperature T4 and the reforming reaction unit 1 reaches the reaction temperature T5 at the same time.

変成反応部2が反応温度T4に達すると共に改質反応部1が反応温度T5に達すると、立上げ過程は終了し、通常運転過程に移行する。   When the shift reaction unit 2 reaches the reaction temperature T4 and the reforming reaction unit 1 reaches the reaction temperature T5, the start-up process ends and the process shifts to a normal operation process.

通常運転過程では、制御部21は温度検知器9による検知温度が反応温度T4以上であることを認識した場合に加熱部4,10による変成反応部2への熱エネルギーの供給を停止し、この検知温度が反応温度T4未満であることを認識した場合に加熱部4,10から変成反応部2へ熱エネルギーを供給するように加熱部4,10を断続的に動作させる制御を行うなどして、変成反応部2の温度を反応温度T4に維持する。また、制御部21は温度検知器8による検知温度が反応温度T5以上であることを認識した場合に加熱部4による改質反応部1への熱エネルギーの供給を停止し、この検知温度が反応温度T5未満であることを認識した場合に加熱部4から改質反応部1へ熱エネルギーを供給するように加熱部4を断続的に動作させる制御を行うなどして、改質反応部1の温度を反応温度T5に維持する。   In the normal operation process, when the control unit 21 recognizes that the temperature detected by the temperature detector 9 is equal to or higher than the reaction temperature T4, the control unit 21 stops the supply of heat energy to the shift reaction unit 2 by the heating units 4 and 10. When it is recognized that the detected temperature is lower than the reaction temperature T4, the heating units 4 and 10 are intermittently operated so as to supply heat energy from the heating units 4 and 10 to the transformation reaction unit 2 The temperature of the shift reaction part 2 is maintained at the reaction temperature T4. Further, when the control unit 21 recognizes that the temperature detected by the temperature detector 8 is equal to or higher than the reaction temperature T5, the control unit 21 stops the supply of thermal energy to the reforming reaction unit 1 by the heating unit 4, and this detected temperature is the reaction temperature. When it is recognized that the temperature is lower than T5, the heating unit 4 is intermittently operated so as to supply heat energy from the heating unit 4 to the reforming reaction unit 1. The temperature is maintained at reaction temperature T5.

このように立上げ過程から通常運転過程に移行する際及びこの通常運転過程の間は、制御部21は調整弁17及び調整弁18の動作を大きく変更することなしに、調整弁17が所定の開度で開くと共に調整弁18が所定の開度で開いた状態を維持し、改質反応部1に原燃料と水蒸気との混合ガスが供給されるようにする。   In this way, during the transition from the startup process to the normal operation process and during this normal operation process, the control unit 21 does not significantly change the operation of the adjustment valve 17 and the adjustment valve 18, and the adjustment valve 17 has a predetermined value. While being opened at the opening, the adjustment valve 18 is maintained at a predetermined opening so that a mixed gas of raw fuel and steam is supplied to the reforming reaction section 1.

水素発生装置を上記のように動作させると、立上げ過程では、加熱部4,10を作動させて改質反応部1及び変成反応部2の昇温を開始した後、改質反応部1の温度が炭素析出温度T3未満の状態で、変成反応部2の温度が第一露点T1に達するまで(図示の領域A)は、改質反応部1には水蒸気は供給されず、原燃料のみがパージガスとして供給される。このため、変成反応部2の温度が第一露点T1に達していない状態では、変成反応部2には水蒸気が流通せず、原燃料のみが流通することとなり、変成反応部2のシフト触媒の表面には水滴が付着することがなくなる。また改質反応部1の温度が第二露点T2に達していない状態では、改質反応部1には水蒸気が流通せず、原燃料のみが流通することとなり、改質触媒の表面にも水滴が付着することがない。また、改質反応部1に水蒸気を供給せずに原燃料を供給している間は、改質反応部1の温度は炭素析出温度T3未満であるため、改質反応部1内では原燃料の分解による改質触媒表面の炭素の析出は生じることがない。   When the hydrogen generator is operated as described above, in the start-up process, the heating units 4 and 10 are operated to start the temperature raising of the reforming reaction unit 1 and the shift reaction unit 2, and then the reforming reaction unit 1 Until the temperature of the shift reaction section 2 reaches the first dew point T1 in the state where the temperature is lower than the carbon deposition temperature T3 (region A in the figure), steam is not supplied to the reforming reaction section 1 and only the raw fuel is supplied. Supplied as purge gas. For this reason, in a state where the temperature of the shift reaction section 2 has not reached the first dew point T1, water vapor does not flow through the shift reaction section 2, but only raw fuel flows, and the shift catalyst of the shift reaction section 2 Water drops will not adhere to the surface. Further, in a state where the temperature of the reforming reaction unit 1 does not reach the second dew point T2, water vapor does not flow through the reforming reaction unit 1, but only raw fuel flows, and water droplets are also formed on the surface of the reforming catalyst. Will not adhere. Further, while the raw fuel is supplied to the reforming reaction unit 1 without supplying water vapor, the temperature of the reforming reaction unit 1 is lower than the carbon deposition temperature T3. No carbon deposition on the surface of the reforming catalyst due to decomposition of.

また、変成反応部2の温度が第一露点T1を超えた後、炭素析出温度T3に達する前までの間(図示の領域B)は、改質反応部1には原燃料と水蒸気のいずれか一方又は原燃料と水蒸気との混合ガスがパージガスとして供給される。このとき、改質反応部1と変成反応部2には、水蒸気のみ、原燃料のみ、或いは水蒸気との混合ガスが流通するが、いずれの場合であっても、改質反応部1が第二露点T2以上であると共に変成反応部2が第一露点T1以上であるから、改質触媒及び変成触媒には水滴が付着することがなく、また改質触媒の表面における炭素の析出も生じない。   In addition, after the temperature of the shift reaction section 2 exceeds the first dew point T1 and before the carbon deposition temperature T3 is reached (region B in the figure), the reforming reaction section 1 has either raw fuel or steam. One or a mixed gas of raw fuel and water vapor is supplied as a purge gas. At this time, only the water vapor, only the raw fuel, or a mixed gas with water vapor flows through the reforming reaction unit 1 and the shift reaction unit 2. Since the dew point T2 or higher and the shift reaction section 2 is higher than the first dew point T1, water droplets do not adhere to the reforming catalyst and the shift catalyst, and no carbon is deposited on the surface of the reforming catalyst.

また、改質反応部1の温度が炭素析出温度T3に達した以後(図示の領域C)は、改質反応部1には原燃料と水蒸気との混合ガスが供給されることから、改質反応部1では水蒸気改質反応が進行するため、やはり改質触媒の表面には炭素の析出が生じず、またこの水蒸気改質反応により生成される水素を含む改質ガスを水素発生装置から導出して燃料電池等に利用可能とすることができる。   In addition, after the temperature of the reforming reaction unit 1 reaches the carbon deposition temperature T3 (region C in the figure), the reforming reaction unit 1 is supplied with a mixed gas of raw fuel and steam. Since the steam reforming reaction proceeds in the reaction section 1, no carbon deposition occurs on the surface of the reforming catalyst, and the reformed gas containing hydrogen produced by the steam reforming reaction is derived from the hydrogen generator. Thus, it can be used for a fuel cell or the like.

また、改質反応部1が所定の反応温度T5に達すると共に変成反応部2が所定の反応温度T4に達して通常運転過程に移行した後(図示の領域D)は、改質反応部1が反応温度T5に維持されると共に変成反応部2が反応温度T4に維持された状態で、改質反応部1に原燃料と水蒸気との混合ガスが供給される。このとき、まず改質反応部1では水蒸気改質反応が進行し、水素を含む改質ガスが生成される。この改質ガスは変成反応部2に送られ、変成反応部2において水性シフト反応により改質ガス中のCOの大部分がCO2に変換され、改質ガス中のCO濃度が低減される。この改質ガスは更にCO除去部3に送られ、CO除去部3において改質ガス中に未だ残存するCOがCO選択酸化反応によりCO2に酸化され、改質ガス中のCO濃度が更に低減される。 In addition, after the reforming reaction unit 1 reaches the predetermined reaction temperature T5 and the shift reaction unit 2 reaches the predetermined reaction temperature T4 and shifts to the normal operation process (region D in the figure), the reforming reaction unit 1 A gas mixture of raw fuel and water vapor is supplied to the reforming reaction section 1 in a state where the reaction temperature T5 is maintained and the shift reaction section 2 is maintained at the reaction temperature T4. At this time, first, the steam reforming reaction proceeds in the reforming reaction section 1, and a reformed gas containing hydrogen is generated. This reformed gas is sent to the shift reaction section 2, where most of the CO in the reformed gas is converted to CO 2 by the aqueous shift reaction in the shift reaction section 2, and the CO concentration in the reformed gas is reduced. This reformed gas is further sent to the CO removing unit 3 where the CO still remaining in the reformed gas is oxidized to CO 2 by the CO selective oxidation reaction, and the CO concentration in the reformed gas is further reduced. Is done.

この改質ガスは、水素発生装置から外部に導出され、燃料電池用燃料等として利用することができる。   This reformed gas is led out from the hydrogen generator and can be used as fuel for fuel cells.

この第一の運転シーケンスでは、既述のように変成反応部2の温度が第一露点T1に達するまでは、改質反応部1の温度は炭素析出温度T3未満に維持する。このため、水素発生装置の運転開始後の改質反応部1の昇温速度が大きい場合には、変成反応部2の温度が第二露点に達するまでは、改質反応部1の温度を炭素析出温度T3未満に維持する動作を行わせる必要がある。このため、立上げ過程において、変成反応部2の温度が第一露点T1に達する以前に改質反応部1の温度が炭素析出温度T3未満の所定温度に達する場合、変成反応部2の温度が第一露点T1に達するまで加熱部4を断続的に作動して改質反応部1の温度を前記所定温度に維持することで、改質反応部1の温度を炭素析出温度T3未満に維持することが好ましい。前記所定温度は炭素析出温度T3より少し低い適宜の温度に設定できるが、改質反応部1の温度を前記所定温度に維持する過程においてこの温度がオーバーシュートにより炭素析出温度T3に達しない範囲で調整することが望ましく、そのため例えばこの所定温度を、炭素析出温度T3よりも30〜100℃だけ低い温度に設定する。   In the first operation sequence, as described above, the temperature of the reforming reaction unit 1 is maintained below the carbon deposition temperature T3 until the temperature of the shift reaction unit 2 reaches the first dew point T1. For this reason, when the temperature increase rate of the reforming reaction unit 1 after the start of operation of the hydrogen generator is high, the temperature of the reforming reaction unit 1 is set to carbon until the temperature of the shift reaction unit 2 reaches the second dew point. It is necessary to perform an operation for maintaining the temperature below the deposition temperature T3. For this reason, in the start-up process, when the temperature of the reforming reaction unit 1 reaches a predetermined temperature lower than the carbon deposition temperature T3 before the temperature of the shift reaction unit 2 reaches the first dew point T1, the temperature of the shift reaction unit 2 is The heating unit 4 is intermittently operated until the first dew point T1 is reached, and the temperature of the reforming reaction unit 1 is maintained at the predetermined temperature, thereby maintaining the temperature of the reforming reaction unit 1 below the carbon deposition temperature T3. It is preferable. The predetermined temperature can be set to an appropriate temperature slightly lower than the carbon deposition temperature T3. However, in the process in which the temperature of the reforming reaction section 1 is maintained at the predetermined temperature, the temperature does not reach the carbon deposition temperature T3 due to overshoot. Therefore, for example, the predetermined temperature is set to a temperature lower by 30 to 100 ° C. than the carbon deposition temperature T3.

図3のグラフに示される第二の運転シーケンスは、第一の運転シーケンスにおいて、改質反応部1の温度を炭素析出温度T3未満に維持する動作が加わったものである。   The second operation sequence shown in the graph of FIG. 3 is obtained by adding an operation for maintaining the temperature of the reforming reaction unit 1 below the carbon deposition temperature T3 in the first operation sequence.

このとき、まず、制御部21は温度検知器8にて検知される改質反応部1の温度が第二露点T2に達したことを認識すると、温度検知器9にて検知される変成反応部2の温度を参照し、この温度が第一露点T1未満であれば、各調整弁17,18,19,20及び加熱部4,10の動作をそのまま維持する。   At this time, first, when the control unit 21 recognizes that the temperature of the reforming reaction unit 1 detected by the temperature detector 8 has reached the second dew point T2, the shift reaction unit detected by the temperature detector 9 is used. If the temperature is less than the first dew point T1, the operations of the regulating valves 17, 18, 19, 20 and the heating units 4, 10 are maintained as they are.

その後、温度検知器9にて検知される変成反応部2の温度が第一露点T1に達する前に、改質反応部1の温度が炭素析出温度T3未満の所定温度に達したことを制御部21が認識すると、制御部21は、温度検知器8による検知温度が前記所定温度以上であることを認識した場合に加熱部4による改質反応部1への熱エネルギーの供給を停止し、この検知温度が前記所定温度未満であることを認識した場合に加熱部4から改質反応部1へ熱エネルギーを供給するように加熱部4を断続的に動作させる制御を行い、変成反応部2の温度を前記所定温度に維持する。   Thereafter, before the temperature of the shift reaction unit 2 detected by the temperature detector 9 reaches the first dew point T1, the control unit determines that the temperature of the reforming reaction unit 1 has reached a predetermined temperature lower than the carbon deposition temperature T3. When the controller 21 recognizes, the controller 21 stops the supply of heat energy to the reforming reaction unit 1 by the heating unit 4 when it recognizes that the temperature detected by the temperature detector 8 is equal to or higher than the predetermined temperature. When it is recognized that the detected temperature is lower than the predetermined temperature, the heating unit 4 is controlled to operate intermittently so as to supply thermal energy from the heating unit 4 to the reforming reaction unit 1, and the shift reaction unit 2 The temperature is maintained at the predetermined temperature.

次に、制御部21は、温度検知器9にて検知される変成反応部2の温度が第一露点T1に達したことを認識すると、加熱部4にて改質反応部1へ熱エネルギーを連続的に供給するように加熱部4の動作を制御し、改質反応部1を昇温させる。また、同時に制御部21は調整弁17を所定の開度で開くと共に調整弁18を所定の開度で開く制御を行う。また、このとき図示のように加熱部4,10から変成反応部2に伝達される熱エネルギーを増大させ、変成反応部2の昇温速度を増大させるようにして立上げに要する時間を短縮すると共に改質反応部1と変成反応部2の昇温速度を調整して、変成反応部2が反応温度T4に達すると同時に改質反応部1が反応温度T5に達するようにしても良い。   Next, when the control unit 21 recognizes that the temperature of the shift reaction unit 2 detected by the temperature detector 9 has reached the first dew point T1, the heating unit 4 supplies thermal energy to the reforming reaction unit 1. The operation of the heating unit 4 is controlled so as to supply continuously, and the reforming reaction unit 1 is heated. At the same time, the control unit 21 performs control to open the adjustment valve 17 at a predetermined opening and to open the adjustment valve 18 at a predetermined opening. Further, at this time, as shown in the figure, the thermal energy transmitted from the heating units 4 and 10 to the shift reaction unit 2 is increased, and the temperature increase rate of the shift reaction unit 2 is increased to shorten the time required for startup. At the same time, the temperature raising rates of the reforming reaction unit 1 and the shift reaction unit 2 may be adjusted so that the shift reaction unit 2 reaches the reaction temperature T4 and the reforming reaction unit 1 reaches the reaction temperature T5 at the same time.

以後の動作は、第一の運転シーケンスと同様である。   Subsequent operations are the same as those in the first operation sequence.

水素発生装置を上記のように動作させると、水素発生装置の運転開始後の改質反応部1の昇温速度が大きい場合であっても、変成反応部2の温度が第一露点T1以下にあるときは改質反応部1の温度は炭素析出温度T3未満の状態に維持され、この状態で改質反応部1に水蒸気を供給せずに原燃料を供給するようにしても、改質反応部1の改質触媒の表面には炭素が析出することがなくなる。   When the hydrogen generator is operated as described above, even when the temperature increase rate of the reforming reaction section 1 after the start of the operation of the hydrogen generation apparatus is high, the temperature of the shift reaction section 2 is below the first dew point T1. In some cases, the temperature of the reforming reaction unit 1 is maintained at a temperature lower than the carbon deposition temperature T3, and even if the raw fuel is supplied to the reforming reaction unit 1 without supplying water vapor in this state, the reforming reaction is performed. No carbon is deposited on the surface of the reforming catalyst of part 1.

図4のグラフに示される第三の運転シーケンスは、、加熱部4,10による改質反応部1及び変成反応部2の昇温を開始した後、改質反応部1が第二露点T2に達する前に変成反応部2が第一露点T1に達し、次いで改質反応部1が第二露点T2に達する場合のものである。この場合、制御部21は次の動作を行うことにより、変成反応部2の温度が第一露点に達するまでは改質反応部1に水蒸気を供給することなく原燃料ガスを供給し、変成反応部2の温度が第一露点T1を超えた後、改質反応部1の温度が第二露点T2以下の状態では、引き続き改質反応部1に水蒸気を供給することなく原燃料ガスを供給し、改質反応部1の温度が第二露点T2を超えた後、改質反応部1の温度が炭素析出温度T3未満の状態では、前記改質反応部に原燃料と水蒸気のうち少なくとも一方を供給するようにする。   In the third operation sequence shown in the graph of FIG. 4, after the heating temperature of the reforming reaction unit 1 and the shift reaction unit 2 by the heating units 4 and 10 is started, the reforming reaction unit 1 reaches the second dew point T2. In this case, the shift reaction unit 2 reaches the first dew point T1 before reaching the first dew point T1, and then the reforming reaction unit 1 reaches the second dew point T2. In this case, the control unit 21 performs the following operation to supply the raw fuel gas without supplying steam to the reforming reaction unit 1 until the temperature of the shift reaction unit 2 reaches the first dew point, thereby performing the shift reaction. After the temperature of the part 2 exceeds the first dew point T1, when the temperature of the reforming reaction part 1 is equal to or lower than the second dew point T2, the raw fuel gas is continuously supplied without supplying steam to the reforming reaction part 1. After the temperature of the reforming reaction unit 1 exceeds the second dew point T2, when the temperature of the reforming reaction unit 1 is lower than the carbon deposition temperature T3, at least one of raw fuel and water vapor is supplied to the reforming reaction unit. To supply.

まず、制御部21は、温度検知器7にて検知される改質反応部1の温度が第二露点T2未満の状態で、温度検知器9にて検知される変成反応部2の温度が第一露点T1に達したことを認識した場合、各調整弁17,18,19,20及び加熱部4,10の動作をそのまま維持する。   First, the control unit 21 sets the temperature of the reforming reaction unit 2 detected by the temperature detector 9 in the state where the temperature of the reforming reaction unit 1 detected by the temperature detector 7 is lower than the second dew point T2. When recognizing that the dew point T1 has been reached, the operation of the regulating valves 17, 18, 19, 20 and the heating units 4, 10 is maintained as they are.

その後、制御部21が温度検知器7にて検知される改質反応部1の温度が第二露点T2に達したことを認識すると、制御部21は調整弁18を所定の開度で開く制御を行う。このとき同時に制御部21は調整弁17に制御信号を出力してこの調整弁17を閉じるようにしても良い。或いは、各調整弁17が所定の開度で開くと共に調整弁18が閉じた状態を維持しても良い。これにより、改質反応部1に原燃料と水蒸気のうち一方を供給し、或いは原燃料と水蒸気との混合ガスを供給する。   Thereafter, when the control unit 21 recognizes that the temperature of the reforming reaction unit 1 detected by the temperature detector 7 has reached the second dew point T2, the control unit 21 controls the opening of the regulating valve 18 at a predetermined opening degree. I do. At the same time, the control unit 21 may output a control signal to the regulating valve 17 to close the regulating valve 17. Alternatively, each regulating valve 17 may be opened at a predetermined opening and the regulating valve 18 may be kept closed. Thereby, one of raw fuel and steam is supplied to the reforming reaction section 1 or a mixed gas of raw fuel and steam is supplied.

以後の動作は、図2に示す第一の運転シーケンスと同様である。   The subsequent operation is the same as the first operation sequence shown in FIG.

水素発生装置を上記のように動作させると、立上げ過程では、加熱部4,10を作動させて改質反応部1及び変成反応部2の昇温を開始した後、改質反応部1の温度が炭素析出温度T3未満の状態で、改質反応部1の温度が第二露点T2に達するまでの間(図示の領域A)は、改質反応部1には水蒸気は供給されず、原燃料のみがパージガスとして供給される。このため、変成反応部2の温度が第一露点T1に達していない状態では、変成反応部2には水蒸気が流通せず、原燃料のみが流通することとなり、このため変成反応部2のシフト触媒の表面には水滴が付着することがない。また改質反応部1の温度が第二露点T2に達していない状態では、改質反応部1には水蒸気が流通せず、原燃料のみが流通することとなり、改質触媒の表面にも水滴が付着することがない。また、改質反応部1に水蒸気を供給せずに原燃料を供給している間は、改質反応部1の温度は炭素析出温度T3未満であるため、改質反応部1内では原燃料の分解による改質触媒表面の炭素の析出は生じることがない。   When the hydrogen generator is operated as described above, in the start-up process, the heating units 4 and 10 are operated to start the temperature raising of the reforming reaction unit 1 and the shift reaction unit 2, and then the reforming reaction unit 1 Until the temperature of the reforming reaction section 1 reaches the second dew point T2 in the state where the temperature is lower than the carbon deposition temperature T3 (area A in the figure), no steam is supplied to the reforming reaction section 1, Only fuel is supplied as purge gas. For this reason, in a state where the temperature of the shift reaction section 2 has not reached the first dew point T1, water vapor does not flow through the shift reaction section 2, but only the raw fuel flows. Therefore, the shift of the shift reaction section 2 is shifted. Water droplets do not adhere to the surface of the catalyst. Further, in a state where the temperature of the reforming reaction unit 1 does not reach the second dew point T2, water vapor does not flow through the reforming reaction unit 1, but only raw fuel flows, and water droplets are also formed on the surface of the reforming catalyst. Will not adhere. Further, while the raw fuel is supplied to the reforming reaction unit 1 without supplying water vapor, the temperature of the reforming reaction unit 1 is lower than the carbon deposition temperature T3. No carbon deposition on the surface of the reforming catalyst due to decomposition of.

また、改質反応部1の温度が第二露点T2を超えた後、改質反応部1の温度が炭素析出温度T3に達するまでの間(図示の領域B)は、改質反応部1には原燃料と水蒸気のいずれか一方又は原燃料と水蒸気との混合ガスがパージガスとして供給される。このとき、改質反応部1と変成反応部2には、水蒸気のみ、原燃料のみ、或いは水蒸気との混合ガスが流通するが、いずれの場合であっても、改質反応部1が第二露点T2以上であると共に変成反応部2が第一露点T1以上であるから、改質触媒及び変成触媒には水滴が付着することがなく、また改質触媒の表面における炭素の析出も生じない。   In addition, after the temperature of the reforming reaction unit 1 exceeds the second dew point T2, until the temperature of the reforming reaction unit 1 reaches the carbon deposition temperature T3 (region B in the figure), the reforming reaction unit 1 Is supplied as a purge gas with one of raw fuel and steam or a mixed gas of raw fuel and steam. At this time, only the water vapor, only the raw fuel, or a mixed gas with water vapor flows through the reforming reaction unit 1 and the shift reaction unit 2. Since the dew point T2 or higher and the shift reaction section 2 is higher than the first dew point T1, water droplets do not adhere to the reforming catalyst and the shift catalyst, and no carbon is deposited on the surface of the reforming catalyst.

また、改質反応部1の温度が炭素析出温度T3に達した以後(図示の領域C)は、改質反応部1には原燃料と水蒸気との混合ガスが供給されることから、改質反応部1では水蒸気改質反応が進行するため、やはり改質触媒の表面には炭素の析出が生じず、またこの水蒸気改質反応により生成される水素を含む改質ガスを水素発生装置から導出して燃料電池等に利用可能とすることができる。   In addition, after the temperature of the reforming reaction unit 1 reaches the carbon deposition temperature T3 (region C in the figure), the reforming reaction unit 1 is supplied with a mixed gas of raw fuel and steam. Since the steam reforming reaction proceeds in the reaction section 1, no carbon deposition occurs on the surface of the reforming catalyst, and the reformed gas containing hydrogen produced by the steam reforming reaction is derived from the hydrogen generator. Thus, it can be used for a fuel cell or the like.

また、改質反応部1が所定の反応温度T5に達すると共に変成反応部2が所定の反応温度T4に達して通常運転過程に移行した後(図示の領域E)は、改質反応部1が反応温度T5に維持されると共に変成反応部2が反応温度T4に維持された状態で、改質反応部1に原燃料と水蒸気との混合ガスが供給される。このとき、まず改質反応部1では水蒸気改質反応が進行し、水素を含む改質ガスが生成される。この改質ガスは変成反応部2に送られ、変成反応部2において水性シフト反応により改質ガス中のCOの大部分がCO2に変換され、改質ガス中のCO濃度が低減される。この改質ガスは更にCO除去部3に送られ、CO除去部3において改質ガス中に未だ残存するCOがCO選択酸化反応によりCO2に酸化され、改質ガス中のCO濃度が更に低減される。 Further, after the reforming reaction unit 1 reaches the predetermined reaction temperature T5 and the shift reaction unit 2 reaches the predetermined reaction temperature T4 and shifts to the normal operation process (region E in the figure), the reforming reaction unit 1 A gas mixture of raw fuel and water vapor is supplied to the reforming reaction section 1 in a state where the reaction temperature T5 is maintained and the shift reaction section 2 is maintained at the reaction temperature T4. At this time, first, the steam reforming reaction proceeds in the reforming reaction section 1, and a reformed gas containing hydrogen is generated. This reformed gas is sent to the shift reaction section 2, where most of the CO in the reformed gas is converted to CO 2 by the aqueous shift reaction in the shift reaction section 2, and the CO concentration in the reformed gas is reduced. This reformed gas is further sent to the CO removing unit 3 where the CO still remaining in the reformed gas is oxidized to CO 2 by the CO selective oxidation reaction, and the CO concentration in the reformed gas is further reduced. Is done.

この改質ガスは、水素発生装置から外部に導出され、燃料電池用燃料等として利用される。   This reformed gas is led out from the hydrogen generator and used as fuel for fuel cells.

また、上記いずれの運転シーケンスの場合であっても、水素発生装置を停止する場合には、制御部21は調整弁19及び調整弁20を閉じる制御を行い、加熱部4への空気及び原燃料の供給を停止すると共に、加熱部4,10の動作を停止する制御を行い、改質反応部1及び変成反応部2への熱エネルギーの供給を停止して、改質反応部1及び変成反応部2を降温する(図2乃至4の領域F)。このとき同時に制御部21は調整弁17及び調整弁18を閉じる制御を行い、改質反応部1への水蒸気及び原燃料の供給を停止する。   In any of the above operation sequences, when the hydrogen generator is stopped, the control unit 21 performs control to close the adjustment valve 19 and the adjustment valve 20, and supplies air and raw fuel to the heating unit 4. And the control of stopping the operation of the heating units 4 and 10 are performed, the supply of thermal energy to the reforming reaction unit 1 and the shift reaction unit 2 is stopped, and the reforming reaction unit 1 and the shift reaction The temperature of the part 2 is lowered (region F in FIGS. 2 to 4). At the same time, the control unit 21 controls to close the regulating valve 17 and the regulating valve 18 and stops the supply of water vapor and raw fuel to the reforming reaction unit 1.

この改質反応部1及び変成反応部2の降温時には、変成反応部2の温度が第一露点T1に達するより前に、改質反応部1の温度を炭素析出温度T3に到達させる。そして、制御部21は、温度検知器7にて検知される改質反応部1の温度が炭素析出温度T3未満となり、且つ変成反応部2の温度が第一露点T1以上であることを認識すると、調整弁18を所定の開度で開く制御を行い、改質反応部1に水蒸気を供給することなく原燃料を供給する。   When the temperature of the reforming reaction unit 1 and the shift reaction unit 2 is lowered, the temperature of the reforming reaction unit 1 is allowed to reach the carbon deposition temperature T3 before the temperature of the shift reaction unit 2 reaches the first dew point T1. Then, when the control unit 21 recognizes that the temperature of the reforming reaction unit 1 detected by the temperature detector 7 is lower than the carbon deposition temperature T3 and the temperature of the shift reaction unit 2 is equal to or higher than the first dew point T1. The control valve 18 is controlled to open at a predetermined opening, and the raw fuel is supplied without supplying steam to the reforming reaction unit 1.

水素発生装置を上記のように動作させると、水素発生装置を停止するために改質反応部1及び変成反応部2の温度を降温させる際に、変成反応部2の温度が第一露点T1に達する以前に、改質反応部1の温度が炭素析出温度T3を下回った場合に、改質反応部1に水蒸気を供給することなく原燃料のみをパージガスとして供給することとなる。このとき、改質反応部1の温度が第二露点T2以下となり、また変成反応部2の温度が第一露点以下となっても、原燃料のみをパージガスとして流通させることで改質触媒及びシフト触媒の表面における水滴の付着が防止される。また、原燃料をパージガスとして流通させている間は改質反応部1の温度は炭素析出温度未満であることから、改質触媒の表面における炭素の析出も防止されることとなる。   When the hydrogen generator is operated as described above, when the temperature of the reforming reaction unit 1 and the shift reaction unit 2 is lowered in order to stop the hydrogen generator, the temperature of the shift reaction unit 2 becomes the first dew point T1. If the temperature of the reforming reaction section 1 is lower than the carbon deposition temperature T3 before reaching the temperature, only the raw fuel is supplied as the purge gas without supplying water vapor to the reforming reaction section 1. At this time, even if the temperature of the reforming reaction section 1 is equal to or lower than the second dew point T2 and the temperature of the shift reaction section 2 is equal to or lower than the first dew point, only the raw fuel is circulated as purge gas and the shift. The adhesion of water droplets on the surface of the catalyst is prevented. Further, since the temperature of the reforming reaction section 1 is lower than the carbon deposition temperature while the raw fuel is circulated as the purge gas, carbon deposition on the surface of the reforming catalyst is also prevented.

本発明の実施の形態の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of embodiment of this invention. 本発明における第一の運転シーケンスを示すグラフである。It is a graph which shows the 1st driving | operation sequence in this invention. 本発明における第二の運転シーケンスを示すグラフである。It is a graph which shows the 2nd driving | operation sequence in this invention. 本発明における第三の運転シーケンスを示すグラフである。It is a graph which shows the 3rd driving | running sequence in this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 改質反応部
2 変成反応部
4 加熱部
10 加熱部
T1 第一露点
T2 第二露点
T3 炭素析出温度
T4 反応温度
T5 反応温度
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reforming reaction part 2 Transformation reaction part 4 Heating part 10 Heating part T1 1st dew point T2 2nd dew point T3 Carbon deposition temperature T4 Reaction temperature T5 Reaction temperature

Claims (10)

少なくともNi又はRuを含む改質触媒を備え、原燃料ガスと水蒸気とから水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質反応部と、前記改質ガス中に含まれるCOガスを水性シフト反応により低減させる変成反応部と、前記改質反応部及び前記変成反応部を加熱する加熱部を具備する水素発生装置の運転方法であって、
水素発生装置の運転を停止した状態から前記改質反応部及び前記変成反応部をそれぞれ所定の反応温度まで昇温する立上げ過程と、前記改質反応部及び変成反応部をそれぞれ前記反応温度に維持した状態で前記改質反応部に原燃料ガスと水蒸気とを含む混合ガスを供給する通常運転過程とを含み、
前記立上げ過程において、前記変成反応部の温度が、変成反応部に原燃料ガスと水蒸気とを含む混合ガスを流通させた場合の変成反応部における露点である第一露点以下である状態では、前記改質反応部の温度を、この改質反応部に原燃料を流通させた場合に改質触媒の表面における炭素の析出が開始される温度である炭素析出温度未満に維持すると共に改質反応部に水蒸気を供給することなく原燃料ガスを供給し、
前記改質反応部の温度が炭素析出温度以上となった後、改質反応部と変成反応部の温度をそれぞれ所定の反応温度まで昇温する間は、前記改質反応部に原燃料ガスと水蒸気との混合ガスを供給することを特徴とする水素発生装置の運転方法。
A reforming reaction section that includes a reforming catalyst containing at least Ni or Ru, generates a reformed gas containing hydrogen from a raw fuel gas and steam by a steam reforming reaction, and a CO gas contained in the reformed gas. A method for operating a hydrogen generator comprising a shift reaction section that is reduced by an aqueous shift reaction, and a heating section that heats the reforming reaction section and the shift reaction section,
A startup process in which the reforming reaction section and the shift reaction section are each heated to a predetermined reaction temperature from the state where the operation of the hydrogen generator is stopped, and the reforming reaction section and the shift reaction section are respectively set to the reaction temperature. A normal operation process of supplying a mixed gas containing raw fuel gas and water vapor to the reforming reaction section in a maintained state,
In the start-up process, in the state where the temperature of the shift reaction section is equal to or lower than the first dew point that is the dew point in the shift reaction section when a mixed gas containing raw fuel gas and water vapor is circulated through the shift reaction section. While maintaining the temperature of the reforming reaction section below the carbon deposition temperature, which is the temperature at which carbon deposition on the surface of the reforming catalyst starts when raw fuel is passed through the reforming reaction section, the reforming reaction Supply raw fuel gas without supplying water vapor to the
After the temperature of the reforming reaction section becomes equal to or higher than the carbon deposition temperature, while the temperature of the reforming reaction section and the shift reaction section is raised to a predetermined reaction temperature, the raw fuel gas and A method for operating a hydrogen generator, comprising supplying a mixed gas with water vapor.
前記第一露点が62〜93℃であることを特徴とする請求項1に記載の水素発生装置の運転方法。  The operation method of the hydrogen generator according to claim 1, wherein the first dew point is 62 to 93 ° C. 前記立上げ過程において、前記変成反応部の温度が第一露点に達する前に、前記改質反応部の温度が、改質反応部に原燃料ガスと水蒸気とを含む混合ガスを流通させた場合の改質反応部における露点である第二露点に達する場合、前記変成反応部の温度が第一露点を超えた後、改質反応部の温度が炭素析出温度未満の状態では、前記改質反応部に原燃料と水蒸気のうち少なくとも一方を供給することを特徴とする請求項1または2に記載の水素発生装置の運転方法。 In the start-up process, when the temperature of the reforming reaction part reaches the first dew point, the temperature of the reforming reaction part causes a gas mixture containing raw fuel gas and water vapor to flow through the reforming reaction part When the second dew point, which is the dew point in the reforming reaction part, reaches the second dew point, the reforming reaction part temperature is lower than the carbon deposition temperature after the temperature of the shift reaction part exceeds the first dew point. The operation method of the hydrogen generator according to claim 1 or 2 , wherein at least one of raw fuel and water vapor is supplied to the section. 前記立上げ過程において、前記変成反応部の温度が第一露点に達する以前に前記改質反応部の温度が炭素析出温度未満の所定温度に達する場合は、前記変成反応部の温度が第一露点に達するまで加熱部を断続的に作動して改質反応部の温度を炭素析出温度未満の温度に維持することを特徴とする請求項に記載の水素発生装置の運転方法。 In the start-up process, when the temperature of the reforming reaction unit reaches a predetermined temperature lower than the carbon deposition temperature before the temperature of the shift reaction unit reaches the first dew point, the temperature of the shift reaction unit is the first dew point. The operation method of the hydrogen generator according to claim 3 , wherein the temperature of the reforming reaction section is maintained at a temperature lower than the carbon deposition temperature by intermittently operating the heating section until the temperature reaches the temperature. 前記立上げ過程において、前記変成反応部の温度が第一露点に達した後、前記改質反応部の温度が、改質反応部に原燃料ガスと水蒸気とを含む混合ガスを流通させた場合の改質反応部における露点である第二露点に達する場合、前記変成反応部の温度が第一露点を超えた後、前記改質反応部の温度が第二露点以下の状態では、前記改質反応部に水蒸気を供給することなく原燃料ガスを供給し、前記改質反応部の温度が第二露点を超えた後、改質反応部の温度が炭素析出温度未満の状態では、前記改質反応部に原燃料と水蒸気のうち少なくとも一方を供給することを特徴とする請求項1または2に記載の水素発生装置の運転方法。 In the start-up process, after the temperature of the shift reaction section reaches the first dew point, the temperature of the reforming reaction section causes a gas mixture containing raw fuel gas and water vapor to flow through the reforming reaction section. When the second dew point, which is the dew point in the reforming reaction section, reaches the second dew point, the reforming reaction section temperature exceeds the first dew point, and then the reforming reaction section temperature is equal to or lower than the second dew point. When the raw fuel gas is supplied without supplying steam to the reaction section, and the temperature of the reforming reaction section exceeds the second dew point, the reforming reaction section temperature is lower than the carbon deposition temperature, and the reforming section The method for operating a hydrogen generator according to claim 1 or 2 , wherein at least one of raw fuel and water vapor is supplied to the reaction section. 変成反応部が、少なくとも銅を含むシフト触媒を備えることを特徴とする請求項1乃至のいずれか一項に記載の水素発生装置の運転方法。 The operation method of the hydrogen generator according to any one of claims 1 to 5 , wherein the shift reaction section includes a shift catalyst containing at least copper. 前記第二露点が90〜100℃であることを特徴とする請求項1乃至のいずれか一項に記載の水素発生装置の運転方法。 The operation method of the hydrogen generator according to any one of claims 1 to 6 , wherein the second dew point is 90 to 100 ° C. 前記炭素析出温度が200〜300℃であることを特徴とする請求項1乃至のいずれか一項に記載の水素発生装置の運転方法。 The operation method of the hydrogen generator according to any one of claims 1 to 7 , wherein the carbon deposition temperature is 200 to 300 ° C. 少なくともNi又はRuを含む改質触媒を備え、原燃料ガスと水蒸気とから水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質反応部と、前記改質ガス中に含まれるCOガスを水性シフト反応により低減させる変成反応部と、前記改質反応部及び前記変成反応部を加熱する加熱部とを備え、水素発生装置の運転を停止した状態から前記改質反応部及び前記変成反応部をそれぞれ所定の反応温度まで昇温する立上げ過程を経た後、前記改質反応部及び変成反応部をそれぞれ前記反応温度に維持した状態で前記改質反応部に原燃料ガスと水蒸気とを所定の割合で含む混合ガスを供給する通常運転過程により水素を製造する水素発生装置であって、
前記立上げ過程において前記改質反応部に水蒸気が供給されることなく原燃料が供給される場合に、この改質反応部の温度が改質触媒の表面における炭素の析出が開始される温度である炭素析出温度まで昇温される前に、前記変成反応部の温度を、前記混合ガスが変成反応部に供給される場合の変成反応部における露点である第一露点以上まで昇温させるように前記加熱部による前記改質反応部及び変成反応部の加熱制御を行う制御手段を具備することを特徴とする水素発生装置。
A reforming reaction section that includes a reforming catalyst containing at least Ni or Ru, generates a reformed gas containing hydrogen from a raw fuel gas and steam by a steam reforming reaction, and a CO gas contained in the reformed gas. A reforming reaction section for reducing by an aqueous shift reaction, a heating section for heating the reforming reaction section and the shift reaction section, and the reforming reaction section and the shift reaction section from a state where the operation of the hydrogen generator is stopped After the start-up process of raising the temperature to a predetermined reaction temperature, raw fuel gas and water vapor are predetermined in the reforming reaction portion while maintaining the reforming reaction portion and the shift reaction portion at the reaction temperature, respectively. A hydrogen generator for producing hydrogen by a normal operation process of supplying a mixed gas containing
When raw fuel is supplied to the reforming reaction section without supplying steam to the reforming reaction section, the temperature of the reforming reaction section is a temperature at which carbon deposition on the surface of the reforming catalyst starts. Before raising the temperature to a certain carbon deposition temperature, the temperature of the shift reaction section is raised to a temperature equal to or higher than the first dew point that is the dew point in the shift reaction section when the mixed gas is supplied to the shift reaction section. A hydrogen generator comprising control means for performing heating control of the reforming reaction section and the shift reaction section by the heating section.
改質反応部及び変成反応部の温度を検出する温度検出手段を具備することを特徴とする請求項に記載の水素発生装置。 The hydrogen generator according to claim 9 , further comprising temperature detection means for detecting temperatures of the reforming reaction section and the shift reaction section.
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