JP4330846B2 - 燃料電池システムにおいて用いられるための低硫黄改質油ガスを調製するプロセス - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムにおいて用いるために、炭化水素の混合物から低硫黄の改質油を調製する多段のプロセスを提供する。
【0002】
【従来の技術】
概して、燃料電池は、燃料として水素を用いて、動作する電気エネルギーを生成する。自熱的に車において、燃料電池は、水素生成システムを用いて、炭化水素から水素を生成する。
【0003】
水素を生成するための技術として、当該技術において、水蒸気の存在下で、適切な触媒上で、炭化水素を高温で反応させ、水素、一酸化炭素、および二酸化炭素を得ることが、公知である。反応は、吸熱性が高く、例えば、以下の化学反応によって進む。
C8H18+8H2O→8CO+17H2 ΔH=+1250kJ/mol (1)
蒸気の炭素に対する比S/Cが、この反応の特徴である。化学反応(1)において、S/Cは、1である。炭化水素を含むガス混合物の、水素が豊富な生成ガス混合物への変換は、改質と呼ばれる。得られる生成ガス混合物は、いわゆる改質油または改質油ガスである。
【0004】
また、当該技術において、水素を生成する他の方法として、接触部分酸化(CPO)が公知である。この場合、炭化水素は、触媒上の酸素の存在下で、例えば、化学反応(2)に従って反応し、一酸化炭素および水素が得られる。部分酸化の重要な特性は、空気の燃料に対する比λである。この比は、用いられた酸素のモル数と完全な酸化に必要な酸素のモル数との比として規定される(化学式(3)参照)。
C8H18+4O2→8CO(8)+9H2 λ=0.32 ΔH=−685kJ/mol (2)
C8H18+12.5O2→8CO2+9H2O λ=1 ΔH=−5102kJ/mol (3)
水素を得る3番目の方法は、外部熱接触部分酸化が、吸熱蒸気改質と組み合わされる、いわゆる自熱蒸気改質である。自熱蒸気改質用の反応ガス混合物は、空気/燃料比λ、および蒸気/炭素比によって特徴付けられる。
【0005】
改質の間に形成された一酸化炭素の大規模な変換について、改質工程のダウンストリームに、1つ以上の工程が設けられる。これらの工程において、一酸化炭素は、蒸気と反応し、外部熱移動反応で、式(4)によって、二酸化炭素および水素を供給する。
【0006】
【数1】
改質油の残留一酸化炭素含有量は、移動反応器からの出口の温度での平衡濃度に対応する。改質油の一酸化炭素含有量を1vol.%未満に低減するため、移動反応が、しばしば2つの工程、すなわち、高温移動工程および低温移動工程に分割される。低温移動反応の代わりに、パラジウム合金に基づく、いわゆるガス分離膜も用いられ得る。
【0007】
改質プロセスの間、メタノール改質触媒を用いて、メタノール改質反応器においてメタノールが改質される、メタノール改質装置を操作するプロセスが、当該技術において公知である。このプロセスにおける問題点は、負荷が高い場合のCu/ZnOに基づくメタノール改質触媒の不活性化である。触媒を再生するため、改質プロセスは、触媒再活性段階で、周期的に干渉される。再生段階において、メタノール改質触媒は、通常の動作より、低減された負荷および/またはより高い温度で用いられるか、または、不活性ガスですすがれる。
【0008】
また、改質触媒を再生するプロセスとして、連続的な動作の間供給される、蒸気、空気または燃料の量を変動させることによって再生が達成されるプロセスが、当該技術において公知である。反応蒸気を同じに保っている間、反応器を外部から加熱することや、添加剤の追加も、再生する他の方法として考えられる。
【0009】
炭化水素の改質による水素の生成について、従来のエンジン燃料を用いることが望ましい。これらの炭化水素は、天然の資源から得られ、通常、比較的高い濃度の硫黄化合物を含む。ディーゼル燃料は、典型的には、100〜1000ppmの硫黄を含む。石油の硫黄含有量は、通常100ppm未満である。特に、硫黄濃度の低い石油の硫黄含有量は、10ppm未満である。
【0010】
炭化水素における硫黄の存在は、水素生成のための触媒の触媒的活動を低減させ、燃料電池におけるアノード触媒の活動も低減させる。
【0011】
概して、炭化水素または炭化水素混合物から水素が豊富な改質油を調製するプロセスは、当該技術において公知である。このようなプロセスは、通常、少なくとも2つの工程からなる。第1の工程において、改質油ガスは、硫黄を含む炭化水素と蒸気とを含む反応ガス混合物の触媒蒸気改質(STR)によって得られ、蒸気/炭素比、S/Cによって特徴付けられる。このようにして形成された改質油ガスの一酸化炭素含有量は、第2の工程およびその後に続く工程において、充分に低減されて、アノード触媒の触媒的活動が、一酸化炭素によって実質的に損なわれないようにする。このためには、一酸化炭素含有量が、100ppm未満、好ましくは、50ppm未満であれば、充分である。
【0012】
プロセスは、通常、硫黄化合物をある程度の濃度で含む、天然の資源から得られる炭化水素の改質に特に適している。これらの硫黄化合物は、改質の間、効果のある還元条件に起因して、実質的に、硫化水素まで還元される。しかし、改質工程が終わった後の改質油は、依然、硫化水素に変換されなかった有機硫黄化合物のトレースを含み得る。
【0013】
硫黄化合物の一部は、改質および移動触媒によって吸収される。しかし、触媒工程が終わった後の改質油の硫黄含有量は、続く成分のためには、依然として高過ぎる。
【0014】
燃料電池におけるアノード触媒は、特に危険にさらされているが、一酸化炭素の濃度を低減させるために用いられる、低温移動触媒およびガス分離膜は、いずれもリスクを有する。それに対し、改質工程および高温移動工程における触媒は、600℃を超える温度での熱処理によって、脱硫され得、プロセスによって、触媒活動が大幅に再生される。これは、アノード触媒、低温移動触媒、または、必要に応じて使用されるガス分離部材の場合には不可能である。従来のポリマー電解液燃料電池は、約140℃を超えると破壊され、再生に耐えない。従って、改質油における硫黄化合物のアノード触媒に対する毒作用は、不可逆的である。
【0015】
また、低温移動工程における触媒は、水素を生成するプロセス構成様式により、脱硫するための必要な温度まで加熱することができないか、または改質油内の硫黄化合物が耐熱性がないために、改質油ガス内の硫黄化合物は、不可逆的な触媒毒となる。改質油から一酸化炭素を除去するためにしばしば用いられるパラジウムに基づくガス分離膜も、硫黄化合物から保護される必要がある。ガス分離膜の透過能力は、硫黄化合物によって損なわれる。
【0016】
上記の説明に基づくと、当該技術において、アノード触媒の毒作用が大幅になくなるほど、残留硫黄含有量が非常に低い低硫黄改質油ガスを調製する方法が必要とされる。さらに、プロセスは、連続的な動作において、改質の再生および移動触媒を可能にする必要がある。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、アノード触媒の毒作用が大幅になくなるほど、残留硫黄含有量が非常に低い低硫黄改質油ガスを調製し、さらに、連続的な動作において、改質の再生および移動触媒を可能にするプロセスを提供することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明は、反応ガス混合物を触媒蒸気改質することによって、燃料電池システムにおいて用いられるための低硫黄改質油ガスを調製する多工程のプロセスであって、
(a)硫黄を含む炭化水素および蒸気を導入して、改質油を作製する工程と、
(b)該改質油の一酸化炭素含有量を低減する工程と、
(c)該改質油を、工程(a)と工程(b)との間、または、工程(b)の後に、硫黄吸収器を通過させる工程と、
(d)周期的に該触媒の温度を上げることによって、該触媒に吸収される硫黄成分を脱着する工程と、
を包含し、該プロセスが行われている間の該吸収器の温度が、常に、該吸収器にとって最適な温度範囲内で保持される、プロセスを提供する。
【0019】
本発明によると、感度の高い構成要素、すなわち、アノード触媒、低移動触媒、ガス分離膜などを、有害な硫黄化合物から保護するため、改質油ガスに含まれる硫黄種を硫黄吸収器により吸収する。硫黄吸収器は、プロセスの工程(a)(改質工程)のダウンストリームに直接位置付けられるか、または、工程(b)の後のみに位置付けられて、一酸化炭素濃度を低減する。改質油ガスの硫黄含有量は、後に続く構成要素の性能が、硫黄の毒作用によって目に見えて損なわれることがないように、充分に低減される。
【0020】
上記工程(b)において、上記改質油の上記一酸化炭素含有量が高温移動触媒上で低減される。
【0021】
上記プロセスは、上記改質油の上記一酸化炭素含有量が、低温移動触媒上でさらに低減される、さらなる工程をさらに含む。
【0022】
上記硫黄吸収器は、上記高温移動触媒と上記低温移動触媒との間に位置付けられる。
【0023】
上記硫黄成分の脱着に必要な温度の増大は、連続的な動作中、上記反応ガス混合物の上記蒸気/炭素比を低減することによって達成される。
【0024】
上記蒸気改質手順は、空気を上記反応ガス混合物に導入することによって自熱的に行われ、上記空気/燃料比が、上記反応ガス混合物における空気の比率を特徴付けるように用いられ、吸収された上記硫黄成分の脱着に必要な温度の増大は、上記空気/燃料比を増大させることによって達成される。
【0025】
上記温度の増大させるため、上記蒸気/炭素比も低減される。
【0026】
上記吸収器の温度は、上記改質油ガスを一定の温度にすることによって、上記最適な温度範囲内に保持される。
【0027】
上記硫黄吸収器は、特定の用途について典型的な使用間隔で、定期的に取り換えられる。
【0028】
静止燃料電池システムまたは移動燃料電池システムにおける。
【0029】
添付の特許請求の範囲に範囲を示す、実施例と共に以下の説明を参照することによって、本発明、および他のさらなる利点および実施形態がより良く理解される。
【0030】
本発明の好適な実施形態は、例示および説明のために選択されるものであり、本発明の範囲を制限することは意図されない。本発明のある特定の局面は、添付の図面に示される。
【0031】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を、好適な実施形態を参照しながら説明する。これらの実施形態は、本発明の理解を助けるために提供されるものであり、本発明を限定する意図はなく、そのように解釈されるべきものではない。開示内容を読むことによって当業者にとって明らかになる全ての代替例、変更例、および均等物は、本発明の精神および範囲内に含まれる。
【0032】
この開示は、低硫黄改質油ガスを調製する方法を解説する入門書ではないので、当業者にとって公知の基本的な概念を詳細に説明しない。
【0033】
硫黄吸収器は、適切な硫黄吸収剤を含む。プロセス用の適切な吸収剤は、ZnO、Fe2O3、Mn2O3、CuO、およびこれらの混合物である。プロセスの動作期間中、吸収器の温度は、硫黄化合物の吸収能力が最適になる温度範囲に常に維持される。酸化亜鉛の最適な温度範囲は、約350〜400℃である。Fe2O3およびMn2O3の混合物の最適な温度範囲は、200〜300℃である。
【0034】
硫黄は、改質油中に、還元条件によって、実質的にH2Sの形で存在する。しかし、改質油は、硫化水素に完全に変換されなかった有機硫黄化合物のトレースも含み得る。これらの硫黄化合物を吸収するため、吸収剤にゼオライトが混合される。
【0035】
これらの吸収剤は、タブレットまたはペレットの形で改質油ガス蒸気中に位置付けられるか、または、上塗りの形で不活性な蜂の巣構造に与えられる。吸収剤に吸収能力がなくなると、新たな吸収剤が入った吸収器と取り換えられ得る。用いられる吸収剤の重さを増加させることによって、吸収剤の吸収能力は、通常の使用間隔の範囲内で取り換えが行われるように選択され得る。
【0036】
蒸気の改質について、好ましくは、広い表面積サポート材料上に元素の周期表における白金群からの少なくとも1つの貴金属を含む触媒、例えば、活性酸化アルミニウム上に白金および/またはロジウムを含む触媒が用いられる。この触媒材料は、上塗りの形で不活性蜂の巣構造に与えられる。例えば、Pd/ZnOまたはPdZn/ZnO合金触媒に基づく改質触媒も用いられ得る。しかし、ロジウム触媒は、改質の間効果のある還元条件の下で、900〜1000℃までの温度で安定であり、用いられることが好ましい。
【0037】
プロセスは、脂肪族または芳香族の炭化水素、あるいは炭化水素の混合物を用いて行われ得、アルコールを用いても行われ得る。天然ガス、生物学的廃棄物から得られるバイオガス、石油、ディーゼル油、メタノール、またはエタノールが、特に適切である。蒸気/炭素比S/Cは、実際に用いられる炭化水素に依存して、好ましくは、0.7〜4の間の値に調節される。蒸気の改質を行う最適な温度は、触媒のタイプに依存する。貴金属を含む改質触媒の場合、この温度は、400〜900℃の範囲内であり得る。
【0038】
さらに、最適な改質温度は、反応ガス混合物の組成物に依存し、選択された改質プロセス(純粋な蒸気改質(STR)または自熱蒸気改質(ATR))に依存する。天然ガスの定温蒸気改質の場合、最適な温度は、400〜500℃である。メタノールについては、最適な改質温度は、STRプロセスおよびATRプロセスの両方について、400〜450℃である。石油またはディーゼル油の改質に関しては、STRプロセスおよびATRプロセスの両方について、最適な温度は、600〜900℃である。
【0039】
改質ガスは、一酸化炭素を30vol.%まで含み得る。改質油ガス中の一酸化炭素のこの濃度は、プロセスの工程(b)において、好ましくは、高温移動触媒(HTS)上で、350から550℃の温度で、熱平衡に対応する、約3vol.%まで低減される。
【0040】
一酸化炭素含有量をさらに低減するため、改質油は、プロセスのさらなる工程において、180〜300℃の温度で、低温移動触媒と接触させられ得る。該さらなる工程の後の残る改質油中の一酸化炭素含有量は、熱平衡に従って、1vol.%未満である。
【0041】
硫黄吸収器は、プロセスの工程(a)のダウンストリームか、またはプロセスの工程(b)のダウンストリームのいずれかに、位置付けされ得る。両方の場合において、吸収器の最適な温度は、改質油ガスの温度を、熱交換器を用いて適切な温度にすることによって調節される。
【0042】
上述したように、硫黄化合物の一部は、改質触媒上に残る改質油ガスに含まれ、随意に、高温移動触媒上にも残る。このことによって、連続的に触媒活動が低減されるので、改質触媒および高温移動触媒は、硫黄を取り除くことによって、時々、再生される必要がある。
【0043】
これらの触媒の再生は、水素生成システムの連続的な動作の間に起こる。このため、触媒の温度は、周期的に600℃を超えて上昇する。再生に最適な温度は、用いられる触媒に依存する。温度を増大させた結果として、実質的に硫化水素の形で触媒に吸収された硫黄化合物は、水素生成システムにおいて、効果のある還元条件の下で、脱着される。再生段階の間、改質油は、通常動作の間よりも、かなり高い濃度の硫黄化合物を含む。従って、ダウンストリーム硫黄吸収器は、改質油から、この増大した濃度の硫黄化合物を取り除くことができるように設計される必要がある。
【0044】
硫黄吸収器を用いることによってのみ、低温移動触媒、ガス分離膜および燃料電池のようなダウンストリームの部品が硫黄化合物の流入によって損なわれることなく、水素生成システムにおいて、少なくとも部分的に、触媒を再生することが可能である。提案されていたプロセスの利点は、例えば、再生段階における場合のように、変化しやすい動作条件の下でも、硫黄化合物が燃料電池に到達しないということである。
【0045】
再生段階の間、温度を増大させ得る戦略は、水素生成システムの動作の電流モードに依存する。改質する工程は、純粋な蒸気改質として行われ、その後、例えば、反射器を外部加熱することによって、または、反射ガス流を適切に予熱することによって、温度が増大する。しかし、好ましくは、温度は、他の動作状態を同じに保ちながら、すなわち、同じ量の熱を提供しながら、蒸気/炭素比を低減することによって増大する。
【0046】
また、水素生成システムは、反応ガス混合物に空気を供給することによって、自熱的に動作し得る。この場合、反応ガス混合物は、蒸気/炭素比だけではなく、空気/燃料比λによっても特徴付けられ得る。水素生成システムの連続的な動作の下、空気/燃料比は、典型的には、0〜0.5の間隔内にある。触媒を再生するため、改質油ガスの温度は、反応ガス混合物の空気/燃料比を増大させることによって、硫黄加工物にとって必要な脱着温度まで増大され得る。あるいは、または、さらに、蒸気/炭素比は、純粋な蒸気改質の場合においても、再生段階の間低くされ得る。
【0047】
図1および2を用いて、本発明によるプロセスをさらに説明する。図1は、プロセスの工程(a)の後に、硫黄吸収器を用いるプロセススキームを示す。図2は、プロセスの工程(b)の後に、硫黄吸収器を用いるプロセススキームを示す。より具体的には、図1に、自熱蒸気改質(ATR)工程および改質油から一酸化炭素を取り除く高温移動触媒(HTS)工程を含む水素生成スキームを示す。硫黄吸収器は、ATR工程と、HTS工程との間に挿入される。反応混合物の空気/燃料比、および予熱する温度は、用いられる触媒および反応ガス混合物の組成物に依存して、改質条件の下で、ATR工程の最後に、400〜900℃の温度が生成されるように選択される。
【0048】
図1におけるATR工程のダウンストリームは、改質油の温度を、硫黄吸収器の最適な動作温度、約400℃まで低減させる熱交換器である。HTS工程も400℃で行われる。
【0049】
改質油は、HTS工程が終わった後、硫黄加工物を実質的に含まない。図1の実施形態において、改質工程における触媒のみが、硫黄化合物によって、不活性化される。これらの触媒を再生するため、炭化水素、水蒸気および空気を含む反応ガス流の空気/燃料比が増大され、かつ/または、蒸気/炭素比が連続的な動作の間に低減される。従って、ATR工程の最後での温度は、100〜200℃分増大される。
【0050】
図2に、自熱蒸気改質(ATR)工程、改質油から一酸化炭素を取り除く高温移動触媒(HTS)工程および低温移動触媒(LTS)工程を含む水素生成スキームを示す。硫黄吸収器は、HTS工程とLTS工程との間に、挿入される。反応混合物の空気/燃料比λ、および予熱する温度は、用いられる触媒および反応ガス混合物の組成物に依存して、改質条件の下で、ATR工程の最後に、400〜900℃の温度が生成されるように選択される。
【0051】
この実施形態におけるHTS工程の動作温度は、約550℃であり、LTS工程の動作温度は、200℃である。硫黄成分を取り除く硫黄吸収器は、HTS工程とLTS工程との間に挿入される。図1に示す場合と同様に、約400℃で行われる。改質油ガスの温度を、個々の工程の要件まで調節するため、適切な熱交換器が提供される。
【0052】
図2のプロセスの実施形態において、ATR工程における触媒と、HTS工程における触媒とは、硫黄化合物によって、不活性化される。これらの触媒を再生するため、炭化水素、水蒸気および空気を含む反応ガス流の空気/燃料比が増大され、かつ/または蒸気/炭素比が連続的な動作の間に低減される。従って、ATR工程の最後での温度は、100〜200℃分増大される。必要に応じて、より多くの空気が、再生段階の間、HTS工程のアップストリームに導入されて、HTS工程の脱着温度、約700℃が達成され得る。
【0053】
本発明は、特定の実施形態について説明されてきたが、さらなる改良が可能であることが理解される。本願は、本発明の原理に概略的に従い、本発明が属する当該技術において公知または慣習的な実施の範囲内である、本開示内容からの逸脱を含み、上述した欠くことができない特徴に適用され得、添付の特許請求の範囲内に含まれる、あらゆる変形例、使用例、または適用例を含むことが意図されている。
【0054】
本発明は、反応ガス混合物を触媒蒸気改質することによって、燃料電池システムにおいて用いられるための低硫黄改質油ガスを調製する多工程のプロセスであって、
(a)硫黄を含む炭化水素および蒸気を導入して、改質油を作製する工程と、
(b)該改質油の一酸化炭素含有量を低減する工程と、
(c)該改質油を、工程(a)と工程(b)との間、または、工程(b)の後に、硫黄吸収器を通過させる工程と、
(d)周期的に該触媒の温度を上げることによって、該触媒に吸収される硫黄成分を脱着する工程と、
を包含し、該プロセスが行われている間の該吸収器の温度が、常に、該吸収器にとって最適な温度範囲内で保持される、プロセスを提供する。
【0055】
【発明の効果】
本発明により、アノード触媒の毒作用が大幅になくなるほど、残留硫黄含有量が非常に低い低硫黄改質油ガスを調製し、連続的な動作において、改質の再生および移動触媒を可能にするプロセスが提供され得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1に、プロセスの工程(a)の後に硫黄吸収器を用いるプロセススキームを示す。
【図2】 図2に、プロセスの工程(b)の後に硫黄吸収器を用いるプロセススキームを示す。
Claims (10)
- 反応ガス混合物を触媒蒸気改質することによって、燃料電池システムにおいて用いられるための低硫黄改質油ガスを調製する多工程のプロセスであって、
(a)硫黄を含む炭化水素および蒸気を導入して、改質油を作製する工程と、
(b)該改質油の一酸化炭素含有量を低減する工程と、
(c)該改質油を、工程(a)と工程(b)との間、または、工程(b)の後に、硫黄吸収器を通過させる工程と、
(d)周期的に該触媒の温度を上げることによって、該触媒に吸収される硫黄成分を脱着する工程と、
を包含し、該プロセスが行われている間の該吸収器の温度が、常に、該吸収器にとって最適な温度範囲内で保持される、プロセス。 - 前記改質油の前記一酸化炭素含有量が高温移動触媒上で低減される、請求項1に記載のプロセス。
- 前記改質油の前記一酸化炭素含有量が、低温移動触媒上でさらに低減される、さらなる工程をさらに含む、請求項2に記載のプロセス。
- 前記硫黄吸収器は、前記高温移動触媒と前記低温移動触媒との間に位置付けられる、請求項3に記載のプロセス。
- 前記硫黄成分の脱着に必要な温度の増大は、連続的な動作中、前記反応ガス混合物の前記蒸気/炭素比を低減することによって達成される、請求項1に記載のプロセス。
- 前記蒸気改質手順は、空気を前記反応ガス混合物に導入することによって自熱的に行われ、前記空気/燃料比が、該反応ガス混合物における空気の比率を特徴付けるように用いられ、吸収された前記硫黄成分の脱着に必要な温度の増大は、該空気/燃料比を増大させることによって達成される、請求項1に記載のプロセス。
- 前記温度の増大させるため、前記蒸気/炭素比も低減される、請求項6に記載のプロセス。
- 前記吸収器の温度は、前記改質油ガスを一定の温度にすることによって、前記最適な温度範囲内に保持される、請求項1に記載のプロセス。
- 前記硫黄吸収器は、特定の用途について典型的な使用間隔で、定期的に取り換えられる、請求項1に記載のプロセス。
- 静止燃料電池システムまたは移動燃料電池システムにおける、請求項1に記載のプロセスの使用。
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