【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原燃料である都市ガス、ＬＰＧを水蒸気改質する改質器の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の固体高分子形燃料電池システム用の改質器では同心円状に間隔を設けられた二重円筒管の内側に燃焼炉が構成され、必要に応じて燃焼筒を炉内空間に併設するものが一般的であった。こうした改質器の構成は、特開平２０００−３０９０７５、特開平２００１−１５１５０１、特開平２００１−１５５７５６、特開平２００２−３５６３０６、特開平２００３−０６０２等にてその配置構造は公知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、原燃料となる都市ガス、ＬＰＧ等から燃料電池本体に必要な水素を生成する水蒸気改質方式を採用する定置型発電装置及び水素製造装置において、改質ガスを効率良く生成させ、小型軽量化を図ることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、二重円筒の改質管を触媒充填層と伝熱粒子層にて構成し、筒状の二重円筒管として、燃焼炉内の中心に配置し、触媒層をバーナ燃焼器の火炎に向けることで、十分な反応熱を与えると同時に、二重円筒管の内側に伝熱粒子を充填することにより、改質ガス熱回収部を設けることにより熱伝達率を向上させるものである。これにより、改質ガスから改質触媒部への熱交換を実施して，改質ガス出口温度を下げると同時に燃焼排ガスを下げることが可能となる。
このようにすることによって、燃焼炉の空間容積を最小限にすると同時に、使用する触媒量の低減化を図れ小型軽量の改質器を提供することができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施例の改質器を模式的に表した概略構成図である。
本発明では、改質器に供給される原燃料は都市ガスと改質用水が予め混合された後、ＣＯ変成触媒層の反応熱により原燃料を予熱する予熱部（１）と一酸化炭素除去触媒層の反応熱により原燃料を予熱する予熱部（２）に導かれる。原燃料は予熱部（１）の入口ノズル２１ａより導入された原燃料は、予熱された後、出口ノズル２１ｂより取り出され、更に、入口ノズル２２ａに導かれ、更に予熱された後、出口ノズル２２ｂより導出される。原燃料ガスはＣＯ変成触媒及び、一酸化炭素除去触媒の反応熱にて１２０℃まで予熱される。その後、原燃料入口ノズル８より供給され、燃焼排ガス６と熱交換されて原燃料出口ノズル１４より４００℃〜５００℃のガスとして取り出され、改質器入口部１５より供給される。原燃料ガスは改質器上部より改質触媒層２をダウンフローで流れ、改質管１の底部に向けて水蒸気改質反応が進む。改質管底部で改質ガスは折り返して、改質ガス出口ノズル３を上方向に流れる。この際に改質後ガス温度はシステム運用上６００℃〜７００℃で運用されるが、この改質ガスは改質管出口ノズル３に充填された改質ガス熱回収部となる伝熱粒子７により、改質ガスから改質触媒部への熱交換を実施して，改質ガス出口温度を３００℃〜４００℃に下げることが出来る。
【０００６】
改質器で水素リッチにされた改質ガスは、耐熱性の高い貴金属系ＣＯ変成触媒層１０にて一酸化炭素濃度を０．５％以下にまで低減させた後、一酸化炭素除去触媒層１１に導入される。この際、ＣＯ変成器出口ガス温度は１８０℃程度までさげられているのが通常である。
このＣＯ変成触媒層１０から導出された改質ガスに一酸化炭素除去触媒層１１の選択酸化反応に必要な酸化剤を酸化剤導入口１８より導入した場合、触媒層におけるピーク温度が顕著に上昇するため、伝熱粒子充填層１２を一酸化炭素除去触媒層１１の内側に設けることにより、この伝熱粒子充填層１２から原燃料入口８より導入された原燃料と熱交換させることにより、酸化剤と改質ガス中の一酸化炭素による急激な温度上昇が起こらない温度水準である１２０℃程度にまで下げることを可能にしている。
【０００７】
このような構成によれば、改質器からの放熱量を最小限に抑えることが可能となり、熱効率が向上するという効果も得られる。
更に、ここでは改質管の外表面の構造を工夫することにより、改質管１に充填されている改質触媒層２に効率よく熱を伝えることが可能となる。
図２は、本発明の異なる実施例での改質管を模式的に表した概略構成図である。
本発明にて伝熱フィンを垂直に複数本取り付けたことにより改質効率が上昇する。更に、燃焼排ガスを螺旋状のフィンにより強制対流伝熱により触媒層への熱伝達を効率的に行なわせることも可能である。また、こうした伝熱フィンと同時に改質管表面に微小な凹凸面を加工（ローレット加工）することによりガス境膜を乱す効果もあり、触媒層への伝熱が改善され改質性能が向上する効果が認められた。
【０００８】
図３は、本発明による改質管内に充填された改質触媒層の出口温度の推移である。改質管内の改質ガス出口ノズル部３を空塔とした場合、改質触媒層２への改質後ガスの伝熱が得られず、触媒出口温度は６００℃程度と低い結果が得られた。本発明に示された伝熱粒子７を改質ガス出口ノズル３に充填することにより、改質ガスの伝熱は促進され、改質触媒層温度が高く維持できることが明らかとなった。更に、図２に示された改質反応管の表面加工を実施したことにより、より熱伝達率が向上し触媒層温度を十分な温度レベルに維持することが可能となった。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、改質管を燃焼炉内の中心に配置したことにより、改質装置全体を小型軽量化を図ることが可能となった。また、改質触媒層出口に設けられた伝熱粒子により燃焼ガス及び改質後ガスの熱を十分に改質触媒層に与えることが出来るようになった。
反応器全体を軽量化できたことにより熱容量の小さい反応器構成となり起動時間短縮にも寄与し、小型改質装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す改質器を模式的に表した概略構成図である。
【図２】本発明の実施例を示す改質反応管を模式的に表した概略構成図である。
【図３】本発明の実施例における改質触媒層出口温度の推移である。
【符号の説明】
１：改質管
２：改質触媒
３：改質ガス出口ノズル
４：燃焼排ガス流路（１）
５：断熱材
６：燃焼排ガス流路（２）
７：伝熱粒子
８：原燃料入口
９：排ガス出口
１０：ＣＯ変成触媒
１１：一酸化炭素除去触媒
１２：伝熱粒子
１３：バーナ
１４：予熱原燃料出口
１５：改質器入口
１６：改質器出口
１７：ＣＯ変成器入口
１８：酸化剤入口
１９：改質ガス出口
２０：空気予熱部
２１ａ：予熱部（１）入口ノズル
２１ｂ：予熱（１）出口ノズル
２２ａ：予熱部（２）入口ノズル
２２ｂ：予熱（２）出口ノズル
２３：伝熱フィン
２４：改質管表面加工[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to the structure of a reformer for steam reforming city gas and LPG as raw fuel.
[0002]
[Prior art]
In conventional reformers for polymer electrolyte fuel cell systems, a combustion furnace is constructed inside a concentrically spaced double cylindrical tube, and a combustion cylinder is installed in the furnace space as necessary. Was common. The configuration of such a reformer is known in JP-A-2000-309075, JP-A-2001-151501, JP-A-2001-155756, JP-A-2002-356306, JP-A-2003-0602, and the like.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention provides a stationary power generation device and a hydrogen production device that employ a steam reforming method of generating hydrogen required for a fuel cell main body from city gas serving as a raw fuel, LPG, and the like, and efficiently generates reformed gas. The purpose is to reduce the size and weight.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The present invention comprises a double-cylindrical reforming tube composed of a catalyst-packed layer and a heat-transfer particle layer, arranged as a cylindrical double-cylindrical tube in the center of a combustion furnace, and the catalyst layer of a burner combustor. By directing the flame, sufficient reaction heat is given, and at the same time, the heat transfer coefficient is improved by providing a reformed gas heat recovery section by filling the inside of the double cylindrical tube with heat transfer particles. . This makes it possible to perform heat exchange from the reformed gas to the reforming catalyst section, thereby lowering the reformed gas outlet temperature and simultaneously lowering the combustion exhaust gas.
By doing so, the space volume of the combustion furnace can be minimized, and at the same time, the amount of catalyst used can be reduced, and a compact and lightweight reformer can be provided.
[0005]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic configuration diagram schematically showing a reformer according to an embodiment of the present invention.
According to the present invention, the raw fuel supplied to the reformer is obtained by mixing the city gas and the reforming water in advance, and then preheating the raw fuel by the reaction heat of the CO shift catalyst layer and removing carbon monoxide. The reaction heat of the catalyst layer guides the raw fuel to a preheating section (2). The raw fuel introduced from the inlet nozzle 21a of the preheating unit (1) is preheated, taken out from the outlet nozzle 21b, guided to the inlet nozzle 22a, further preheated, and then discharged from the outlet nozzle 22b. Derived from The raw fuel gas is preheated to 120 ° C. by the reaction heat of the CO shift catalyst and the carbon monoxide removal catalyst. Thereafter, it is supplied from the raw fuel inlet nozzle 8, exchanges heat with the combustion exhaust gas 6, is taken out from the raw fuel outlet nozzle 14 as a gas at 400 ° C. to 500 ° C., and is supplied from the reformer inlet 15. The raw fuel gas flows down the reforming catalyst layer 2 from the upper part of the reformer, and the steam reforming reaction proceeds toward the bottom of the reforming tube 1. The reformed gas turns back at the bottom of the reforming tube and flows upward through the reformed gas outlet nozzle 3. At this time, the reformed gas is operated at a temperature of 600 ° C. to 700 ° C. for system operation, and the reformed gas is supplied to the heat transfer particles 7 serving as the reformed gas heat recovery unit filled in the reforming tube outlet nozzle 3. As a result, heat exchange from the reformed gas to the reforming catalyst section can be performed, and the outlet temperature of the reformed gas can be reduced to 300 ° C. to 400 ° C.
[0006]
The hydrogen-rich reformed gas in the reformer is used to reduce the concentration of carbon monoxide to 0.5% or less in the noble metal-based CO shift catalyst layer 10 having high heat resistance, and then the carbon monoxide removal catalyst layer. 11 is introduced. At this time, the gas temperature at the outlet of the CO converter is usually reduced to about 180 ° C.
When an oxidizing agent required for the selective oxidation reaction of the carbon monoxide removing catalyst layer 11 is introduced into the reformed gas derived from the CO shift catalyst layer 10 through the oxidizing agent inlet 18, the peak temperature in the catalyst layer significantly increases. Therefore, by providing the heat transfer particle packed layer 12 inside the carbon monoxide removal catalyst layer 11, heat exchange with the raw fuel introduced from the raw fuel inlet 8 from the heat transfer particle packed layer 12 results in oxidation. This makes it possible to lower the temperature to about 120 ° C., which is a temperature level at which no rapid temperature rise occurs due to the agent and carbon monoxide in the reformed gas.
[0007]
According to such a configuration, the amount of heat radiation from the reformer can be minimized, and the effect of improving thermal efficiency can be obtained.
Further, here, heat can be efficiently transmitted to the reforming catalyst layer 2 filled in the reforming tube 1 by devising the structure of the outer surface of the reforming tube.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram schematically showing a reforming tube according to another embodiment of the present invention.
According to the present invention, the reforming efficiency is increased by vertically attaching a plurality of heat transfer fins. Furthermore, it is possible to efficiently transfer heat to the catalyst layer by forced convection heat transfer of the combustion exhaust gas by the spiral fins. In addition, by processing (knurling) minute irregularities on the surface of the reforming tube simultaneously with the heat transfer fins, there is also an effect of disturbing the gas film, and the heat transfer to the catalyst layer is improved and the reforming performance is improved. The effect was recognized.
[0008]
FIG. 3 shows the transition of the outlet temperature of the reforming catalyst layer filled in the reforming tube according to the present invention. When the reformed gas outlet nozzle portion 3 in the reforming tube is an empty tower, heat transfer of the reformed gas to the reforming catalyst layer 2 is not obtained, and the catalyst outlet temperature is as low as about 600 ° C. Was. By filling the heat transfer particles 7 shown in the present invention into the reformed gas outlet nozzle 3, it was found that the heat transfer of the reformed gas was promoted and the temperature of the reforming catalyst layer could be kept high. Further, by performing the surface treatment of the reforming reaction tube shown in FIG. 2, the heat transfer coefficient was further improved, and the catalyst layer temperature could be maintained at a sufficient temperature level.
[0009]
【The invention's effect】
According to the present invention, the entire reforming apparatus can be reduced in size and weight by arranging the reforming tube at the center in the combustion furnace. Further, the heat of the combustion gas and the reformed gas can be sufficiently given to the reforming catalyst layer by the heat transfer particles provided at the outlet of the reforming catalyst layer.
The reduction in the weight of the entire reactor results in a reactor configuration having a small heat capacity, which contributes to a reduction in the start-up time, thereby providing a compact reformer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram schematically showing a reformer according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram schematically showing a reforming reaction tube showing an example of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the transition of the reforming catalyst layer outlet temperature in the example of the present invention.
[Explanation of symbols]
1: Reforming tube 2: Reforming catalyst 3: Reformed gas outlet nozzle 4: Combustion exhaust gas channel (1)
5: thermal insulation 6: flue gas flow path (2)
7: Heat transfer particles 8: Raw fuel inlet 9: Exhaust gas outlet 10: CO shift catalyst 11: Carbon monoxide removal catalyst 12: Heat transfer particles 13: Burner 14: Preheat raw fuel outlet 15: Reformer inlet 16: Reforming Unit outlet 17: CO converter inlet 18: Oxidant inlet 19: Reformed gas outlet 20: Air preheating unit 21a: Preheating unit (1) Inlet nozzle 21b: Preheating (1) Outlet nozzle 22a: Preheating unit (2) Inlet nozzle 22b: Preheating (2) Outlet nozzle 23: Heat transfer fin 24: Reforming tube surface processing
