JP2005089209A - Reforming equipment, and fuel cell system - Google Patents

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Tomonari Komiyama
知成 小宮山
Yasuhiro Kubota
泰宏 久保田
Takeshi Kawakatsu
健 川勝
Tadashi Seike
匡 清家
Akira Goto
後藤  晃
Jo Ibuka
丈 井深
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To uniformly feed a gaseous starting material into a reforming reaction region by a simple constitution reducing the required space in reforming equipment, and to attain miniaturizing, lightening, increase of performance and elongation of the service life in a fuel cell system comprising the reforming equipment. <P>SOLUTION: In the reforming equipment comprising a reforming reaction tube provided with a catalytic layer for producing a hydrogen-containing gas by reforming the raw material for producing hydrogen, a pressure loss generating means for generating pressure loss in the reforming reaction tube is provided. In the fuel cell system equipped with reforming equipment comprising a reforming reaction tube provided with a catalytic layer for producing a hydrogen-containing gas by reforming the raw material for producing hydrogen, and a fuel cell using a hydrogen-containing gas as fuel, the reforming equipment is provided with a pressure loss generating means for generating pressure loss in the reforming reaction tube. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は灯油等の原料を改質して水素を製造するための改質器に関する。特には燃料電池システムに好適に用いることのできる改質器に関する。また本発明はこのような改質器を有する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a reformer for producing hydrogen by reforming raw materials such as kerosene. In particular, the present invention relates to a reformer that can be suitably used in a fuel cell system. The present invention also relates to a fuel cell system having such a reformer.

燃料電池はエネルギー利用効率の良い発電システムとして開発が活発化している。この中でも固体高分子形燃料電池は高い出力密度、取り扱いの容易さなどから特に注目を集めている。   Development of fuel cells has been actively promoted as a power generation system with high energy utilization efficiency. Among them, the polymer electrolyte fuel cell is particularly attracting attention because of its high power density and ease of handling.

燃料電池は水素と酸素との電気化学的な反応により発電するため、水素供給手段の確立が必須である。この方法の一つとして炭化水素燃料などの水素製造用原料を改質し水素を製造する方法があり、炭化水素燃料の供給システムがすでに社会的に整備されている点で、純水素を用いる方法より有利である。   Since a fuel cell generates power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, it is essential to establish a hydrogen supply means. As one of the methods, there is a method of producing hydrogen by reforming a raw material for hydrogen production such as a hydrocarbon fuel, and a method using pure hydrogen in that a hydrocarbon fuel supply system has already been socially established. More advantageous.

炭化水素燃料としては、都市ガス、ガソリン、灯油、軽油などがある。ガソリン、灯油、軽油などの液体燃料は取り扱い、保存および輸送が容易であること、安価であることなどの特徴から燃料電池用燃料として注目されている。これらの炭化水素燃料を燃料電池で用いるためには炭化水素から水素を製造することが必要であるが、このために、改質器で炭化水素を水と反応させ主に一酸化炭素と水素に分解し、続いてシフト反応器で大部分の一酸化炭素を水と反応させ水素と二酸化炭素に転換し、最後に選択酸化反応器において微量の残存一酸化炭素を酸素と反応させ二酸化炭素にすることが行われている。また、硫黄が改質触媒などの被毒物質となるため、炭化水素燃料中の硫黄を除去するための脱硫器が設けられる場合も多い。   Examples of the hydrocarbon fuel include city gas, gasoline, kerosene, and light oil. Liquid fuels such as gasoline, kerosene, and light oil are attracting attention as fuel cells because they are easy to handle, store and transport, and are inexpensive. In order to use these hydrocarbon fuels in fuel cells, it is necessary to produce hydrogen from hydrocarbons. For this purpose, hydrocarbons are reacted with water in a reformer, mainly into carbon monoxide and hydrogen. In the shift reactor, where most of the carbon monoxide reacts with water to convert it to hydrogen and carbon dioxide, and finally in the selective oxidation reactor, a small amount of residual carbon monoxide reacts with oxygen to form carbon dioxide. Things have been done. Further, since sulfur becomes a poisoning substance such as a reforming catalyst, a desulfurizer for removing sulfur in the hydrocarbon fuel is often provided.

燃料電池のために用いられる改質器として、複数の改質反応管(触媒管)を有する改質器が特許文献1に開示されている。   As a reformer used for a fuel cell, Patent Document 1 discloses a reformer having a plurality of reforming reaction tubes (catalyst tubes).

また改質器を有する燃料電池システムは、例えば特許文献2に開示される。
特表2002−529895号公報 特開2003−187832号公報
A fuel cell system having a reformer is disclosed in, for example, Patent Document 2.
Special table 2002-529895 gazette JP 2003-187832 A

改質器においては反応領域の温度分布を管理することが重要である。反応温度があまり低いと転化率が低くなったり、反応温度があまり高いと触媒や反応管がダメージを受けたりすることがあるからである。いわゆるコールドスポットやホットスポットの発生は極力抑えることが求められる。しかし、改質反応は反応熱が大きい。例えば水蒸気改質反応は激しい吸熱を伴い、水蒸気改質反応に反応熱を供給するためのバーナ部での燃焼反応は酸激しい発熱を伴う。このため改質器では、反応領域の温度分布が急峻になりやすく、その管理はシフト反応器などに比べて難しい。   In the reformer, it is important to manage the temperature distribution in the reaction zone. This is because if the reaction temperature is too low, the conversion rate decreases, and if the reaction temperature is too high, the catalyst and the reaction tube may be damaged. It is required to suppress the occurrence of so-called cold spots and hot spots as much as possible. However, the reforming reaction has a large reaction heat. For example, the steam reforming reaction involves intense endotherm, and the combustion reaction in the burner section for supplying reaction heat to the steam reforming reaction involves intense acid heat generation. For this reason, in the reformer, the temperature distribution in the reaction region tends to be steep, and its management is difficult compared to a shift reactor or the like.

温度分布管理を良好に行うためには、反応領域となる改質触媒層に極力均一に原料ガスを供給することが望まれる。反応管を複数本並列に設ける場合は、それぞれの反応管へ供給するガスの量を均一にすることが望まれる。これらは触媒層にデッドゾーンを生じさせずに触媒層を効率的に利用する観点からも望まれることである。しかし、特に燃料電池システム用の改質器には、小型化、軽量化の要求が強く、ガス流配を良好にするために大きなスペースをとったり大きな部材を使用したりすることは避けることが望まれている。   In order to satisfactorily manage the temperature distribution, it is desired to supply the raw material gas as uniformly as possible to the reforming catalyst layer as the reaction region. When a plurality of reaction tubes are provided in parallel, it is desired that the amount of gas supplied to each reaction tube be uniform. These are also desired from the viewpoint of efficiently using the catalyst layer without causing a dead zone in the catalyst layer. However, a reformer for a fuel cell system has a strong demand for miniaturization and weight reduction, and it is desirable to avoid taking a large space or using a large member for improving gas distribution. It is rare.

また、同じ反応管に同じ触媒を同量充填したとしても、触媒の充填状態によって触媒層の圧力損失に差が生じることがあるため、例えば複数の改質反応管を並列に設けた場合に、各反応管に供給するガス量を均一にすることは難しかった。   In addition, even if the same amount of the same catalyst is filled in the same reaction tube, there may be a difference in the pressure loss of the catalyst layer depending on the filling state of the catalyst. For example, when a plurality of reforming reaction tubes are provided in parallel, It was difficult to make the amount of gas supplied to each reaction tube uniform.

従って、極力簡易かつスペースをとらない構成によって、また触媒層の圧力損失のバラツキによる影響を抑え、改質器の反応領域に原料ガスを均一に供給することが望ましい。   Therefore, it is desirable to supply the raw material gas uniformly to the reaction region of the reformer by using a configuration that is as simple and space-saving as possible, and that suppresses the influence of variations in pressure loss of the catalyst layer.

本発明の目的は、改質器において、簡易かつスペースをとらない構成によって、改質反応領域に原料ガスを均一に供給することを可能とすることである。本発明の別の目的は、改質器を有する燃料電池システムにおいて、小型軽量化、高性能化、長寿命化を図ることである。   An object of the present invention is to enable uniform supply of a raw material gas to a reforming reaction region with a simple and space-saving configuration in a reformer. Another object of the present invention is to achieve a reduction in size, weight, performance, and life in a fuel cell system having a reformer.

本発明により、水素製造用原料を改質して水素を含有する水素含有ガスを製造するための、触媒層を備える改質反応管を有する改質器において、
該改質反応管に圧力損失を生じさせる圧力損失発生手段を備えることを特徴とする改質器が提供される。
According to the present invention, in a reformer having a reforming reaction tube having a catalyst layer for producing a hydrogen-containing gas containing hydrogen by reforming a raw material for hydrogen production,
There is provided a reformer comprising pressure loss generating means for generating a pressure loss in the reforming reaction tube.

この改質器は燃料電池システムに用いるに好ましい。   This reformer is preferred for use in a fuel cell system.

上記改質器が、前記改質反応管を複数有し、かつそれぞれの改質反応管に前記圧力損失発生手段としてオリフィスを備えることが好ましい。   The reformer preferably includes a plurality of the reforming reaction tubes, and each reforming reaction tube includes an orifice as the pressure loss generating means.

この改質器において、それぞれの改質反応管に備わるオリフィスの定格運転条件における圧力損失が、各改質反応管に備わる触媒層の定格運転条件における圧力損失の平均値の2倍以上、10倍以下であることが好ましい。   In this reformer, the pressure loss under the rated operating condition of the orifice provided in each reforming reaction tube is more than twice the average value of the pressure loss under the rated operating condition of the catalyst layer provided in each reforming reaction tube, and 10 times. The following is preferable.

また、それぞれの改質反応管に備わるオリフィスの断面積が、該改質反応管の流路方向断面積の1/10000以上1/4以下であることが好ましい。   In addition, the cross-sectional area of the orifice provided in each reforming reaction tube is preferably 1 / 10,000 or more and 1/4 or less of the cross-sectional area in the flow path direction of the reforming reaction tube.

上記改質器において、前記改質反応管の流路方向断面が円環状であり、該改質反応管に前記圧力損失発生手段として円環状の分散板を備えることが好ましい。   In the reformer, it is preferable that a cross section in the flow direction of the reforming reaction tube is annular, and the reforming reaction tube is provided with an annular dispersion plate as the pressure loss generating means.

本発明により、水素製造用原料を改質して水素を含有する水素含有ガスを製造するための、触媒層を備える改質反応管を有する改質器と、該水素含有ガスを燃料として用いる燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、
該改質器が、該改質反応管に圧力損失を生じさせる圧力損失発生手段を備えることを特徴とする燃料電池システムが提供される。
According to the present invention, a reformer having a reforming reaction tube having a catalyst layer for reforming a raw material for producing hydrogen to produce a hydrogen-containing gas containing hydrogen, and a fuel using the hydrogen-containing gas as a fuel In a fuel cell system comprising a battery,
A fuel cell system is provided in which the reformer includes pressure loss generating means for generating a pressure loss in the reforming reaction tube.

本発明によれば、水素製造用原料を改質して水素を含有する水素含有ガスを得るための改質器において、簡易かつ所要容積の小さい構成によって、改質反応領域へのガス供給の均一性を優れたものにすることができる。また、複数の改質反応管を有する改質器において、各反応管へのガス供給の均一性を優れたものにすることができる。   According to the present invention, in a reformer for reforming a raw material for hydrogen production to obtain a hydrogen-containing gas containing hydrogen, a uniform gas supply to the reforming reaction region is achieved with a simple and small configuration. The property can be made excellent. Further, in a reformer having a plurality of reforming reaction tubes, the uniformity of gas supply to each reaction tube can be made excellent.

この結果、触媒層の効率的な利用が可能となり、改質器を小型軽量化することができる。また反応温度分布の管理が容易になり、転化率の低下防止、触媒や反応管の長寿命化が実現できる。さらに、複数の改質反応管を有する改質器において、管毎の温度分布を小さくすることができる。   As a result, the catalyst layer can be used efficiently, and the reformer can be reduced in size and weight. Also, the reaction temperature distribution can be easily managed, the conversion rate can be prevented from being lowered, and the life of the catalyst and the reaction tube can be extended. Furthermore, in a reformer having a plurality of reforming reaction tubes, the temperature distribution for each tube can be reduced.

このような改質器を備えた燃料電池システムは、小型軽量となり、また高い性能を長期にわたって発揮することができる。   A fuel cell system equipped with such a reformer is small and lightweight, and can exhibit high performance over a long period of time.

圧力損失発生手段としては、反応管内の流れについて圧力損失が発生するものであれば用いることができるが、コンパクトさや製造容易性の観点などから、オリフィスあるいは分散板を用いることが好ましい。   As the pressure loss generating means, any means can be used as long as the pressure loss is generated in the flow in the reaction tube, but an orifice or a dispersion plate is preferably used from the viewpoint of compactness and manufacturability.

図1は、複数の改質反応管が並列に配された改質器の一形態につき、その反応管配列の概略の構成を示す模式的断面図である。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a reaction tube array for one form of a reformer in which a plurality of reforming reaction tubes are arranged in parallel.

改質器には、供給ガス、例えば水素製造用原料とスチームとの混合ガスがガス供給口1から供給され、入り口側マニホールド2にて分配されて複数の改質反応管3にそれぞれ流入する。各反応管3には触媒が充填され、触媒層4が形成されている。供給ガスは触媒層において改質されて水素を含む改質ガスとなり、オリフィス6を通って出口側マニホールド7にて合流し、排出口8から流出する。   A supply gas, for example, a mixed gas of hydrogen production raw material and steam is supplied to the reformer from the gas supply port 1, distributed in the inlet side manifold 2, and flows into the plurality of reforming reaction tubes 3. Each reaction tube 3 is filled with a catalyst to form a catalyst layer 4. The supply gas is reformed in the catalyst layer to become a reformed gas containing hydrogen, merges in the outlet side manifold 7 through the orifice 6, and flows out from the discharge port 8.

ここでは改質反応管は円管であり、オリフィスプレート5は円形の貫通孔(オリフィス6)が中央に1つ設けられた円環状の板である。オリフィスプレートは改質反応管の流路を覆うように各改質反応管に一つずつ設けられ、反応管を流れるガスの流路は、オリフィスプレートによって一旦狭められた後、マニホールドに向かって拡大され、ここで圧力損失が生じる。各改質反応管の形状(寸法も含め)は同じであり、各オリフィスプレートの形状(寸法も含め)も同じであり、各改質反応管には同じ触媒が同じ量充填される。   Here, the reforming reaction tube is a circular tube, and the orifice plate 5 is an annular plate provided with one circular through hole (orifice 6) in the center. An orifice plate is provided in each reforming reaction tube so as to cover the flow path of the reforming reaction tube, and the gas flow path flowing through the reaction tube is once narrowed by the orifice plate and then expanded toward the manifold. Where pressure loss occurs. The shape (including dimensions) of each reforming reaction tube is the same, the shape (including dimensions) of each orifice plate is also the same, and each reforming reaction tube is filled with the same amount of the same catalyst.

オリフィスプレートは機械加工により容易に精密に加工でき、従って一定条件下における圧力損失が殆ど同じオリフィスプレートを多数製造することは容易である。また、オリフィスプレートは薄い板とすることができ、所要スペースをごく僅かにすることができる。   Orifice plates can be machined easily and precisely, so it is easy to produce a large number of orifice plates with almost the same pressure loss under certain conditions. Further, the orifice plate can be a thin plate, and the required space can be made very small.

精度良く同一形状とされたオリフィスが各改質反応管に設けられることにより、各改質反応管へのガス流配が、触媒層の圧力損失に支配されることなく、より均一となる。   By providing each reforming reaction tube with an orifice having the same shape with high accuracy, the gas flow distribution to each reforming reaction tube becomes more uniform without being controlled by the pressure loss of the catalyst layer.

オリフィスの圧力損失は、触媒層の圧力損失の影響を抑える観点から触媒層の圧力損失(各触媒層の圧力損失の平均値)の好ましくは2倍以上、より好ましくは3倍以上、さらに好ましくは4倍以上とされる。一方、エネルギーロスを抑える観点からオリフィスの圧力損失は好ましくは10倍以下、より好ましくは8倍以下、さらに好ましくは6倍以下とされる。なお、これら圧力損失は定格運転条件における値である。   From the viewpoint of suppressing the influence of the pressure loss of the catalyst layer, the pressure loss of the orifice is preferably 2 times or more, more preferably 3 times or more, more preferably 3 times or more of the pressure loss of the catalyst layer (average value of the pressure loss of each catalyst layer). 4 times or more. On the other hand, from the viewpoint of suppressing energy loss, the pressure loss of the orifice is preferably 10 times or less, more preferably 8 times or less, and further preferably 6 times or less. These pressure losses are values under rated operating conditions.

触媒層の形態によっても異なるが、エネルギーロスを抑える観点から、オリフィスの断面積(So)は改質反応管の断面積(Sr)の1/10000以上が好ましく、1/900以上がより好ましく、1/400以上がさらに好ましい。一方触媒層の圧力損失の影響を抑える観点から、この断面積比So/Srは1/4以下が好ましく、1/9以下がより好ましく、1/25以下がさらに好ましい。   Although depending on the form of the catalyst layer, from the viewpoint of suppressing energy loss, the cross-sectional area (So) of the orifice is preferably 1 / 10,000 or more, more preferably 1/900 or more, of the cross-sectional area (Sr) of the reforming reaction tube, 1/400 or more is more preferable. On the other hand, from the viewpoint of suppressing the influence of the pressure loss of the catalyst layer, the cross-sectional area ratio So / Sr is preferably 1/4 or less, more preferably 1/9 or less, and further preferably 1/25 or less.

改質反応管の形状やオリフィスの形状は公知の形状から適宜選ぶことができるが、製造容易性や強度等の観点から改質反応管は流路方向断面が円形であること、すなわち円形の管であることが好ましく、オリフィスの断面も円形であることが好ましい。この場合、オリフィスの直径は、触媒層の圧力損失の影響を抑える観点から、好ましくは改質反応管の直径の1/100以上、より好ましくは1/30以上、さらに好ましくは1/20以上とされる。一方、エネルギーロスを抑える観点から好ましくは改質反応管の直径の1/2以下、より好ましくは1/3以下、さらに好ましくは1/5以下とされる。   The shape of the reforming reaction tube and the shape of the orifice can be appropriately selected from known shapes, but the reforming reaction tube has a circular cross section in the flow passage direction from the viewpoints of manufacturability and strength, that is, a circular tube. It is preferable that the orifice has a circular cross section. In this case, the diameter of the orifice is preferably 1/100 or more, more preferably 1/30 or more, and further preferably 1/20 or more of the diameter of the reforming reaction tube from the viewpoint of suppressing the influence of pressure loss of the catalyst layer. Is done. On the other hand, from the viewpoint of suppressing energy loss, it is preferably 1/2 or less, more preferably 1/3 or less, and further preferably 1/5 or less of the diameter of the reforming reaction tube.

また、各改質反応管へのガス流配の均一性の観点から、各オリフィスの圧力損失のバラツキは、定格運転条件において、次式で表される改質管の最大差圧と最小差圧の比のルートが1.03以下になるようにが好ましい(この場合の改質管の差圧には、触媒層およびオリフィスの差圧を含む)。   In addition, from the viewpoint of the uniformity of gas flow distribution to each reforming reaction tube, the pressure loss variation of each orifice is the maximum differential pressure and the minimum differential pressure of the reforming tube expressed by the following formulas under the rated operating conditions. It is preferable that the ratio route is 1.03 or less (the differential pressure of the reforming tube in this case includes the differential pressure of the catalyst layer and the orifice).

Figure 2005089209
これが実現されるような精度でオリフィスを製造すればよい。
Figure 2005089209
The orifice may be manufactured with such an accuracy that this can be realized.

上記形態では、オリフィスを触媒層の下流に設けたが、オリフィスを設ける場所はそれぞれの反応管の流路であればよく、例えばオリフィスを触媒層の上流に設けることもできる。   In the above embodiment, the orifice is provided downstream of the catalyst layer. However, the orifice may be provided in the flow path of each reaction tube. For example, the orifice may be provided upstream of the catalyst layer.

ここでは、ガスの流れはアップフローとしているが、ダウンフローでも良い。   Here, the gas flow is an upflow, but it may be a downflow.

図1では、改質反応管が一つの平面上に並列に配列したように示されている。改質反応管を一つの平面上に並列に配列した形態も可能であるが、図2に示すように改質反応管3を円周(仮想線30で示す)上に配列することもできる。そして、マニホールド2および7の断面を円環状(上記円周30と同心)とすることができる。この場合、改質反応管の配列の中央軸に沿ってバーナ32を設け、このバーナによって水蒸気改質反応に必要な熱を改質反応管外側から触媒層4に供給することができる。改質反応管、マニホールド、バーナは密閉可能な容器31に収められる。バーナには、燃焼用燃料供給管33から燃焼用燃料が、燃焼用空気供給管34から酸素含有ガスとして空気が供給される。燃焼ガスは燃焼ガス排出管35から排出される。ガス供給管1から改質に必要なガスが供給され、得られた改質ガスは改質ガス排出口8から排出される。なお、図2(a)はこの形態の改質器の上面図、図2(b)は側断面図である。   In FIG. 1, the reforming reaction tubes are illustrated as being arranged in parallel on one plane. A form in which the reforming reaction tubes are arranged in parallel on one plane is also possible, but the reforming reaction tubes 3 can also be arranged on the circumference (indicated by a virtual line 30) as shown in FIG. The cross sections of the manifolds 2 and 7 can be annular (concentric with the circumference 30). In this case, a burner 32 is provided along the central axis of the reforming reaction tube array, and heat necessary for the steam reforming reaction can be supplied from the outside of the reforming reaction tube to the catalyst layer 4 by this burner. The reforming reaction tube, manifold, and burner are stored in a container 31 that can be sealed. The burner is supplied with combustion fuel from the combustion fuel supply pipe 33 and air as oxygen-containing gas from the combustion air supply pipe 34. The combustion gas is discharged from the combustion gas discharge pipe 35. A gas necessary for reforming is supplied from the gas supply pipe 1, and the obtained reformed gas is discharged from the reformed gas discharge port 8. 2A is a top view of the reformer of this embodiment, and FIG. 2B is a side sectional view.

次に、図3を用い、本発明の別の形態について説明する。図3(a)は改質反応管の側断面図、(b)はA−A’矢視図である。ここに示す改質反応管13は断面が円環の柱状であり、二重管の端部を閉じることで製造できる。貫通孔16を有する円環状の分散板15が改質反応管内部を区画している。分散板の図中下の領域は、いわばマニホールドとして機能する空隙である(以下、マニホールド領域12と称す。)。分散板の図中上の領域には、図中上下に空隙19および17を設けて、断面が円環状の触媒層14が形成される。   Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3A is a side sectional view of the reforming reaction tube, and FIG. 3B is a view taken along the arrow A-A ′. The reforming reaction tube 13 shown here has an annular column shape in cross section, and can be manufactured by closing the end of the double tube. An annular dispersion plate 15 having a through hole 16 defines the reforming reaction tube. The lower area in the drawing of the dispersion plate is a space that functions as a manifold (hereinafter referred to as a manifold area 12). In the upper region of the dispersion plate in the drawing, voids 19 and 17 are provided at the top and bottom in the drawing, and the catalyst layer 14 having an annular cross section is formed.

ガス供給口11から供給されたガスはマニホールド領域12を経て分散板の孔16から空隙19へ、次いで触媒層14へと流入する。触媒層で改質反応が起き、改質ガスが空隙17を経て排出口18から排出される。   The gas supplied from the gas supply port 11 flows through the manifold region 12 from the hole 16 of the dispersion plate into the gap 19 and then into the catalyst layer 14. A reforming reaction occurs in the catalyst layer, and the reformed gas is discharged from the discharge port 18 through the gap 17.

このとき、分散板の圧力損失の効果により、触媒層へのガス供給の均一性が向上する。分散板は板状部材に複数の貫通孔が設けられたものであり、図3には合計8個の孔を示しているが、所望のガス流均一性に応じて、貫通孔の孔径、数、配置を調整することができる。   At this time, the uniformity of gas supply to the catalyst layer is improved by the effect of the pressure loss of the dispersion plate. The dispersion plate is a plate-like member provided with a plurality of through holes, and FIG. 3 shows a total of 8 holes. Depending on the desired gas flow uniformity, the diameter and number of through holes are as follows. The arrangement can be adjusted.

分散板の設置場所は触媒層の上流側でも下流側でもよいが、流れを均一にする観点から下流側の方が好ましい。   The dispersion plate may be installed on the upstream side or the downstream side of the catalyst layer, but the downstream side is preferable from the viewpoint of making the flow uniform.

この形態の場合も前述の形態と同様、反応管の中心軸に沿ってバーナを設け、これにより水蒸気改質反応に必要な熱を触媒層に供給することができる。また反応管やバーナを密閉可能な容器に収め、改質反応に必要なガスの供給口、バーナ燃焼に必要なガスの供給口、改質ガスの排出口、燃焼ガスの排出口などを設けることで、改質器を構成できる。   In the case of this form as well, the burner is provided along the central axis of the reaction tube as in the case of the above-described form, whereby heat necessary for the steam reforming reaction can be supplied to the catalyst layer. In addition, the reaction tube and burner are housed in a sealable container, and a gas supply port required for the reforming reaction, a gas supply port required for burner combustion, a reformed gas discharge port, a combustion gas discharge port, etc. are provided. Thus, a reformer can be configured.

改質器は、水素製造用原料と水および/または酸素を反応させ、水素を含有する改質ガスを製造する装置である。この装置で水素製造用原料は主に水素と一酸化炭素に分解される。また、通常、二酸化炭素およびメタンも分解ガス中に含有される。分解反応の例としては水蒸気改質反応、自己熱改質反応、部分酸化反応などを挙げることができる。   The reformer is an apparatus for producing a reformed gas containing hydrogen by reacting a raw material for hydrogen production with water and / or oxygen. In this apparatus, the raw material for hydrogen production is mainly decomposed into hydrogen and carbon monoxide. Usually, carbon dioxide and methane are also contained in the cracked gas. Examples of the decomposition reaction include a steam reforming reaction, an autothermal reforming reaction, and a partial oxidation reaction.

水蒸気改質反応とは水蒸気と炭化水素を反応させるものであるが、大きな吸熱を伴うため通常外部からの加熱が必要である。通常、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのVIII族金属を代表例とする金属触媒の存在下反応が行われる。反応温度は450℃〜900℃、好ましくは500℃〜850℃、さらに好ましくは550℃〜800℃の範囲で行うことができる。反応系に導入するスチームの量は、水素製造用原料に含まれる炭素原子モル数に対する水分子モル数の比(スチーム/カーボン比)として定義され、この値は好ましくは0.5〜10、より好ましくは1〜7、さらに好ましくは2〜5とされる。水素製造用原料が液体の場合、この時の空間速度(LHSV)は水素製造用原料の液体状態での流速をA(L/h)、触媒層体積をB(L)とした場合A/Bで表すことができ、この値は好ましくは0.05〜20h-1、より好ましくは0.1〜10h-1、さらに好ましくは0.2〜5h-1の範囲で設定される。
自己熱改質反応とは、水素製造用原料の一部を酸化しながら、この時発生する熱で水蒸気改質反応を進行させることで反応熱のバランスを取りつつ改質を行う方法であり、比較的立ち上げ時間も短く制御も容易であるため、近年燃料電池用の水素製造方法として注目されているものである。この場合にも通常、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのVIII族金属を代表例とする金属触媒の存在下反応が行われる。反応系に導入するスチームの量は、スチーム/カーボン比として好ましくは0.3〜10、より好ましくは0.5〜5、さらに好ましくは1〜3とされる。
The steam reforming reaction is a reaction between steam and hydrocarbon, but usually involves heating from the outside because it involves a large endotherm. Usually, the reaction is carried out in the presence of a metal catalyst typified by a Group VIII metal such as nickel, cobalt, iron, ruthenium, rhodium, iridium and platinum. The reaction temperature can be 450 ° C to 900 ° C, preferably 500 ° C to 850 ° C, more preferably 550 ° C to 800 ° C. The amount of steam introduced into the reaction system is defined as the ratio of the number of moles of water molecules to the number of moles of carbon atoms contained in the raw material for hydrogen production (steam / carbon ratio), and this value is preferably 0.5-10. Preferably it is 1-7, More preferably, it is 2-5. When the raw material for hydrogen production is liquid, the space velocity (LHSV) at this time is A / B when the flow rate in the liquid state of the raw material for hydrogen production is A (L / h) and the volume of the catalyst layer is B (L). This value is preferably set in the range of 0.05 to 20 h −1 , more preferably 0.1 to 10 h −1 , and still more preferably 0.2 to 5 h −1 .
Autothermal reforming reaction is a method of reforming while balancing the reaction heat by advancing the steam reforming reaction with the heat generated at this time while oxidizing part of the raw material for hydrogen production, Since it has a relatively short start-up time and is easy to control, it has recently attracted attention as a hydrogen production method for fuel cells. Also in this case, the reaction is usually carried out in the presence of a metal catalyst, typically a Group VIII metal such as nickel, cobalt, iron, ruthenium, rhodium, iridium and platinum. The amount of steam introduced into the reaction system is preferably 0.3 to 10, more preferably 0.5 to 5, and still more preferably 1 to 3 as a steam / carbon ratio.

自己熱改質ではスチームの他に酸素が原料に添加される。酸素源としては純酸素でも良いが多くの場合空気が使用される。通常水蒸気改質反応に伴う吸熱反応をバランスできる熱量を発生し得る程度の酸素を添加するが、熱のロスや必要に応じて設置する外部加熱と関係において適宜添加量は決定される。その量は、水素製造用原料に含まれる炭素原子モル数に対する酸素分子モル数の比(酸素/カーボン比)として好ましくは0.05〜1、より好ましくは0.1〜0.75、さらに好ましくは0.2〜0.6とされる。自己熱改質反応の反応温度は水蒸気改質反応の場合と同様、450℃〜900℃、好ましくは500℃〜850℃、さらに好ましくは550℃〜800℃の範囲で設定される。水素製造用原料が液体の場合、この時の空間速度(LHSV)は、好ましくは0.1〜30、より好ましくは0.5〜20、さらに好ましくは1〜10の範囲で選ばれる。   In autothermal reforming, oxygen is added to the raw material in addition to steam. The oxygen source may be pure oxygen, but in many cases air is used. Usually, oxygen is added to such an extent that it can generate an amount of heat that can balance the endothermic reaction associated with the steam reforming reaction, but the amount of addition is appropriately determined in relation to heat loss and external heating installed as necessary. The amount is preferably from 0.05 to 1, more preferably from 0.1 to 0.75, even more preferably as the ratio of the number of moles of oxygen molecules to the number of moles of carbon atoms contained in the raw material for hydrogen production (oxygen / carbon ratio). Is set to 0.2 to 0.6. The reaction temperature of the autothermal reforming reaction is set in the range of 450 ° C. to 900 ° C., preferably 500 ° C. to 850 ° C., more preferably 550 ° C. to 800 ° C., as in the case of the steam reforming reaction. When the raw material for hydrogen production is liquid, the space velocity (LHSV) at this time is preferably selected in the range of 0.1 to 30, more preferably 0.5 to 20, and still more preferably 1 to 10.

部分酸化反応とは、水素製造用原料を酸化させて改質反応を進行させる方法であり、比較的立ち上げ時間が短く、装置をコンパクトに設計できることもあり、水素製造方法として注目されている。触媒を使用する場合と使用しない場合があるが、触媒を使用する場合は、通常、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのVIII族金属を代表例とする金属触媒やペロブスカイトやスピネル型酸化物触媒の存在下反応が行われる。反応系においてすすの発生を抑制するためにスチームを導入することができ、その量はスチーム/カーボン比として好ましくは0.1〜5、より好ましくは0.1〜3、さらに好ましくは1〜2とされる。   The partial oxidation reaction is a method in which a reforming reaction is advanced by oxidizing a raw material for hydrogen production, and it has attracted attention as a hydrogen production method because it has a relatively short start-up time and can be designed compactly. The catalyst may or may not be used, but when the catalyst is used, a metal catalyst or a perovskite, typically a Group VIII metal such as nickel, cobalt, iron, ruthenium, rhodium, iridium, platinum, etc. The reaction is carried out in the presence of a spinel oxide catalyst. Steam can be introduced in order to suppress the generation of soot in the reaction system, and the amount thereof is preferably 0.1 to 5, more preferably 0.1 to 3, more preferably 1 to 2 as the steam / carbon ratio. It is said.

部分酸化改質では酸素が原料に添加される。酸素源としては純酸素でも良いが多くの場合空気が使用される。反応を進めるための温度を確保するため、熱のロス等において適宜添加量は決定される。その量は、水素製造用原料に含まれる炭素原子モル数に対する酸素分子モル数の比(酸素/カーボン比)として好ましくは0.1〜3、より好ましくは0.2〜0.7とされる。部分酸化反応の反応温度は、触媒を用いない場合は、反応温度は1,000〜1,300℃の範囲とすることができ、触媒を用いた場合は水蒸気改質反応の場合と同様、450℃〜900℃、好ましくは500℃〜850℃、さらに好ましくは550℃〜800℃の範囲で設定することができる。水素製造用原料が液体の場合、この時の空間速度(LHSV)は、好ましくは0.1〜30の範囲で選ばれる。   In partial oxidation reforming, oxygen is added to the raw material. The oxygen source may be pure oxygen, but in many cases air is used. In order to secure a temperature for proceeding the reaction, the amount added is appropriately determined in terms of heat loss and the like. The amount is preferably 0.1 to 3, more preferably 0.2 to 0.7 as the ratio of the number of moles of oxygen molecules to the number of moles of carbon atoms contained in the raw material for hydrogen production (oxygen / carbon ratio). . The reaction temperature of the partial oxidation reaction can be in the range of 1,000 to 1,300 ° C. when a catalyst is not used, and when a catalyst is used, the reaction temperature is 450 as in the case of the steam reforming reaction. It can be set in the range of from 550C to 900C, preferably from 500C to 850C, and more preferably from 550C to 800C. When the raw material for hydrogen production is liquid, the space velocity (LHSV) at this time is preferably selected in the range of 0.1-30.

〔CO変成反応器〕
改質器で製造された水素含有ガスを、そのままの組成で燃料電池に供給する場合もあるが、例えば固体高分子形燃料電池は一酸化炭素によって性能劣化する場合があるため、固体高分子形燃料電池システムでは、改質器の下流にCO変成反応器を設けることが好ましい。
[CO shift reactor]
Although the hydrogen-containing gas produced by the reformer may be supplied to the fuel cell with the same composition, for example, the performance of a solid polymer fuel cell may be deteriorated by carbon monoxide. In the fuel cell system, it is preferable to provide a CO shift reactor downstream of the reformer.

改質器で発生するガスは水素の他に一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水蒸気を含む。また、自己熱改質で空気を酸素源とした場合には窒素も含有される。このうち、一酸化炭素を水と反応させ水素と二酸化炭素に転換する工程を行うのがCO変成反応器である。通常、触媒の存在下反応が進行し、Fe−Crの混合酸化物、Zn−Cuの混合酸化物、白金、ルテニウム、イリジウムなど貴金属を含有する触媒を用い、一酸化炭素含有量(ドライベースのモル%)を好ましくは2%以下、より好ましくは1%以下、さらに好ましくは0.5%以下までに落とす。シフト反応を二段階で行うこともでき、この場合高温CO変成反応器と低温CO変成反応器が用いられる。   The gas generated in the reformer contains carbon monoxide, carbon dioxide, methane, and water vapor in addition to hydrogen. Further, nitrogen is also contained when air is used as an oxygen source in the autothermal reforming. Among these, the CO conversion reactor performs the step of reacting carbon monoxide with water to convert it into hydrogen and carbon dioxide. Usually, the reaction proceeds in the presence of a catalyst, and a catalyst containing a noble metal such as a mixed oxide of Fe—Cr, a mixed oxide of Zn—Cu, platinum, ruthenium, and iridium is used. Mol%) is preferably reduced to 2% or less, more preferably 1% or less, and even more preferably 0.5% or less. The shift reaction can also be carried out in two stages, in which case a high temperature CO shift reactor and a low temperature CO shift reactor are used.

〔選択酸化反応器〕
固体高分子形燃料電池システムでは、さらに一酸化炭素濃度を低減させることが好ましく、このためにCO変成反応器の出口ガスを選択酸化反応で処理することが好ましい。この工程では、鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、銅、銀、金などを含有する触媒を用い、残存する一酸化炭素モル数に対し好ましくは0.5〜10倍モル、より好ましくは0.7〜5倍モル、さらに好ましくは1〜3倍モルの酸素を添加することで一酸化炭素を選択的に二酸化炭素に転換することにより一酸化炭素濃度を好ましくは10ppm(ドライベースのモル基準)以下に低減させる。この場合、一酸化炭素の酸化と同時に共存する水素と反応させメタンを生成させることで一酸化炭素濃度の低減を図ることもできる。
[Selective oxidation reactor]
In the polymer electrolyte fuel cell system, it is preferable to further reduce the carbon monoxide concentration. For this purpose, it is preferable to treat the outlet gas of the CO shift reactor by a selective oxidation reaction. In this step, a catalyst containing iron, cobalt, nickel, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum, copper, silver, gold, etc. is used, preferably 0.5 to the number of moles of carbon monoxide remaining. The carbon monoxide concentration is preferably increased by selectively converting carbon monoxide to carbon dioxide by adding 10 moles, more preferably 0.7-5 moles, and even more preferably 1-3 moles of oxygen. Is reduced to 10 ppm (on a molar basis of the dry base) or less. In this case, the carbon monoxide concentration can be reduced by reacting with the coexisting hydrogen simultaneously with the oxidation of carbon monoxide to generate methane.

〔燃料電池〕
燃料電池としては、燃料極において水素が電極反応の反応物質であるタイプの燃料電池を適宜採用することができる。例えば、固体高分子形、燐酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形の燃料電池を採用することができる。以下、固体高分子型燃料電池の構成を記す。
〔Fuel cell〕
As the fuel cell, a fuel cell of a type in which hydrogen is a reactant of the electrode reaction in the fuel electrode can be appropriately employed. For example, a fuel cell of a solid polymer type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, or a solid oxide type can be employed. Hereinafter, the configuration of the polymer electrolyte fuel cell will be described.

燃料電池電極はアノード(燃料極)およびカソード(空気極)とこれらに挟まれる固体高分子電解質からなり、アノード側には水素含有ガスが、カソード側には空気等の酸素含有ガスが、それぞれ必要であれば適当な加湿処理を行った後導入される。   The fuel cell electrode consists of an anode (fuel electrode) and cathode (air electrode) and a solid polymer electrolyte sandwiched between them. A hydrogen-containing gas is required on the anode side, and an oxygen-containing gas such as air is required on the cathode side. If so, it is introduced after appropriate humidification treatment.

この時、アノードでは水素ガスがプロトンとなり電子を放出する反応が進行し、カソードでは酸素ガスが電子とプロトンを得て水となる反応が進行する。これらの反応を促進するため、それぞれ、アノードには白金黒、活性炭担持のPt触媒あるいはPt−Ru合金触媒などが、カソードには白金黒、活性炭担持のPt触媒などが用いられる。通常アノード、カソードの両触媒とも、必要に応じてテフロン、低分子の高分子電解質膜素材、活性炭などと共に多孔質触媒層に成形される。   At this time, a reaction in which hydrogen gas becomes protons and emits electrons proceeds at the anode, and a reaction in which oxygen gas obtains electrons and protons to become water proceeds at the cathode. In order to promote these reactions, platinum black and Pt catalyst or Pt-Ru alloy catalyst supported on activated carbon are used for the anode, and platinum black and Pt catalyst supported on activated carbon are used for the cathode. Usually, both the anode and cathode catalysts are formed into a porous catalyst layer together with Teflon, a low molecular weight polymer electrolyte membrane material, activated carbon or the like as necessary.

固体高分子電解質としてはナフィオン(Nafion、デュポン社製)、ゴア(Gore、ゴア社製)、フレミオン(Flemion、旭硝子社製)、アシプレックス(Aciplex、旭化成社製)等の商品名で知られる高分子電解質膜が通常用いられ、この両側に上記多孔質触媒層を積層しMEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極集合体)が形成される。さらにMEAを金属材料、グラファイト、カーボンコンポジットなどからなるガス供給機能、集電機能、特にカソードにおいては重要な排水機能等を持つセパレータで挟み込むことで燃料電池が組み立てられる。電気負荷はアノード、カソードと電気的に連結される。   As solid polymer electrolytes, Nafion (Nafion, manufactured by DuPont), Gore (Gore, manufactured by Gore), Flemion (Flemion, manufactured by Asahi Glass), Aciplex (Aciplex, manufactured by Asahi Kasei), etc. A molecular electrolyte membrane is usually used, and the porous catalyst layer is laminated on both sides thereof to form an MEA (Membrane Electrode Assembly). Further, the fuel cell is assembled by sandwiching the MEA with a separator having a gas supply function, a current collecting function, particularly an important drainage function in the cathode, and the like made of a metal material, graphite, carbon composite and the like. The electric load is electrically connected to the anode and the cathode.

〔水素製造用原料〕
水素製造の原料としては、水蒸気改質法、自己熱改質法、部分酸化法などの改質法により水素を含む改質ガスを得ることのできる物質であれば使用できる。例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることがでる。工業用あるいは民生用に安価に入手できる好ましい例として、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、都市ガス、LPG(液化石油ガス)、ガソリン、灯油などを挙げることができる。なかでも灯油は工業用としても民生用としても入手容易であり、その取り扱いも容易なため、好ましい。
[Raw materials for hydrogen production]
As a raw material for hydrogen production, any substance that can obtain a reformed gas containing hydrogen by a reforming method such as a steam reforming method, an autothermal reforming method, or a partial oxidation method can be used. For example, compounds having carbon and hydrogen in the molecule such as hydrocarbons, alcohols and ethers can be used. Preferable examples that can be obtained inexpensively for industrial use or consumer use include methanol, ethanol, dimethyl ether, city gas, LPG (liquefied petroleum gas), gasoline, kerosene and the like. Of these, kerosene is preferable because it is easily available for industrial use and consumer use, and is easy to handle.

〔脱硫〕
水素製造用原料中の硫黄は改質触媒を不活性化させる作用があるためなるべく低濃度であることが望ましく、好ましくは0.1質量ppm以下、より好ましくは50質量ppb以下とする。このため、必要であれば前もって水素製造用原料を脱硫することができる。脱硫工程に供する原料中の硫黄濃度には特に制限はなく脱硫工程において上記硫黄濃度に転換できるものであれば好ましく使用することができる。
[Desulfurization]
Since sulfur in the raw material for hydrogen production has an effect of inactivating the reforming catalyst, it is desirably as low as possible, preferably 0.1 mass ppm or less, more preferably 50 mass ppb or less. For this reason, if necessary, the raw material for hydrogen production can be desulfurized in advance. There is no restriction | limiting in particular in the sulfur concentration in the raw material used for a desulfurization process, If it can convert into the said sulfur concentration in a desulfurization process, it can use preferably.

脱硫の方法にも特に制限はないが、適当な触媒と水素の存在下水素化脱硫を行い生成した硫化水素を酸化亜鉛などに吸収させる方法を例としてあげることができる。この場合用いることができる触媒の例としてはニッケル−モリブデン、コバルト−モリブデンなどを成分とする触媒を挙げることができる。一方、適当な収着剤の存在下必要であれば水素の共存下硫黄分を収着させる方法も採用できる。この場合用いることができる収着剤としては特許第2654515号公報、特許第2688749号公報などに示されたような銅−亜鉛を主成分とする収着剤あるいはニッケル−亜鉛を主成分とする収着剤などを例示できる。   There is no particular limitation on the desulfurization method, but an example is a method in which hydrogen sulfide produced by hydrodesulfurization in the presence of a suitable catalyst and hydrogen is absorbed by zinc oxide or the like. Examples of the catalyst that can be used in this case include catalysts containing nickel-molybdenum, cobalt-molybdenum, and the like as components. On the other hand, if necessary in the presence of an appropriate sorbent, a method of sorbing a sulfur component in the presence of hydrogen can also be employed. Examples of sorbents that can be used in this case include sorbents mainly composed of copper-zinc as shown in Japanese Patent No. 2654515, Japanese Patent No. 2688749, and so on. Examples thereof include an adhesive.

〔水素含有ガスの組成〕
改質器を経たガスの組成(ドライベースのモル%)は改質器に水蒸気改質反応を用いた場合、通常例えば、水素63〜73%、メタン0.1〜5%、二酸化炭素5〜20%、一酸化炭素5〜20%である。一方、自己熱改質反応を用いた場合の組成(ドライベースのモル%)は、通常例えば、水素23〜37%、メタン0.1〜5%、二酸化炭素5〜25%、一酸化炭素5〜25%、窒素30〜60%である。部分酸化反応を用いた場合の組成は(ドライベースのモル%)、通常例えば、水素15〜35%、メタン0.1〜5%、一酸化炭素10〜30%、二酸化炭素10〜40%、窒素30〜60%である。
[Composition of hydrogen-containing gas]
When the steam reforming reaction is used in the reformer, the composition of the gas that has passed through the reformer (mol% in dry base) is typically, for example, 63 to 73% hydrogen, 0.1 to 5% methane, 5 to 5 carbon dioxide. 20%, carbon monoxide 5-20%. On the other hand, the composition when using the autothermal reforming reaction (mol% in dry base) is usually 23 to 37% hydrogen, 0.1 to 5% methane, 5 to 25% carbon dioxide, 5 carbon monoxide, for example. -25%, nitrogen 30-60%. The composition in the case of using a partial oxidation reaction (mol% on a dry basis) is usually 15 to 35% hydrogen, 0.1 to 5% methane, 10 to 30% carbon monoxide, 10 to 40% carbon dioxide, Nitrogen is 30-60%.

また、改質器、シフト反応器を経たガスの組成(ドライベースのモル%もしくはモルppm)は改質器に水蒸気改質反応を用いた場合、通常例えば、水素65〜75%、メタン0.1〜5%、二酸化炭素20〜30%、一酸化炭素1000ppm〜10000ppmである。一方、自己熱改質反応を用いた場合の組成(ドライベースのモル%もしくはモルppm)は、通常例えば、水素25〜40%、メタン0.1〜5%、二酸化炭素20〜40%、一酸化炭素1000ppm〜10000ppm、窒素30〜54%である。部分酸化改質反応を用いた場合の組成は(ドライベースのモル%)、通常例えば、水素20〜40%、メタン0.1〜5%、一酸化炭素1000ppm〜10000ppm、二酸化炭素20〜45%、窒素30〜55%である。   In addition, the composition of the gas that has passed through the reformer and shift reactor (mol% or mol ppm of dry base) is usually, for example, 65 to 75% of hydrogen, 0. 1 to 5%, carbon dioxide 20 to 30%, carbon monoxide 1000 ppm to 10000 ppm. On the other hand, the composition when using the autothermal reforming reaction (mol% or mol ppm of dry base) is usually 25 to 40% hydrogen, 0.1 to 5% methane, 20 to 40% carbon dioxide, one Carbon oxide is 1000 ppm to 10000 ppm and nitrogen is 30 to 54%. The composition when using the partial oxidation reforming reaction (mol% in dry base) is usually 20 to 40% hydrogen, 0.1 to 5% methane, 1000 ppm to 10000 ppm carbon monoxide, 20 to 45% carbon dioxide, for example. Nitrogen 30-55%.

改質器、シフト反応器および選択酸化反応器を経たガスの組成(ドライベースのモル%)は改質器に水蒸気改質反応を用いた場合、通常例えば、水素65〜75%、メタン0.1〜5%、二酸化炭素20〜30%、窒素1〜10%である。一方、自己熱改質反応を用いた場合の組成(ドライベースのモル%)は、通常例えば、水素25〜40%、メタン0.1〜5%、二酸化炭素20〜40%、窒素30〜54%である。部分酸化改質反応を用いた場合の組成は(ドライベースのモル%)、通常例えば、水素20〜40%、メタン0.1〜5%、二酸化炭素20〜45%、窒素30〜55%である。   The composition of the gas that has passed through the reformer, shift reactor, and selective oxidation reactor (mol% of the dry base) is usually, for example, 65 to 75% hydrogen, 0. 1 to 5%, carbon dioxide 20 to 30%, nitrogen 1 to 10%. On the other hand, the composition (dry base mol%) when using the autothermal reforming reaction is usually, for example, 25 to 40% hydrogen, 0.1 to 5% methane, 20 to 40% carbon dioxide, and 30 to 54 nitrogen. %. The composition when the partial oxidation reforming reaction is used (mol% in dry base) is usually 20 to 40% hydrogen, 0.1 to 5% methane, 20 to 45% carbon dioxide, and 30 to 55% nitrogen. is there.

〔他の機器〕
燃料電池システムの公知の構成要素は、必要に応じて適宜設けることができる。具体例を挙げれば、燃料電池のカソードに空気等の酸素含有ガスを供給する手段、燃料電池に供給するガスを加湿するための水蒸気を発生する水蒸気発生器、燃料電池等の各種機器を冷却するための冷却系、各種流体を加圧するためのポンプ、圧縮機、ブロワなどの加圧手段、流体の流量を調節するため、あるいは流体の流れを遮断/切り替えるためのバルブ等の流量調節手段や流路遮断/切り替え手段、熱交換・熱回収を行うための熱交換器、液体を気化する気化器、気体を凝縮する凝縮器、スチームなどで各種機器を外熱する加熱/保温手段、各種流体の貯蔵手段、計装用の空気や電気系統、制御用の信号系統、制御装置、出力用や動力用の電気系統などである。
[Other equipment]
Known components of the fuel cell system can be appropriately provided as necessary. Specific examples include a means for supplying an oxygen-containing gas such as air to the cathode of the fuel cell, a steam generator for generating steam for humidifying the gas supplied to the fuel cell, and various devices such as the fuel cell. Cooling system, pressurizing means such as pumps, compressors and blowers for pressurizing various fluids, flow regulating means such as valves for regulating the flow rate of fluids, or shutting off / switching the flow of fluids Channel shut-off / switching means, heat exchanger for heat exchange / recovery, vaporizer for vaporizing liquid, condenser for condensing gas, heating / heat-retaining means for externally heating various devices with steam, etc. Storage means, instrumentation air and electrical systems, control signal systems, control devices, output and power electrical systems, and the like.

ボンベの元圧0.17MPaで、実改質ガス流量を想定して窒素を改質管1本当たり50L/minのガスを流通させ圧力損失を測定した結果を図4に示す。なお、用いた改質器は、円管状の改質管が一つの円周上に等間隔に配列された図1に示す形態で、管1本の断面積は、283mm2、その長さは645mm、中に充填する触媒粒子径は3mm、その層高は600mmとした。また、改質管は合計12本(改質管A〜L)とした。オリフィスと改質管の断面積比(オリフィス断面積/改質管断面積)は、1/40と設定した。図4に示す触媒層の圧力損失は、触媒を充填した反応管にオリフィスプレートを取り付けない状態で測定した圧力損失を意味し、オリフィスの圧力損失は、触媒を充填せずにオリフィスプレートを設けた状態で測定した圧力損失を意味し、合計は触媒を充填しかつオリフィスプレートを設けた状態で測定した圧力損失を意味する。これらの結果から、圧力損失の標準偏差、平均値およびばらつき(=標準偏差/平均値)を算出し、下表にまとめた。 FIG. 4 shows the result of measuring the pressure loss by flowing a gas of 50 L / min per one reforming tube with the original pressure of the cylinder being 0.17 MPa and assuming the actual reformed gas flow rate. The reformer used has the form shown in FIG. 1 in which circular reformer tubes are arranged at equal intervals on one circumference. The cross-sectional area of one tube is 283 mm 2 , and its length is The diameter of the catalyst particles filled therein was 3 mm, and the layer height was 600 mm. In addition, a total of 12 reforming tubes (reforming tubes A to L) were used. The cross-sectional area ratio between the orifice and the reforming pipe (orifice cross-sectional area / reforming pipe cross-sectional area) was set to 1/40. The pressure loss of the catalyst layer shown in FIG. 4 means the pressure loss measured without attaching the orifice plate to the reaction tube filled with the catalyst, and the pressure loss of the orifice is provided with the orifice plate without filling the catalyst. The pressure loss measured in the state is meant, and the sum means the pressure loss measured in a state where the catalyst is filled and the orifice plate is provided. From these results, the standard deviation, average value and variation (= standard deviation / average value) of pressure loss were calculated and summarized in the table below.

触媒層の圧力損失のばらつき8.2%に対し、圧力損失のばらつき1.6%のオリフィスを設置すると、改質管全体の圧力損失のばらつきは2.8%と触媒層単独の場合と比較して小さくなった。これにより、改質管1本1本の偏流を抑制し、その温度分布を均一化できた。   If an orifice with a pressure loss variation of 1.6% is installed compared to a catalyst layer pressure loss variation of 8.2%, the pressure loss variation of the entire reforming pipe is 2.8%, which is compared with the catalyst layer alone. And became smaller. Thereby, the drift of each reforming tube was suppressed, and the temperature distribution could be made uniform.

Figure 2005089209
Figure 2005089209

本発明の改質器の一形態につき、反応管の部分を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the part of the reaction tube about one form of the reformer of this invention. 本発明の改質器の一形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one form of the reformer of this invention. 本発明の改質器の別の形態につき、反応管の部分を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the part of the reaction tube about another form of the reformer of this invention. 実施例における圧力損失測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the pressure loss measurement result in an Example.

符号の説明Explanation of symbols

1 ガス供給口
2 マニホールド
3 反応管
4 触媒層
5 オリフィスプレート
6 オリフィス
7 マニホールド
8 ガス排出口
11 ガス供給口
12 マニホールド領域
13 反応管
14 触媒層
15 分散板
16 貫通孔
17 空隙
18 ガス排出口
19 空隙
30 円周(仮想線)
31 容器
32 バーナ
33 燃焼用燃料供給管
34 燃焼用空気供給管
35 燃焼ガス排出口
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas supply port 2 Manifold 3 Reaction tube 4 Catalyst layer 5 Orifice plate 6 Orifice 7 Manifold 8 Gas discharge port 11 Gas supply port 12 Manifold area 13 Reaction tube 14 Catalyst layer 15 Dispersion plate 16 Through-hole 17 Void 18 Gas discharge port 19 Void 30 circumference (virtual line)
31 Container 32 Burner 33 Fuel supply pipe for combustion 34 Air supply pipe for combustion 35 Combustion gas discharge port

Claims (7)

水素製造用原料を改質して水素を含有する水素含有ガスを製造するための、触媒層を備える改質反応管を有する改質器において、
該改質反応管に圧力損失を生じさせる圧力損失発生手段を備えることを特徴とする改質器。
In a reformer having a reforming reaction tube having a catalyst layer for reforming a raw material for hydrogen production to produce a hydrogen-containing gas containing hydrogen,
A reformer comprising pressure loss generating means for generating a pressure loss in the reforming reaction tube.
燃料電池システム用である請求項1記載の改質器。 The reformer according to claim 1, which is used for a fuel cell system. 前記改質反応管を複数有し、かつそれぞれの改質反応管に前記圧力損失発生手段としてオリフィスを備える請求項1または2記載の改質器。 The reformer according to claim 1 or 2, wherein a plurality of the reforming reaction tubes are provided, and each reforming reaction tube is provided with an orifice as the pressure loss generating means. それぞれの改質反応管に備わるオリフィスの定格運転条件における圧力損失が、各改質反応管に備わる触媒層の定格運転条件における圧力損失の平均値の2倍以上、10倍以下である請求項3記載の改質器。 The pressure loss under the rated operating condition of the orifice provided in each reforming reaction tube is 2 to 10 times the average value of the pressure loss under the rated operating condition of the catalyst layer provided in each reforming reaction tube. The reformer described. それぞれの改質反応管に備わるオリフィスの断面積が、該改質反応管の流路方向断面積の1/10000以上1/4以下である請求項3記載の改質器。 The reformer according to claim 3, wherein a cross-sectional area of an orifice provided in each reforming reaction tube is 1 / 10,000 or more and 1/4 or less of a cross-sectional area in the flow path direction of the reforming reaction tube. 前記改質反応管の流路方向断面が円環状であり、該改質反応管に前記圧力損失発生手段として円環状の分散板を備える請求項1または2記載の改質器。 The reformer according to claim 1 or 2, wherein a cross section of the reforming reaction tube in a flow path direction is an annular shape, and the reforming reaction tube includes an annular dispersion plate as the pressure loss generating means. 水素製造用原料を改質して水素を含有する水素含有ガスを製造するための、触媒層を備える改質反応管を有する改質器と、該水素含有ガスを燃料として用いる燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、
該改質器が、該改質反応管に圧力損失を生じさせる圧力損失発生手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A reformer having a reforming reaction tube having a catalyst layer for producing a hydrogen-containing gas containing hydrogen by reforming a raw material for hydrogen production, and a fuel cell using the hydrogen-containing gas as a fuel. In the fuel cell system,
The fuel cell system, wherein the reformer comprises pressure loss generating means for generating a pressure loss in the reforming reaction tube.
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