JP2005255458A - Hydrogen production apparatus and fuel cell system - Google Patents

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JP2005255458A JP2004068601A JP2004068601A JP2005255458A JP 2005255458 A JP2005255458 A JP 2005255458A JP 2004068601 A JP2004068601 A JP 2004068601A JP 2004068601 A JP2004068601 A JP 2004068601A JP 2005255458 A JP2005255458 A JP 2005255458A
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Tomomichi Asou
智倫 麻生
Hiroaki Kaneko
広明 金子
Yutaka Yoshida
豊 吉田
Yuji Mukai
裕二 向井
Akira Maenishi
晃 前西
Tadashi Yamazaki
正 山崎
Kazuhiro Adachi
和弘 安達
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen production apparatus in which the quantity of steam and S/C of a raw material (the ratio of the number of molecules of steam to the number of atoms of carbon in the raw material) supplied to a reforming part is stably kept to a prescribed value in spite of the frequent change of the feed rate of water supplied to a 2nd water evaporation part 6 and which is capable of stabilizing the power generation of a fuel cell and improving the service life of the fuel cell and to provide the fuel cell power generation system with the same. <P>SOLUTION: A water supply part 1 for supplying water to a 1st water evaporation part 5 and the 2nd water evaporation part and a branched part for supplying water respectively to the 1st water evaporation part 5 and the 2nd water evaporation part 6 is provided on the water passage through which the water supplied from the water supply part 1 flows. A flow meter 2 for measuring the flow rate of water in a water passage between the branched part and the water supply part and a flow control part 3 for controlling the flow rate of water in a water passage between the branched part and the 2nd water evaporation part 6 are provided. The flow control part 3 controls the flow rate of water so that the temperature detected by a temperature detector 12 in a transforming part 8 becomes a prescribed temperature by heat exchange. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、都市ガス、LPガス、メタノール等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を、水蒸気を用いて改質(以下、水蒸気改質又は改質反応と呼ぶ)して水素を含む改質ガスを生成する水素生成装置、及び、これを備えた燃料電池システムに関する。   In the present invention, a raw material containing an organic compound composed of at least carbon and hydrogen such as city gas, LP gas, and methanol is reformed using steam (hereinafter referred to as steam reforming or reforming reaction) to generate hydrogen. The present invention relates to a hydrogen generation apparatus that generates reformed gas containing the fuel, and a fuel cell system including the same.

従来の水素生成装置及び燃料電池システムを図2を用いて説明する。   A conventional hydrogen generator and fuel cell system will be described with reference to FIG.

未公開自社出願の特願2003−21847号明細書によると、都市ガスやLPガス等の原料を水蒸気改質して水素主体の改質ガスを発生させる改質部7は、例えば、燃料電池10の発電原料として使用する水素の製造等に用いられる。改質部7における改質反応は吸熱反応であることから、改質反応を維持するためには、改質部7を550〜800℃程度の温度に保つ必要がある。このため、改質部7には、バーナ等の加熱部20を設置し、この加熱部20から得られる高温の燃焼ガスや、その燃焼ガスの輻射熱を放出する輻射体等を利用して改質部7を加熱する。なお、ここで、上記水蒸気改質に用いられる水蒸気は、それぞれ別設の第1水蒸発部5および第2水蒸発部6で生成される。ここで、これらの蒸発部に対してそれぞれ第1水供給部23及び第2水供給部25から水が供給され、これらの水の流量を第1流量計24及び第2流量計26でそれぞれ計測している。   According to Japanese Patent Application No. 2003-21847, which is an unpublished in-house application, the reforming unit 7 for generating a reformed gas mainly composed of hydrogen by steam reforming a raw material such as city gas or LP gas is, for example, a fuel cell 10. It is used for the production of hydrogen used as a power generation material. Since the reforming reaction in the reforming section 7 is an endothermic reaction, it is necessary to keep the reforming section 7 at a temperature of about 550 to 800 ° C. in order to maintain the reforming reaction. For this reason, the reforming unit 7 is provided with a heating unit 20 such as a burner, and the reforming is performed using a high-temperature combustion gas obtained from the heating unit 20 or a radiator that emits radiant heat of the combustion gas. Part 7 is heated. Here, the steam used for the steam reforming is generated by the first water evaporation unit 5 and the second water evaporation unit 6 which are provided separately. Here, water is supplied from the first water supply unit 23 and the second water supply unit 25 to these evaporation units, respectively, and the flow rates of these waters are measured by the first flow meter 24 and the second flow meter 26, respectively. doing.

一方、水素生成装置の改質部で得られた改質ガスは、前述のように水素が主体であるが、改質反応において副成した一酸化炭素(以下、COと称する)を含んでいる。このようにCOを含む改質ガスを燃料電池4に直接供給すると、COが、燃料電池4内の触媒の活性を低下させてしまう。それゆえ、水素生成装置では、COを除去するために、前記改質部の下流に、改質ガスに含まれるCOを変成反応によりCO2に転化する変成部8が配設されている。   On the other hand, the reformed gas obtained in the reforming section of the hydrogen generator is mainly composed of hydrogen as described above, but contains carbon monoxide (hereinafter referred to as CO) by-produced in the reforming reaction. . When the reformed gas containing CO is directly supplied to the fuel cell 4 in this way, the CO reduces the activity of the catalyst in the fuel cell 4. Therefore, in the hydrogen generator, in order to remove CO, a shift unit 8 that converts CO contained in the reformed gas into CO 2 by a shift reaction is disposed downstream of the reformer.

このCO変成部では、変成反応を効率よく行うために、温度が、変成反応に最適な180〜400℃に設定されている。変成部8を経た改質ガスは、さらに浄化部(図示せず)で選択酸化反応によりCO濃度が100ppm程度まで十分に低減された後、燃料電池に供給される。この燃料電池は、上述のようにして十分にCOを低減した改質ガス中の水素と酸素を含む酸化剤(例えば、空気)とを用いて発電する。燃料電池の発電反応で消費されなかった水素は、燃料電池から排出された後、上述のバーナーに供給され燃焼される。   In this CO shift part, the temperature is set to 180 to 400 ° C., which is optimal for the shift reaction, in order to efficiently perform the shift reaction. The reformed gas that has passed through the shift converter 8 is supplied to the fuel cell after the CO concentration is sufficiently reduced to about 100 ppm by a selective oxidation reaction in a purifier (not shown). This fuel cell generates electric power using hydrogen and oxygen-containing oxidant (for example, air) in the reformed gas with sufficiently reduced CO as described above. Hydrogen that has not been consumed in the power generation reaction of the fuel cell is discharged from the fuel cell, and then supplied to the burner and burned.

上述の水素生成装置において、第1水蒸発部5及び第2水蒸発部6で水蒸気を生成するために、第1水蒸発部5は、加熱部20の燃焼排ガスを熱源として利用し、第2水蒸発部6は、変成部8との間で熱交換を行い、この変成部8の熱を熱源として利用している。この時、特に、第2供給部より第2水蒸発部に供給される水の流量は、変成反応の温度が上述の最適な温度範囲を維持するために予め設定された温度(例えば、200℃)になるように変成部に設けられた温度検知部12の検知温度の基づき制御される。   In the above hydrogen generator, in order to generate water vapor in the first water evaporation unit 5 and the second water evaporation unit 6, the first water evaporation unit 5 uses the combustion exhaust gas of the heating unit 20 as a heat source, and the second The water evaporation section 6 exchanges heat with the shift section 8 and uses the heat of the shift section 8 as a heat source. At this time, in particular, the flow rate of water supplied from the second supply unit to the second water evaporation unit is a temperature set in advance so that the temperature of the shift reaction maintains the above-described optimal temperature range (for example, 200 ° C. ) To be controlled based on the detected temperature of the temperature detection unit 12 provided in the transformation unit.

ところで、従来の水素生成装置では、上述のように温度検知部12の検知温度が所定の温度(例えば、200℃)になるよう第2水供給部は、水の流量を制御するため、変成部
の温度によって供給される水の流量が頻繁に変化し、改質部7に供給される水蒸気中の水分子数と原料中に含まれる炭素原子数との比(以下、S/Cと称する)を一定(例えば、S/C目標値=3)にすることができないという課題があった。より具体的には、上記S/Cが、目標値に対して小さいほうにずれると改質触媒に炭素が析出して、触媒劣化を招く危険性があがり、また、目標値に対して大きほうにずれると水蒸気にするための熱量が大きくなるため改質部の効率が低下する。
By the way, in the conventional hydrogen generator, the second water supply unit controls the flow rate of water so that the temperature detected by the temperature detection unit 12 becomes a predetermined temperature (for example, 200 ° C.) as described above. The ratio of the number of water molecules in the water vapor supplied to the reforming unit 7 and the number of carbon atoms contained in the raw material (hereinafter referred to as S / C) is frequently changed depending on the temperature of the water. There is a problem that it cannot be made constant (for example, S / C target value = 3). More specifically, if the S / C is deviated from the target value, carbon may be deposited on the reforming catalyst, leading to a risk of catalyst deterioration. If it shift | deviates, since the calorie | heat amount for making it into water vapor | steam will become large, the efficiency of a modification part will fall.

また、上述のように改質部に供給される水蒸気量が頻繁に変動すると改質部で生成される改質ガス中の水分つまり露点も変化するので燃料電池の発電が不安定になり、燃料電池の寿命低下に繋がる。   In addition, if the amount of water vapor supplied to the reforming section changes frequently as described above, the moisture in the reformed gas generated in the reforming section, i.e., the dew point, also changes. This leads to a decrease in battery life.

また、上記燃料電池が固体高分子型燃料電池である場合には、改質ガス中の水分が変動し、固体高分子膜が乾きすぎると高分子電解質膜のイオン伝導性が十分に発揮されず電力の低下を招く、また、濡れすぎると燃料電池のセパレータに設けられたガス流路に水が詰まるフラッディング等の問題が起きやすくなってしてしまうという課題があった。   In addition, when the fuel cell is a solid polymer fuel cell, the moisture in the reformed gas fluctuates, and if the solid polymer membrane is too dry, the ionic conductivity of the polymer electrolyte membrane is not fully exhibited. There has been a problem in that power reduction is caused and problems such as flooding in which water is clogged in the gas flow path provided in the separator of the fuel cell are liable to occur if the substrate is too wet.

そこで、本発明は、これら従来の水素生成装置の課題に鑑み、上述の第2水蒸発部に供給される水流量の頻繁な変化に拘わらず、改質部に供給される水蒸気及び原料のS/Cを所定値に安定的に維持し、燃料電池に発電の安定化及び燃料電池の寿命が向上する水素生成装置及びこれを備えた燃料電池発電システムを提供することを目的とする。   Therefore, in view of the problems of these conventional hydrogen generators, the present invention is directed to the steam and raw material S supplied to the reforming unit, regardless of frequent changes in the flow rate of water supplied to the second water evaporation unit. It is an object of the present invention to provide a hydrogen generator that stably maintains / C at a predetermined value, stabilizes power generation and improves the life of the fuel cell, and a fuel cell power generation system including the same.

上記の課題を解決するため、本発明に係る水素生成装置は、水蒸気及び原料を用いて改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部と、前記改質部を加熱する加熱部と、前記加熱部の燃焼排ガスを用いて前記水蒸気を発生させるための第1水蒸発部と、前記改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応により二酸化炭素に転化する変成部と、前記変成部と熱交換可能に構成され前記変成部の熱を利用した水蒸気を生成する第2水蒸発部と、前記変成部の温度を検知する温度検知部と、前記第1水蒸発部および第2水蒸発部に水を供給する水供給部と、前記水供給部から出力された水が流通する水経路上に、前記第1水蒸発部および第2水蒸発部のそれぞれに水を供給するための分岐部とを備え、前記分岐部と前記水供給部との間の水経路に水の流量を計測する流量計と、前記分岐部と前記第2水蒸発部との間の水経路に水の流量を調節する流量調節部とが設けられ、前記流量調節部は、前記熱交換により前記温度検知器で検知された温度が所定温度になるように水の流量を調節することを特徴とする。   In order to solve the above problems, a hydrogen generator according to the present invention includes a reforming unit that generates a reformed gas containing hydrogen by a reforming reaction using steam and a raw material, and a heating unit that heats the reforming unit. A first water evaporation unit for generating the water vapor using the combustion exhaust gas of the heating unit, a conversion unit for converting carbon monoxide in the reformed gas into carbon dioxide by a shift reaction, and the conversion unit A second water evaporating unit configured to exchange heat with the metamorphic unit and generating water vapor using the heat of the metamorphic unit, a temperature detecting unit detecting the temperature of the metamorphic unit, the first water evaporating unit, and the second water evaporating unit A branch for supplying water to each of the first water evaporation unit and the second water evaporation unit on a water path through which water output from the water supply unit circulates A water path between the branch part and the water supply part. A flow meter for measuring a flow rate, and a flow rate adjusting unit for adjusting a flow rate of water in a water path between the branching unit and the second water evaporation unit, and the flow rate adjusting unit is configured to perform the heat exchange The flow rate of water is adjusted so that the temperature detected by the temperature detector becomes a predetermined temperature.

また、本発明の水素生成装置は、第1水蒸発部に供給される水量Xと、第2水蒸発部に供給される水量Yとの総和を所定値に維持するように、前記水流量計の値に基づいて、前記水供給部を制御することを特徴とする。   Further, the hydrogen generator of the present invention is configured so that the total amount of the water amount X supplied to the first water evaporation unit and the water amount Y supplied to the second water evaporation unit is maintained at a predetermined value. The water supply unit is controlled based on the value of.

また、本発明の水素生成装置は、水供給部及び流量計に代えてポンプを用い、かつ、流量調節部がポンプであることを特徴とする。   The hydrogen generator of the present invention is characterized in that a pump is used instead of the water supply unit and the flow meter, and the flow rate control unit is a pump.

また、本発明の燃料電池システムは、上記本発明の水素生成装置と、前記水素生成装置から供給される水素及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池とを備えることを特徴とする。   The fuel cell system of the present invention includes the above-described hydrogen generator of the present invention and a fuel cell that generates power using hydrogen and an oxidant gas supplied from the hydrogen generator.

本発明によれば、改質部でのS/Cが安定し、改質ガスの露点が安定する水素生成装置が得られる。また、この水素生成装置を使用した燃料電池発電システムでは、上記露点の安定により、燃料電池の発電の安定性が向上する。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, S / C in a reforming part is stabilized, and the hydrogen production apparatus with which the dew point of reformed gas is stabilized is obtained. Further, in the fuel cell power generation system using this hydrogen generator, the stability of the fuel cell power generation is improved due to the stability of the dew point.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図面は、実施の形態に係る水素生成装置及びこの装置を備えた燃料電池発電システムの特徴的な構成を示すものであり、従来から公知である構成については、図示及び詳細な説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The drawings show the characteristic configuration of the hydrogen generator according to the embodiment and the fuel cell power generation system including the device, and the illustration and detailed description of the conventionally known configuration are omitted. To do.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る水素生成装置及びこれを備えた燃料電池システムの構成を示す模式図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a hydrogen generator according to Embodiment 1 of the present invention and a fuel cell system including the same.

図1に示すように、本実施の形態の水素生成装置および燃料電池システムは、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料と水蒸気とを用いて改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部7と、吸熱反応である改質反応を継続的に進行するため改質部7の温度を最適な温度(例えば、550℃〜800℃程度)に維持できるよう加熱する加熱部20と、上記改質部に原料を供給する原料供給部(図示せず)と、上記改質部7に水蒸気を供給するための第1水蒸発部5及び第2水蒸発部6と、前記蒸発部に水を供給するための水供給部1と、前記水供給部1から出力された水が流通する水経路上に、前記第1水蒸発部5および第2水蒸発部6のそれぞれに水を供給するための分岐部と、前記分岐部と前記水供給部1との間の水経路に水の流量を計測する流量計2と、前記分岐部と前記第2水蒸発部との間の水経路に水の流量を調節する流量調節部3と、上記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気シフト反応により二酸化炭素にして低減する変成部8と、前記変成部8の温度を検知するための温度検知器12と、前記変成部8で排出される水素リッチガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池10と、前記燃料電池1に酸化剤ガスとして空気を供給するため酸化剤ガス供給部9とを備える。   As shown in FIG. 1, the hydrogen generator and the fuel cell system of the present embodiment include a reformed gas containing hydrogen by a reforming reaction using a raw material containing an organic compound composed of at least carbon and hydrogen and steam. And heating to heat the reforming unit 7 so that the temperature of the reforming unit 7 can be maintained at an optimum temperature (for example, about 550 ° C. to 800 ° C.). Unit 20, a raw material supply unit (not shown) for supplying raw material to the reforming unit, a first water evaporation unit 5 and a second water evaporation unit 6 for supplying water vapor to the reforming unit 7, Each of the first water evaporation unit 5 and the second water evaporation unit 6 is provided on a water supply unit 1 for supplying water to the evaporation unit and a water path through which water output from the water supply unit 1 flows. A branch for supplying water to the water, the branch and the water supply 1 A flow meter 2 for measuring the flow rate of water in the water path therebetween, a flow rate adjusting unit 3 for adjusting the flow rate of water in the water path between the branching unit and the second water evaporation unit, and in the reformed gas A shift section 8 for reducing carbon monoxide to carbon dioxide by a water vapor shift reaction, a temperature detector 12 for detecting the temperature of the shift section 8, and a hydrogen rich gas and oxygen discharged from the shift section 8 A fuel cell 10 that generates electric power using an oxidant gas contained therein and an oxidant gas supply unit 9 for supplying air as an oxidant gas to the fuel cell 1 are provided.

次に、本実施の水素生成装置及びこれを備える燃料電池システムの動作について説明する。まず、原料の一つとして挙げられる都市ガスを原料供給部(図示せず)により供給し、同時に水供給部1から出力される水は、水経路の途中で分岐して第1水蒸発部5及び第2水蒸発部6にそれぞれ供給される。第1水蒸発部5に供給された水は、加熱部20の燃焼排ガスで加熱され水蒸気となる。また、第2水蒸発部6に供給された水は、第2水蒸発部6が、変成部8と熱交換可能に構成されているため、変成部8の熱を受け水蒸気となる。   Next, the operation of the hydrogen generator of the present embodiment and the fuel cell system including the same will be described. First, city gas, which is one of the raw materials, is supplied by a raw material supply unit (not shown), and at the same time, the water output from the water supply unit 1 branches off in the middle of the water path, and the first water evaporation unit 5 And the second water evaporating unit 6. The water supplied to the first water evaporation unit 5 is heated by the combustion exhaust gas of the heating unit 20 to become water vapor. Further, the water supplied to the second water evaporation unit 6 is converted into water vapor by receiving heat from the transformation unit 8 because the second water evaporation unit 6 is configured to be able to exchange heat with the transformation unit 8.

ここで、第2水蒸発部6に供給される水の流量は、変成部8に設けられた温度検知部12で検知された温度が所定の温度(例えば、200℃)になるように温度検知部12の検知温度に基づいて流量調節器3により調節される。変成部での温度を変成反応に適した所定温度で一定とできるので、改質ガス中のCO濃度を所定値以下に低減できる。変成反応熱を改質反応に必要な水蒸気に熱回収できるので効率が向上できる。   Here, the flow rate of the water supplied to the second water evaporation unit 6 is detected so that the temperature detected by the temperature detection unit 12 provided in the transformation unit 8 becomes a predetermined temperature (for example, 200 ° C.). It is adjusted by the flow rate regulator 3 based on the detected temperature of the unit 12. Since the temperature in the shift section can be kept constant at a predetermined temperature suitable for the shift reaction, the CO concentration in the reformed gas can be reduced to a predetermined value or less. Efficiency can be improved because the heat of transformation reaction can be recovered as steam necessary for the reforming reaction.

ところで、上述の従来の水素生成装置においては、この第2水蒸発部6に供給される水の流量が、変成部8の温度を制御するために頻繁に変動するため改質器7に供給される水蒸気中の水分子数と原料中に含まれる炭素原子数とのモル比(以下、S/Cと称する)を一定にすることが困難になるという課題があった。しかし、本実施の形態では、第1水蒸発部5及び第2水蒸発部6に対してそれぞれ設けられた水経路が、分岐部で一つの水経路になり、この1本の経路から水を供給し、その水流量を流量計2により計測しているため、その計測値、つまり第1水蒸発部に供給される水量Xと、第2水蒸発部に供給される推量Yとの和が所定の値になるように水供給部からの水流量を制御することで変成部8の温度変動に拘わらず、改質部7でのS/Cを所定の値に維持することが可能になる。つまり、変成部8の温度変動に対応するために第2水蒸発部6に供給される水量を変化させながら、S/Cを所定の値に維持するよう水供給部からの水流量を制御することが可能になる
By the way, in the above-described conventional hydrogen generator, the flow rate of water supplied to the second water evaporator 6 is frequently supplied to the reformer 7 because it fluctuates frequently in order to control the temperature of the shift converter 8. There is a problem that it is difficult to keep the molar ratio (hereinafter referred to as S / C) between the number of water molecules in water vapor and the number of carbon atoms contained in the raw material constant. However, in the present embodiment, the water path provided for each of the first water evaporation unit 5 and the second water evaporation unit 6 becomes a single water path at the branch, and water is supplied from this one path. Since the flow rate of water is measured by the flow meter 2, the sum of the measured value, that is, the amount of water X supplied to the first water evaporation unit and the estimate Y supplied to the second water evaporation unit is By controlling the flow rate of water from the water supply unit so as to be a predetermined value, it becomes possible to maintain the S / C in the reforming unit 7 at a predetermined value regardless of the temperature fluctuation of the shift unit 8. . That is, the flow rate of water from the water supply unit is controlled so as to maintain the S / C at a predetermined value while changing the amount of water supplied to the second water evaporation unit 6 in order to cope with the temperature fluctuation of the transformation unit 8. It becomes possible.

さらに、S/Cを所定値に制御できるので改質ガス中の水分つまり露点が安定し、燃料電池が安定に発電、長寿命化できる。   Further, since the S / C can be controlled to a predetermined value, the moisture in the reformed gas, that is, the dew point is stabilized, and the fuel cell can stably generate power and extend its life.

なお、前記所定の温度は、変成部8の温度が変成反応に最適な温度範囲(550℃〜800℃程度)内に収まるよう制御するために予め設定された温度である。   The predetermined temperature is a temperature set in advance for controlling the temperature of the shift unit 8 to be within a temperature range (about 550 ° C. to 800 ° C.) optimum for the shift reaction.

そして、上述の動作により第1水蒸発部5及び第2水蒸発部6で生成した水蒸気と原料供給部(図示せず)より供給された原料を用いて、改質部7で水蒸気改質反応により水素主体の改質ガスが生成される。前記改質ガスは、変成部8に供給され、改質ガス中に含まれる一酸化炭素が水蒸気シフトに反応により二酸化炭素になり、一酸化炭素濃度が低減される。その後、変成部8から排出された改質ガスは、燃料電池10の燃料極に供給され、燃料電池10の酸化剤極に供給された酸化剤としての空気と、改質ガス中の水素が反応し発電する。発電反応に利用されなかった改質ガス中の水素は燃料電池10の燃料極から排出され、加熱部20での燃焼反応に利用される。   Then, the steam reforming reaction is performed in the reforming unit 7 using the steam generated in the first water evaporation unit 5 and the second water evaporation unit 6 by the above-described operation and the raw material supplied from the raw material supply unit (not shown). As a result, hydrogen-based reformed gas is generated. The reformed gas is supplied to the shift unit 8, and carbon monoxide contained in the reformed gas is converted into carbon dioxide by a reaction due to water vapor shift, and the carbon monoxide concentration is reduced. Thereafter, the reformed gas discharged from the shift unit 8 is supplied to the fuel electrode of the fuel cell 10, and air as the oxidant supplied to the oxidant electrode of the fuel cell 10 reacts with hydrogen in the reformed gas. And generate electricity. Hydrogen in the reformed gas that has not been used for the power generation reaction is discharged from the fuel electrode of the fuel cell 10 and used for the combustion reaction in the heating unit 20.

上記の本実施の形態においては、加熱部20に供給される燃焼用燃料ガスとして、燃料電池10における燃料オフガスを使用しているが、例えば、この燃焼用燃料ガスとして、都市ガス、メタン、LPガス、灯油等のその他の炭化水素化合物系燃料等を用いてもよい。   In the present embodiment, the fuel off-gas in the fuel cell 10 is used as the combustion fuel gas supplied to the heating unit 20. For example, city gas, methane, LP, and the like are used as the combustion fuel gas. Other hydrocarbon compound fuels such as gas and kerosene may be used.

また、本実施の形態における、水供給部1及び流量計2の代わりにポンプを用い、かつ流量調節器3の代わりにポンプを用いるのが好ましい。これは、水供給部1としてのポンプで加圧されるため、流量調節器3としてのポンプから出力される水の吐出圧力を、高くできるので、第2水蒸発部6での圧力損失が大きい場合にも、安定して水供給ができるためである。また、流量計2をなくすことができため、低コスト化を図ることができる。   In the present embodiment, it is preferable to use a pump instead of the water supply unit 1 and the flow meter 2, and use a pump instead of the flow rate regulator 3. Since this is pressurized by the pump as the water supply unit 1, the discharge pressure of water output from the pump as the flow rate regulator 3 can be increased, so the pressure loss in the second water evaporation unit 6 is large. This is because water can be supplied stably even in this case. Moreover, since the flowmeter 2 can be eliminated, cost reduction can be achieved.

(実施の形態2)
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図面は、本実施の形態に係る水素発生装置及びこの装置を備えた燃料電池発電システムの特徴的な構成を示すものであり、従来から公知である構成については、図示及び詳細な説明を省略する。
(Embodiment 2)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The drawings show a characteristic configuration of the hydrogen generator according to the present embodiment and a fuel cell power generation system including the device, and the conventionally known configurations are illustrated and described in detail. Omitted.

図2は、本発明の実施の形態2に係る水素発生装置の構成を示す模式的な断面図である。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the hydrogen generator according to Embodiment 2 of the present invention.

本実施の形態では、まず、水素発生装置について説明し、次いで、この水素発生装置を備えた燃料電池発電システムについて説明する。   In the present embodiment, first, a hydrogen generator will be described, and then a fuel cell power generation system including the hydrogen generator will be described.

図2に示すように、水素発生装置は、上端及び下端が閉鎖された円筒状の本体50と、円筒状の輻射筒21とが取り付けられたバーナ20と、本体50の外周を覆う断熱材53とから主に構成されている。以下に、水素発生装置の詳細な構造について説明する。   As shown in FIG. 2, the hydrogen generator includes a burner 20 to which a cylindrical main body 50 whose upper and lower ends are closed, a cylindrical radiation tube 21 is attached, and a heat insulating material 53 that covers the outer periphery of the main body 50. And is composed mainly of. The detailed structure of the hydrogen generator will be described below.

輻射筒21が取り付けられたバーナ20が、本体50と同心状に収納配置されている。円筒状の本体50の内部、具体的には、本体50の内壁と輻射筒21との間の空間は、同心円筒形状を有し径方向及び軸方向の長さが各種異なる複数の縦壁102と、この縦壁102の所定の端部に適宜配設された複数の円板状又は中空円板状の横壁103とで区画されている。具体的には、本体50の内部に、複数の縦壁102が同心状に直立して配置されることにより縦壁102間に間隙51が形成され、この間隙51を利用して所望のガス流路が形成されるように、縦壁102の所定端部が横壁103によって適宜閉鎖されてい
る。それにより、本体50内部に、改質部7と、変成部8と、後述の各ガス流路とが形成されている。
The burner 20 to which the radiation tube 21 is attached is housed and arranged concentrically with the main body 50. The inside of the cylindrical main body 50, specifically, the space between the inner wall of the main body 50 and the radiation tube 21 has a plurality of vertical walls 102 having a concentric cylindrical shape and different lengths in the radial direction and the axial direction. And a plurality of disk-shaped or hollow disk-shaped horizontal walls 103 that are appropriately disposed at predetermined ends of the vertical wall 102. Specifically, a plurality of vertical walls 102 are arranged concentrically upright inside the main body 50 to form a gap 51 between the vertical walls 102, and a desired gas flow is obtained using the gap 51. A predetermined end of the vertical wall 102 is appropriately closed by a horizontal wall 103 so that a path is formed. As a result, the reforming unit 7, the transformation unit 8, and gas passages described later are formed inside the main body 50.

各ガス流路は、本体50の径方向のI−I’断面においてリング状に形成され、外側から内側に向かって、二重構造を有する燃焼ガス流路14の下流側流路14A、二重構造を有する改質原料流路11の上流側流路11A及び下流側流路11B、改質ガス流路32、改質部7、及び、前記燃焼ガス流路14の上流側流路14Bが順に配設されている。燃焼ガス流路14の下流側流路14Aと上流側流路14Bとは、横壁103により形成された本体径方向の流路によって底部で連通している。そして、上流側流路4Bの端部が、輻射筒21が取り付けられたバーナ20に連通するとともに、下流側流路4Aの端部が排ガス取り出し口18を通じて外部に連通している。また、改質原料流路11の上流側流路11Aと下流側流路11Bとは、横壁103により形成された本体径方向の流路によって底部で連通しており、この連通する底部の領域が、第1水蒸発部5となっている。後述するように、上流側流路11Aを通じて第1水蒸発部5に水が供給されて第1の水蒸気が発生し、この第1の水蒸気が下流側流路11Bを移動する。そこで、ここでは、上流側流路11A及び下流側流路11Bによって形成される第1の水蒸気の経路を、第1の水蒸気流路11Dと呼ぶ。   Each gas flow path is formed in a ring shape in the II ′ cross section in the radial direction of the main body 50, and from the outside toward the inside, the downstream side flow path 14A of the combustion gas flow path 14 having a double structure, double The upstream flow path 11A and the downstream flow path 11B of the reforming raw material flow path 11 having the structure, the reformed gas flow path 32, the reforming unit 7, and the upstream flow path 14B of the combustion gas flow path 14 are sequentially arranged. It is arranged. The downstream flow path 14 </ b> A and the upstream flow path 14 </ b> B of the combustion gas flow path 14 communicate with each other at the bottom by a flow path in the main body radial direction formed by the lateral wall 103. The end of the upstream channel 4B communicates with the burner 20 to which the radiation cylinder 21 is attached, and the end of the downstream channel 4A communicates with the outside through the exhaust gas outlet 18. Further, the upstream flow channel 11A and the downstream flow channel 11B of the reforming raw material flow channel 11 communicate with each other at the bottom by a flow channel in the main body radial direction formed by the lateral wall 103, and the region of the bottom portion that communicates is The first water evaporation section 5 is provided. As will be described later, water is supplied to the first water evaporation section 5 through the upstream flow path 11A to generate first water vapor, and the first water vapor moves through the downstream flow path 11B. Therefore, here, the first water vapor path formed by the upstream flow path 11A and the downstream flow path 11B is referred to as a first water vapor flow path 11D.

改質部7は、円筒形状を有し、燃焼ガス流路14の上流側流路14Bを介して、輻射筒21の側部と上部とを囲むように配置されている。改質部7の本体軸方向の上方には、横壁103により、改質部7の上端面に沿う改質原料流路11の下流側流路11Cが形成されている。このようにして形成された本体径方向の下流側流路11Cは、前述の改質原料流路11の下流側流路11Bに連通している。それにより、改質原料流路11の下流側端部が、改質部7の上端面に連通した構成となる。改質原料流路11の下流側流路11Bは、さらに本体軸方向上方まで延設されており、後述するように、この延設部分によって、第2の水蒸気流路30が形成されている。したがって、第2の水蒸気流路30と改質原料流路11とが連通した構成となる。   The reforming part 7 has a cylindrical shape and is arranged so as to surround the side part and the upper part of the radiation cylinder 21 via the upstream side flow path 14 </ b> B of the combustion gas flow path 14. A downstream channel 11 </ b> C of the reforming material channel 11 along the upper end surface of the reforming unit 7 is formed by the horizontal wall 103 above the reforming unit 7 in the body axis direction. The downstream flow channel 11C in the main body radial direction thus formed communicates with the downstream flow channel 11B of the reforming raw material flow channel 11 described above. As a result, the downstream end of the reforming raw material flow path 11 communicates with the upper end surface of the reforming section 7. The downstream flow path 11B of the reforming raw material flow path 11 is further extended to the upper side in the main body axial direction, and a second water vapor flow path 30 is formed by this extended portion, as will be described later. Therefore, the second steam channel 30 and the reforming material channel 11 are in communication with each other.

また、改質部7の軸方向上方には、改質部7の上端面と対向するように、変成部8が配設されている。変成部8と改質部7とは、改質ガス流路32によって連通している。この改質ガス流路32は、上流側端部が改質部7の下端面に連通し、改質部7の外周を囲むように本体軸方向に延び、かつ、下流側領域が変成部8の上端面に沿って本体径方向に形成されている。また、変成部8の下端面と横壁103とにより、変成後ガス流路13が形成されている。上流側端部が変成部8に連通する変成後ガス流路13の下流側端部は、変成後ガス取り出し口17を通じて浄化部(図示せず)に連通している。   In addition, a transformation unit 8 is disposed above the reforming unit 7 in the axial direction so as to face the upper end surface of the reforming unit 7. The transformation unit 8 and the reforming unit 7 are communicated with each other through the reformed gas flow path 32. The reformed gas channel 32 has an upstream end communicating with the lower end surface of the reforming unit 7, extending in the main body axial direction so as to surround the outer periphery of the reforming unit 7, and a downstream region of the reforming unit 8. It is formed in the main body radial direction along the upper end surface of. Further, the post-transformation gas flow path 13 is formed by the lower end surface of the metamorphic portion 8 and the lateral wall 103. The downstream end of the post-transformation gas flow path 13 whose upstream end communicates with the metamorphic section 8 communicates with a purification section (not shown) through the post-transform gas outlet 17.

改質原料流路11の上流側流路11Aは、原料供給部及び水供給部1に接続されている。水供給部1から出力された水の流量値は、流量計2で検出される。また、ここでは図示を省略しているが、原料供給部は、原料供給装置と、原料の供給管とを備えている。また、第2の水蒸気流路30は、流量調節器3に接続されている。また、本体50に取り付けられたバーナ20には、燃焼用空気供給口20a及び燃焼用燃料ガス供給口20bが形成されており、ここでは図示を省略しているが、空気供給口20aは空気供給部に接続され、燃焼用燃料ガス供給口20bは燃焼ガス供給部に接続されている。   An upstream channel 11 </ b> A of the reforming material channel 11 is connected to the material supply unit and the water supply unit 1. The flow rate value of water output from the water supply unit 1 is detected by the flow meter 2. Although not shown here, the raw material supply unit includes a raw material supply device and a raw material supply pipe. Further, the second water vapor channel 30 is connected to the flow rate regulator 3. The burner 20 attached to the main body 50 is provided with a combustion air supply port 20a and a combustion fuel gas supply port 20b. Although not shown here, the air supply port 20a is supplied with air. The combustion fuel gas supply port 20b is connected to the combustion gas supply unit.

改質部7は、粒状に成型された金属酸化物からなる担体上に改質触媒たる白金族金属が担持されたものが、縦壁102の間に形成された間隙51に充填されて形成されている。改質部7は、改質原料流路11や改質ガス流路32よりも装置の内側に形成され、上端面が改質原料流路11に連通するとともに、下端面が改質ガス流路32に連通している。   The reforming part 7 is formed by filling a gap 51 formed between the vertical walls 102, in which a platinum group metal as a reforming catalyst is supported on a carrier made of a metal oxide formed into a granular shape. ing. The reforming unit 7 is formed inside the apparatus with respect to the reforming material channel 11 and the reforming gas channel 32, and the upper end surface communicates with the reforming material channel 11 and the lower end surface is the reforming gas channel. 32.

変成部8は、セラミック製のハニカム基材上に形成された膜状の金属酸化物からなる担
体上に、変成触媒たる白金族金属が分散して担持された構成を有する。また、変成部8には、内部の温度を検出する温度検知器としての温度センサ12が配設されている。温度センサ12により検出された変成部8の温度情報は、制御装置35に伝達される。そして、制御装置35は、後述するように、この情報に基づいて流量調節部3を制御し、流量調節器3から第2の水蒸気流路30に供給される水の流量を調整する。
The shift portion 8 has a configuration in which a platinum group metal serving as a shift catalyst is dispersed and supported on a support made of a film-like metal oxide formed on a ceramic honeycomb substrate. In addition, a temperature sensor 12 serving as a temperature detector for detecting the internal temperature is disposed in the transformation unit 8. The temperature information of the transformer 8 detected by the temperature sensor 12 is transmitted to the control device 35. And the control apparatus 35 controls the flow volume adjustment part 3 based on this information so that it may mention later, and adjusts the flow volume of the water supplied to the 2nd water vapor flow path 30 from the flow volume regulator 3. FIG.

本体50及びバーナ20は、変成後ガス取り出し口17、排ガス取り出し口18、空気供給口20a及び燃焼用燃料ガス供給口20b、ならびに、原料供給部、水供給部1及び流量調節器3との接続部分を除いて、外周が断熱材53により覆われている。   The main body 50 and the burner 20 are connected to the post-transformation gas outlet 17, the exhaust gas outlet 18, the air supply port 20 a and the combustion fuel gas supply port 20 b, and the raw material supply unit, the water supply unit 1 and the flow rate regulator 3. Except for the portion, the outer periphery is covered with a heat insulating material 53.

改質原料流路11の下流側流路11Bは、下流側流路11Cとの接続部(以下、この接続部で混合原料ガスの移動方向が変わる(偏向する)ことから、この接続部を偏向部と呼ぶ)を越えて、さらに、変成部8よりも本体軸方向上方まで延びている。そして、その延設端部領域が、変成部8の上端面に沿って形成された改質ガス流路32と横壁103を介して隣接するように配置されている。ここでは、このように形成された改質原料流路11の下流側流路11Bのうち、前記偏向部よりも変成部8側(すなわち上側)に位置する部分を、特に、第2の水蒸気流路30と呼ぶ。   The downstream flow path 11B of the reforming raw material flow path 11 is connected to the downstream flow path 11C (hereinafter, the moving direction of the mixed raw material gas is changed (deflected) at this connection, and thus this connection is deflected. It extends beyond the metamorphic portion 8 to the upper side in the main body axial direction. The extended end region is disposed so as to be adjacent to the reformed gas channel 32 formed along the upper end surface of the metamorphic portion 8 via the lateral wall 103. Here, in the downstream flow path 11B of the reforming raw material flow path 11 formed in this way, a portion located on the metamorphic section 8 side (that is, the upper side) of the deflection section, in particular, the second water vapor flow Called the path 30.

第2の水蒸気流路30の内部には、改質ガス流路32と横壁103を介して隣接する部分に、第2水蒸発部6が形成されている。第2水蒸発部6は、流量調節器3から供給された水を貯留可能に構成され、例えば、底面とこの底面外周に配置された側面とからなり所定の深さを有する容器が、第2の水蒸気流路30内に配置されて第2水蒸発部6が構成されている。   Inside the second water vapor channel 30, a second water evaporation unit 6 is formed in a portion adjacent to the reformed gas channel 32 via the lateral wall 103. The second water evaporating unit 6 is configured to be able to store water supplied from the flow rate regulator 3. For example, a container having a predetermined depth made up of a bottom surface and a side surface disposed on the outer periphery of the bottom surface is the second water evaporation unit 6. The second water evaporation section 6 is configured by being disposed in the water vapor flow path 30.

次に、上記水素生成装置の動作について説明する。   Next, the operation of the hydrogen generator will be described.

燃焼用燃料ガス供給口20bを通じてバーナ20に燃料ガスが供給されるとともに、燃焼用空気供給口20aを通じてバーナ20に空気が供給される。燃焼用燃料ガスとして、燃料電池発電システムの燃料電池10において利用されなかった余剰燃料(いわゆる燃料オフガス)を使用している。そして、供給された燃料オフガスと空気とを用いて拡散燃焼が行われる。ここでは、バーナ20が輻射筒21で囲まれているため、輻射筒21内において燃焼が行われ、それにより、高温の燃焼ガスが生成される。燃焼ガスの熱は、輻射筒21を介して、本体50の径方向外側へ輻射により伝達される。このような輻射熱によって改質部7の改質触媒が加熱されるとともに、燃焼ガスが輻射筒21内を軸方向上方に移動して直接的に改質触媒を加熱する。それにより、改質部7が550〜800℃程度の温度に維持される。上昇した燃焼ガスは、燃焼ガス流路4の上流側流路4B内を縦壁102に沿って軸方向下向きに移動し、さらに、下流側流路4A内を軸方向上向きに移動して最終的に排ガス取り出し口18から外部に排出される(図中の矢印i)。ここで、後述するように、燃焼ガスが燃焼ガス流路4を移動する過程で、燃焼ガスの保有する熱と、改質原料流路11内を移動する水との間で熱交換が行われ、燃焼ガスの熱が、第1水蒸発部5で蒸発潜熱として利用される。   Fuel gas is supplied to the burner 20 through the combustion fuel gas supply port 20b, and air is supplied to the burner 20 through the combustion air supply port 20a. As the fuel gas for combustion, surplus fuel (so-called fuel off gas) that has not been used in the fuel cell 10 of the fuel cell power generation system is used. Then, diffusion combustion is performed using the supplied fuel off-gas and air. Here, since the burner 20 is surrounded by the radiation cylinder 21, combustion is performed in the radiation cylinder 21, thereby generating high-temperature combustion gas. The heat of the combustion gas is transmitted by radiation to the radially outer side of the main body 50 through the radiation cylinder 21. The reforming catalyst of the reforming unit 7 is heated by such radiant heat, and the combustion gas moves axially upward in the radiation cylinder 21 to directly heat the reforming catalyst. Thereby, the modification part 7 is maintained at the temperature of about 550-800 degreeC. The rising combustion gas moves downward in the axial direction along the vertical wall 102 in the upstream flow path 4B of the combustion gas flow path 4, and further moves upward in the axial direction in the downstream flow path 4A. To the outside from the exhaust gas outlet 18 (arrow i in the figure). Here, as will be described later, in the process in which the combustion gas moves in the combustion gas flow path 4, heat exchange is performed between the heat held by the combustion gas and the water moving in the reforming raw material flow path 11. The heat of the combustion gas is used as latent heat of evaporation in the first water evaporation unit 5.

原料供給部から供給された、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料ガス(例えば、都市ガス、LPガス等の炭化水素ガスや、メタノール等のアルコール)と、水供給部1から供給された水とは、改質反応原料として、改質原料流路11を通じて改質部7に送られる。ここでは、まず、各供給部から供給された原料ガスと水とが、異なる物質状態(すなわち気体と液体)のまま、改質原料流路11の上流側流路11A内を縦壁102に沿って軸方向下向きに移動する(図中の矢印a)。そして、上流側流路11Aの底部、すなわち第1水蒸発部5において、水が、前述の燃焼ガスの保有熱及び輻射熱ならびに後述の改質部7からの熱を利用して蒸発し、水蒸気となる。この第1水蒸発部5
において発生した水蒸気を、第1の水蒸気と呼ぶ。第1の水蒸気は、原料ガスと混合され、この混合原料ガスが、下流側流路11B内を縦壁102に沿って軸方向上向きに移動する(図中の矢印b)。そして、この混合原料ガスは、改質部7の上端面に沿って形成された改質原料流路11の下流側流路11Cに入り、この流路11C内を横壁103に沿って内側に向かって移動した後、改質部7に供給される(図中の矢印c)。
Source gas (for example, city gas, hydrocarbon gas such as LP gas, alcohol such as methanol) supplied from the source supply unit and containing an organic compound composed of at least carbon and hydrogen and supplied from the water supply unit 1 The water thus supplied is sent to the reforming unit 7 through the reforming material channel 11 as a reforming reaction material. Here, first, the raw material gas and water supplied from each supply unit remain in different substance states (that is, gas and liquid) in the upstream flow channel 11A of the reforming raw material flow channel 11 along the vertical wall 102. And move downward in the axial direction (arrow a in the figure). Then, at the bottom of the upstream flow passage 11A, that is, in the first water evaporation section 5, water evaporates using the heat and radiant heat of the combustion gas described above and the heat from the reforming section 7 described later, Become. This first water evaporation section 5
The water vapor generated in is called the first water vapor. The first water vapor is mixed with the raw material gas, and this mixed raw material gas moves axially upward along the vertical wall 102 in the downstream channel 11B (arrow b in the figure). Then, this mixed raw material gas enters the downstream flow passage 11C of the reforming raw material flow passage 11 formed along the upper end surface of the reforming section 7, and the inside of this flow passage 11C is directed inward along the horizontal wall 103. Are moved to the reforming section 7 (arrow c in the figure).

原料ガス及び第1の水蒸気は、改質部7の上端面からその内部に導入され、改質触媒中を縦壁102に沿って軸方向下向きに移動する(図中の矢印d)。この移動の間に、第1の水蒸気及び原料ガスは加熱されて温度が上昇し、改質反応が行われて改質ガスが生成する。改質ガスは、水素を主体とし、副成したCOを含むものである。そして、生成した改質ガスは、改質部7の下端面から改質ガス流路32に放出され、改質ガス流路32内を縦壁102に沿って軸方向上向に移動する(図中の矢印e)。そして、改質ガス流路32内を横壁103に沿って移動し、変成部8に達する(図中の矢印f)。   The raw material gas and the first water vapor are introduced into the reformer 7 from the upper end surface, and move in the reforming catalyst along the vertical wall 102 in the axial direction downward (arrow d in the figure). During this movement, the first water vapor and the raw material gas are heated to increase the temperature, and a reforming reaction is performed to generate a reformed gas. The reformed gas is mainly composed of hydrogen and contains by-produced CO. Then, the generated reformed gas is discharged from the lower end surface of the reforming unit 7 to the reformed gas channel 32 and moves in the reformed gas channel 32 along the vertical wall 102 in the axial direction upward (FIG. Middle arrow e). Then, it moves in the reformed gas channel 32 along the horizontal wall 103 and reaches the metamorphic section 8 (arrow f in the figure).

変成部8に供給された改質ガスは、変成触媒中を軸方向下向きに移動する。この過程において、改質ガス中に含まれるCOがCO2に転化する反応、すなわち変成反応が行われ、変成後ガスが生成する。この変成反応は、発熱反応である。変成後ガスは、変成部8の下流面から変成後ガス流路13に鉛直下向きに噴出され(図中の矢印g)、その後、この流路内を横壁103に沿って移動し、縦壁102に沿って該流路内を軸方向上向きに移動して変成後ガス取り出し口17から取り出される(図中の矢印h)。変成後ガス取り出し口17から取り出された変成後ガスは、浄化部(図示せず)に送られる。   The reformed gas supplied to the shift unit 8 moves downward in the axial direction in the shift catalyst. In this process, a reaction in which CO contained in the reformed gas is converted to CO2, that is, a shift reaction is performed, and a gas after the shift is generated. This modification reaction is an exothermic reaction. The post-transformation gas is ejected vertically downward from the downstream surface of the metamorphic section 8 into the post-transformation gas flow path 13 (arrow g in the figure), and then moves along the horizontal wall 103 in this flow path, and the vertical wall 102 The gas is moved upward in the axial direction along the flow path and taken out from the gas outlet 17 after the transformation (arrow h in the figure). The post-transformation gas taken out from the post-transformation gas outlet 17 is sent to a purification unit (not shown).

ここで、上記のように改質ガスが改質ガス流路32内を移動する際に、流量調節器3から第2の水蒸気流路30に水が供給される。ここでは、流量調節器3から第2の水蒸気流路30に供給される水の量は、水供給部1から改質原料流路11に供給される水の量の1/5以下である。このようにして第2水蒸発部6に供給された水は、第2水蒸発部6で一旦貯留される。   Here, when the reformed gas moves in the reformed gas channel 32 as described above, water is supplied from the flow rate regulator 3 to the second water vapor channel 30. Here, the amount of water supplied from the flow controller 3 to the second water vapor channel 30 is 1/5 or less of the amount of water supplied from the water supply unit 1 to the reforming raw material channel 11. Thus, the water supplied to the second water evaporation unit 6 is temporarily stored in the second water evaporation unit 6.

第2水蒸発部6は、横壁103を介して改質ガス流路32と接しているため、改質ガス流路32を流れる改質ガスの保有する熱の一部が、横壁103を介して第2水蒸発部6に伝達され、第2水蒸発部6における蒸発潜熱として利用される。このように保有する熱の一部が蒸発潜熱として回収されることにより、改質部7と同程度に高温であった改質ガスが冷却される。また、変成部8の上流面からの輻射熱も、改質ガス流路32を介して第2水蒸発部6に伝達されて蒸発潜熱として利用される。その結果、変成反応により変成部8内で発熱が起こっても、変成部8の温度を、変成反応に最適な180〜400℃に維持することが可能となる。したがって、変成部8において、安定して効率よく変成反応が行われてCOの除去が行われる。   Since the second water evaporation unit 6 is in contact with the reformed gas channel 32 via the horizontal wall 103, a part of the heat held by the reformed gas flowing through the reformed gas channel 32 is transmitted via the horizontal wall 103. It is transmitted to the second water evaporation unit 6 and used as latent heat of evaporation in the second water evaporation unit 6. By recovering a part of the retained heat as latent heat of vaporization in this way, the reformed gas that is as hot as the reformer 7 is cooled. Further, the radiant heat from the upstream surface of the transformation unit 8 is also transmitted to the second water evaporation unit 6 through the reformed gas flow path 32 and used as latent heat of evaporation. As a result, even if heat is generated in the metamorphic part 8 due to the metamorphic reaction, the temperature of the metamorphic part 8 can be maintained at 180 to 400 ° C. optimal for the metamorphic reaction. Therefore, the metamorphic reaction is performed stably and efficiently in the metamorphic section 8 to remove CO.

ここでは、上述の実施の形態1と同様に変成部8の温度を温度検出器としての温度センサ12によって検出し、その温度情報に基づいて、変成部8の温度が所定の温度(例えば、200℃)になるよいうに、制御装置35が、流量調節器3からの水の供給量を制御する。   Here, similarly to the above-described first embodiment, the temperature of the transformation unit 8 is detected by the temperature sensor 12 as a temperature detector, and based on the temperature information, the temperature of the transformation unit 8 is a predetermined temperature (for example, 200 The controller 35 controls the amount of water supplied from the flow rate regulator 3 before the temperature reaches (° C.).

すなわち、変成部8の温度が変成反応に最適な前記所定の温度よりも低い場合、制御装置35は、流量調節器3を制御して流量調節器3からの水の供給量を減少させる。例えば、流量調節器3が供給ポンプ及び供給流路の開閉弁を有する場合には、制御装置35は、ポンプの出力を減少させるか、又は、開閉弁を閉じることにより、水の供給量を減少させる。それにより、第2水蒸発部6に供給される水の量が減少し、よって、第2水蒸発部6での蒸発潜熱として回収される改質ガスの熱量が減少する。したがって、保有する熱量の大きい改質ガスが変成部8に供給され、それにより、変成部8の温度を上昇させることが
可能となる。
That is, when the temperature of the shift unit 8 is lower than the predetermined temperature optimum for the shift reaction, the control device 35 controls the flow rate regulator 3 to reduce the amount of water supplied from the flow rate regulator 3. For example, when the flow rate regulator 3 has a supply pump and an on-off valve for the supply flow path, the control device 35 reduces the supply amount of water by reducing the output of the pump or closing the on-off valve. Let Thereby, the amount of water supplied to the second water evaporation unit 6 is reduced, and accordingly, the amount of heat of the reformed gas recovered as latent heat of evaporation in the second water evaporation unit 6 is reduced. Therefore, the reformed gas having a large amount of heat is supplied to the shift unit 8, thereby increasing the temperature of the shift unit 8.

一方、変成部8の温度が変成反応に最適な所定の温度よりも高い場合、制御装置35は、流量調節器3を制御して流量調節器3からの水の供給量を増加させる。例えば、制御装置35は、ポンプの出力を増加させるか、又は、開閉弁をさらに開くことにより、水の供給量を増加させる。それにより、第2水蒸発部6に供給される水の量が増加し、よって、第2水蒸発部6で回収される改質ガスの熱量が増加する。したがって、より冷却されて保有する熱量の少ない改質ガスが変成部8に供給され、それにより、変成部8の温度上昇を抑制することが可能となる。   On the other hand, when the temperature of the shift unit 8 is higher than a predetermined temperature optimum for the shift reaction, the control device 35 controls the flow rate regulator 3 to increase the amount of water supplied from the flow rate regulator 3. For example, the control device 35 increases the supply amount of water by increasing the output of the pump or further opening the on-off valve. As a result, the amount of water supplied to the second water evaporation unit 6 increases, and thus the amount of heat of the reformed gas recovered by the second water evaporation unit 6 increases. Therefore, the reformed gas having a smaller amount of heat that is cooled and held is supplied to the shift section 8, thereby suppressing the temperature rise of the shift section 8.

このような第2水蒸発部6における水の蒸発は、下方から加熱されるプール沸騰であるため、突沸を防止することができ、それゆえ、装置内における圧力変動の発生を防止することができる。このため、前述のように、特に、改質部7において、安定して改質ガスを生成することが可能となる。また、水等に溶存する金属イオンが、突沸に伴って飛散して改質部7や変成部8等に侵入するのを防止することが可能となる。例えば、突沸に伴って上記の金属イオンが改質部7や変成部8等に侵入すると、金属イオンがこれらの部分の触媒に吸着して触媒活性を失活させるため、装置の耐久性の劣化を引き起こす。これに対して、本実施の形態では、突沸が防止されていることから、水中に含まれる金属イオンの飛散を防止することができ、耐久性が向上する。   Such evaporation of the water in the second water evaporation section 6 is pool boiling heated from below, so that bumping can be prevented, and therefore occurrence of pressure fluctuation in the apparatus can be prevented. . For this reason, as described above, it is possible to generate the reformed gas stably in the reforming unit 7 in particular. Further, it is possible to prevent metal ions dissolved in water or the like from being scattered due to bumping and intruding into the reforming unit 7, the metamorphic unit 8, and the like. For example, when the above metal ions enter the reforming part 7 or the metamorphic part 8 due to bumping, the metal ions are adsorbed on the catalyst of these parts to deactivate the catalytic activity, so that the durability of the apparatus is deteriorated. cause. On the other hand, in this Embodiment, since bumping is prevented, the scattering of the metal ion contained in water can be prevented and durability improves.

また、前述したように、さらに、流量調節器3から供給される水の量が水供給部1から供給される水の量の1/5以下と少量であることから、第2水蒸発部6において生成した第2の水蒸気の圧力は、第1水蒸発部5において生成した第1の水蒸気の圧力と比較して、僅かなものである。したがって、第2の水蒸気は、改質部7に供給される原料ガスと水蒸気との圧力比に、ほとんど影響しない。それゆえ、変成部8の温度制御のために第2水蒸発部6への水供給量を調整して第2の水蒸気の発生量を変化させても、改質部7において安定して改質反応を行うことが可能となる。   Further, as described above, since the amount of water supplied from the flow rate regulator 3 is as small as 1/5 or less of the amount of water supplied from the water supply unit 1, the second water evaporation unit 6 The pressure of the second water vapor generated in step 1 is slightly smaller than the pressure of the first water vapor generated in the first water evaporation unit 5. Therefore, the second steam hardly affects the pressure ratio between the raw material gas supplied to the reforming unit 7 and the steam. Therefore, even if the amount of the second water vapor generated is changed by adjusting the amount of water supplied to the second water evaporation unit 6 to control the temperature of the shift unit 8, the reforming unit 7 can stably reform. The reaction can be performed.

このようにして第2水蒸発部6において生成された第2の水蒸気は、第2の水蒸気流路30内を横壁103に沿って移動した後、縦壁102に沿って軸方向下向きに流れる。そして、改質原料流路11の下流側流路11Cに入り、前述の下流側流路11B内を移動してきた混合原料ガスとともに、横壁103に沿って移動して改質部7に供給される。このように第2の水蒸気流路30内を第2の水蒸気が流れる過程において、第2の水蒸気流路30が横壁103及び縦壁102を介して変成後ガス流路13と隣接していることから、変成後ガスから第2の水蒸気に熱が伝達されて熱回収が行われる。   The second water vapor generated in the second water evaporation unit 6 in this way moves along the horizontal wall 103 in the second water vapor flow path 30 and then flows downward along the vertical wall 102 in the axial direction. Then, it enters the downstream flow path 11C of the reforming raw material flow path 11, moves along the horizontal wall 103 together with the mixed raw material gas that has moved in the downstream flow path 11B, and is supplied to the reforming unit 7. . In this way, the second water vapor channel 30 is adjacent to the post-transformation gas channel 13 via the horizontal wall 103 and the vertical wall 102 in the process of flowing the second water vapor through the second water vapor channel 30. Therefore, heat is transferred from the transformed gas to the second water vapor, and heat recovery is performed.

上述の内容及び図2から明らかなように本実施の形態においても、実施の形態1と同様に水供給部1から出力された水が、水経路が途中で分岐してそれぞれ、第1水蒸発部5及び第2水蒸発部6に供給されるよう構成されており、改質部7で要求される所定のS/C値になるよう流量を、流量計2で検出される値に基づいて、水供給部1が制御することが可能である。従って、変成部8の温度センサ12で検出される温度を所定温度に維持するため、流量調節部3により第2水蒸発部6に供給する水の流量が変動しても前記所定のS/C値を維持した状態で第1蒸発部及び第2蒸発部から水蒸気が改質部7に供給することが可能となり上述の実施の形態1と同様の効果を得ることが可能となる。   As is clear from the above description and FIG. 2, also in the present embodiment, the water output from the water supply unit 1 branches in the middle of the water path in the same manner as in the first embodiment, and the first water evaporates. The flow rate is set to a predetermined S / C value required by the reforming unit 7 based on the value detected by the flow meter 2. The water supply unit 1 can be controlled. Therefore, in order to maintain the temperature detected by the temperature sensor 12 of the transformation unit 8 at a predetermined temperature, even if the flow rate of water supplied to the second water evaporation unit 6 by the flow rate adjustment unit 3 varies, the predetermined S / C Water vapor can be supplied from the first evaporation unit and the second evaporation unit to the reforming unit 7 while maintaining the value, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.

なお、流量調節器3から供給された水が第2水蒸発部6で蒸発しきれなかった場合、水は、第2の水蒸気流路30内を移動し、さらに、改質原料流路11の下流側流路11B内を移動してこの流路の底部、すなわち第1水蒸発部5に達する。このように第1水蒸発部5に達した水は、前述の水供給部1から供給された水と同様に、第1水蒸発部5において蒸発する。そして、得られた水蒸気は、下流側流路11B,11Cを通じて改質部7に供
給される。このように、第2水蒸発部6において水が蒸発しきれなかった場合でも、改質部7に水が直接供給されることはなく、したがって、この水により改質部7における改質ガスの生成効率が低下することはない。また、この場合には、第2水蒸発部6で蒸発しきれずに通流する水によっても、改質ガスから熱が回収される。
In addition, when the water supplied from the flow controller 3 cannot be evaporated by the second water evaporation unit 6, the water moves in the second water vapor channel 30, and further the reforming raw material channel 11. It moves in the downstream flow path 11B and reaches the bottom of this flow path, that is, the first water evaporation section 5. Thus, the water that has reached the first water evaporation unit 5 evaporates in the first water evaporation unit 5 in the same manner as the water supplied from the water supply unit 1 described above. And the obtained water vapor | steam is supplied to the modification part 7 through the downstream flow paths 11B and 11C. As described above, even when the water cannot be completely evaporated in the second water evaporation unit 6, the water is not directly supplied to the reforming unit 7. Production efficiency does not decrease. Further, in this case, heat is recovered from the reformed gas also by the water that does not evaporate in the second water evaporation unit 6 and flows through.

変成反応によって得られた変成後ガスのCO濃度は、変成反応の温度に応じて、改質ガス中のCO濃度の1/5〜1/50まで低減されている。しかしながら、燃料電池10で燃料ガスとして利用するには、CO濃度を10ppm以下まで低減する必要がある。   The CO concentration in the post-transformation gas obtained by the shift reaction is reduced to 1/5 to 1/50 of the CO concentration in the reformed gas according to the temperature of the shift reaction. However, in order to use it as fuel gas in the fuel cell 10, it is necessary to reduce the CO concentration to 10 ppm or less.

このため、燃料電池発電システムで用いられる水素発生装置では、変成後ガスが、変成部8の下流に配設された浄化部(図示せず)にさらに供給されて処理される。そして、燃料電池発電システムにおいては、水素生成装置150で得られた水素主体のガスが、燃料ガスとして燃料電池10の燃料極に供給される。燃料電池10では、燃料極に供給されたこの燃料ガスと、酸素極に供給された酸素ガスとの反応を利用して発電が行われる。   For this reason, in the hydrogen generator used in the fuel cell power generation system, the transformed gas is further supplied to a purification unit (not shown) disposed downstream of the transformation unit 8 and processed. In the fuel cell power generation system, the hydrogen-based gas obtained by the hydrogen generator 150 is supplied to the fuel electrode of the fuel cell 10 as fuel gas. In the fuel cell 10, power generation is performed using a reaction between the fuel gas supplied to the fuel electrode and the oxygen gas supplied to the oxygen electrode.

本実施の形態の水素生成装置では、変成部8に供給される改質ガスの熱を第2水蒸発部6に供給される水を利用して回収するため、燃料オフガス、燃焼用空気、又は燃焼ガスと改質ガスとの間で熱交換を行う場合や、改質反応の原料ガス又は水蒸気と改質ガスとの間で熱交換を行う場合のような気体同士間での熱交換よりも、液体である水と気体である改質ガスとの間の熱交換率が大きくなり、回収熱量が増加する。したがって、装置全体として、熱効率が向上する。   In the hydrogen generator of the present embodiment, the heat of the reformed gas supplied to the shift conversion unit 8 is recovered using the water supplied to the second water evaporation unit 6, so that the fuel offgas, combustion air, or Rather than heat exchange between gases, such as when heat exchange is performed between the combustion gas and the reformed gas, or when heat exchange is performed between the raw material gas for reforming reaction or steam and the reformed gas. The heat exchange rate between the liquid water and the gas reformed gas is increased, and the amount of recovered heat is increased. Therefore, the thermal efficiency is improved as a whole apparatus.

また、変成部8の温度調節が、装置の他の部分の影響から独立した要素、すなわち、流量調節器3からの水の供給量、を制御することにより行われるので、従来の場合のように装置の他の部分の状態変化に伴って変成部8の温度が影響を受けることがない。特に、改質部7における水素発生量の負荷が変化しても、従来のように水素発生量の負荷の変化に伴って状態変化が生じる要素(具体的には、燃料オフガスや燃焼用空気、燃焼ガス等)を用いて変成部8の温度制御を行う場合に比べて、良好な制御性を実現することが可能となる。   Further, since the temperature adjustment of the transformation section 8 is performed by controlling an element independent of the influence of other parts of the apparatus, that is, the amount of water supplied from the flow rate regulator 3, as in the conventional case. The temperature of the transformation section 8 is not affected by the state change of the other parts of the apparatus. In particular, even if the load of the hydrogen generation amount in the reforming unit 7 changes, an element that causes a change in state with the change of the hydrogen generation load as in the past (specifically, fuel offgas, combustion air, As compared with the case where the temperature control of the metamorphic portion 8 is performed using a combustion gas or the like, it is possible to realize better controllability.

このように熱回収の効率が向上するとともに変成部8の温度制御性の向上が図られた水素生成装置を備えた燃料電池発電システムでは、システム全体における熱効率が向上して高いエネルギー効率を実現することができるとともに、耐久性の高いシステムを実現することが可能となる。   Thus, in the fuel cell power generation system provided with the hydrogen generator in which the efficiency of heat recovery is improved and the temperature controllability of the shift section 8 is improved, the thermal efficiency of the entire system is improved and high energy efficiency is realized. And a highly durable system can be realized.

なお、上記においては、改質部7が、前述のように粒状に成型された金属酸化物の担体上に白金族金属が担持された構成を有するが、改質部7の構成はこれ以外であってもよい。例えば、改質部7の形状に応じて、セラミックや金属等のハニカム基材の上に形成された膜状の金属酸化物を担体とし、該担体上に白金族金属が分散された構成であってもよい。   In the above description, the reforming unit 7 has a configuration in which a platinum group metal is supported on a metal oxide carrier that is formed into a granular shape as described above. There may be. For example, according to the shape of the modified portion 7, a film-like metal oxide formed on a honeycomb substrate such as ceramic or metal is used as a carrier, and a platinum group metal is dispersed on the carrier. May be.

また、上記においては、変成部8が、セラミックからなるハニカム基材上に形成された膜状の金属酸化物担体上に白金族金属が分散担持された構成を有するが、変成部8の構成はこれ以外であってもよい。例えば、基材がステンレス等の金属薄板で構成された構造体でもよく、また、変成部8の形状に応じて、粒状に成型された金属酸化物の担体上に白金族金属が担持されたものが充填された構成であってもよい。さらに、変成部8の変成触媒として、白金族金属以外に、Cu−Zn系等の卑金属を用いてもよい。   In the above description, the metamorphic portion 8 has a configuration in which a platinum group metal is dispersedly supported on a film-like metal oxide support formed on a ceramic honeycomb substrate. Other than this may be used. For example, the base material may be a structure composed of a thin metal plate such as stainless steel, and a platinum group metal is supported on a metal oxide support that is formed into a granular shape according to the shape of the metamorphic portion 8. The structure filled with may be sufficient. Furthermore, a base metal such as a Cu—Zn-based material may be used as the shift catalyst for the shift unit 8 in addition to the platinum group metal.

ここで、上記のように白金族金属を変成部8の変成触媒として用いた場合には、卑金属を触媒として用いた場合よりも触媒が高い耐熱性を有することから、変成部8の温度をよ
り高くすることが可能となる。このように高い耐熱性を有する変成部8では、流量調節器3からの水の供給量の制御に余裕が生じ、供給量の変動幅に余裕が生じる。一方、卑金属を変成触媒として用いた場合には、これらの金属は耐熱性が白金族金属に比べて低いため、使用可能な温度範囲が狭くなるが、本実施の形態では変成部8において良好な温度制御性が実現されるので、本実施の形態の効果が有効に奏される。
Here, when the platinum group metal is used as the shift catalyst of the shift section 8 as described above, the catalyst has higher heat resistance than when the base metal is used as the catalyst. It becomes possible to make it higher. Thus, in the transformation part 8 which has high heat resistance, a margin arises in control of the supply amount of the water from the flow volume regulator 3, and a margin arises in the fluctuation range of a supply amount. On the other hand, when the base metal is used as the shift catalyst, these metals have lower heat resistance than the platinum group metal, and thus the usable temperature range is narrow. However, in the present embodiment, the shift portion 8 is good. Since temperature controllability is realized, the effect of the present embodiment is effectively exhibited.

上記においては、第2水蒸発部6で生成した第2の水蒸気が、第1水蒸発部5で生成された第1の水蒸気と混合され、共通の改質原料流路11Cを介して改質部7に供給されているが、本実施の形態の変形例として、第1水蒸発部5で生成された第1の水蒸気と、第2水蒸発部6で生成された第2の水蒸気とを、別々の流路を通じて改質部7にそれぞれ供給する構成であってもよい。   In the above, the second water vapor generated in the second water evaporation unit 6 is mixed with the first water vapor generated in the first water evaporation unit 5, and reformed via the common reforming material flow path 11C. As a modification of the present embodiment, the first water vapor generated by the first water evaporation unit 5 and the second water vapor generated by the second water evaporation unit 6 are supplied as a modification of the present embodiment. The configuration may be such that the reforming unit 7 is supplied through separate flow paths.

本発明に係る水素生成装置は、改質部でのS/Cが安定し、改質ガスの露点が安定するという効果が得られ、水素生成装置及びこれを備えた家庭用等の燃料電池発電システムとして有用である。   The hydrogen generator according to the present invention has an effect that the S / C in the reforming section is stabilized and the dew point of the reformed gas is stabilized, and the hydrogen generator and the household fuel cell power generation equipped with the hydrogen generator are provided. Useful as a system.

本発明の実施の形態1における水素生成装置及び燃料電池システムの模式図Schematic diagram of a hydrogen generator and a fuel cell system in Embodiment 1 of the present invention 本発明の実施の形態2における水素生成装置及び燃料電池システムの模式図Schematic diagram of hydrogen generator and fuel cell system in Embodiment 2 of the present invention 従来技術の水素生成装置及び燃料電池システムの模式図Schematic diagram of conventional hydrogen generator and fuel cell system

符号の説明Explanation of symbols

1 水供給部
2 流量計
3 流量調節器
5 第1水蒸発部
6 第2水蒸発部
7 改質部
8 変成部
9 酸化剤供給部
10 燃料電池
20 加熱部
12 温度検知器
23 第1水供給部
24 第1流量計
25 第2水供給部
26 第2流量計
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Water supply part 2 Flowmeter 3 Flow controller 5 1st water evaporation part 6 2nd water evaporation part 7 Reformation part 8 Transformation part 9 Oxidant supply part 10 Fuel cell 20 Heating part 12 Temperature detector 23 1st water supply Unit 24 First flow meter 25 Second water supply unit 26 Second flow meter

Claims (4)

水蒸気及び原料を用いて改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部と、前記改質部を加熱する加熱部と、前記加熱部の燃焼排ガスを用いて前記水蒸気を発生させるための第1水蒸発部と、前記改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応により二酸化炭素に転化する変成部と、前記変成部と熱交換可能に構成され前記変成部の熱を利用した水蒸気を生成する第2水蒸発部と、前記変成部の温度を検知する温度検知部と、前記第1水蒸発部および第2水蒸発部に水を供給する水供給部と、前記水供給部から出力された水が流通する水経路上に、前記第1水蒸発部および第2水蒸発部のそれぞれに水を供給するための分岐部とを備え、
前記分岐部と前記水供給部との間の水経路に水の流量を計測する流量計と、前記分岐部と前記第2水蒸発部との間の水経路に水の流量を調節する流量調節部とが設けられ、前記流量調節部は、前記熱交換により前記温度検知器で検知された温度が所定温度になるように水の流量を調節することを特徴とする水素生成装置。
In order to generate the steam using a reforming unit that generates reformed gas containing hydrogen by a reforming reaction using steam and a raw material, a heating unit that heats the reforming unit, and combustion exhaust gas of the heating unit A first water evaporation section, a shift section that converts carbon monoxide in the reformed gas into carbon dioxide by a shift reaction, and steam that is configured to exchange heat with the shift section and that uses heat of the shift section. A second water evaporation section to be generated, a temperature detection section for detecting the temperature of the shift section, a water supply section for supplying water to the first water evaporation section and the second water evaporation section, and an output from the water supply section And a branch part for supplying water to each of the first water evaporation part and the second water evaporation part on a water path through which the water is circulated,
A flow meter that measures the flow rate of water in the water path between the branch part and the water supply part, and a flow rate adjustment that adjusts the flow rate of water in the water path between the branch part and the second water evaporation part. And the flow rate adjusting unit adjusts the flow rate of water so that the temperature detected by the temperature detector by the heat exchange becomes a predetermined temperature.
第1水蒸発部に供給される水量Xと、第2水蒸発部に供給される水量Yとの総和を所定値に維持するように、前記水流量計の値に基づいて、前記水供給部を制御することを特徴とする請求項1記載の水素生成装置。 Based on the value of the water flow meter, the water supply unit so as to maintain the total amount of the water amount X supplied to the first water evaporation unit and the water amount Y supplied to the second water evaporation unit at a predetermined value. 2. The hydrogen generator according to claim 1, wherein the hydrogen generator is controlled. 水供給部及び流量計に代えてポンプを用い、かつ、流量調節部がポンプであることを特徴とする請求項1記載の水素生成装置。 2. The hydrogen generator according to claim 1, wherein a pump is used instead of the water supply unit and the flow meter, and the flow rate adjusting unit is a pump. 請求項1〜3記載の水素生成装置と、前記水素生成装置から供給される水素及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池とを備える燃料電池システム。 A fuel cell system comprising the hydrogen generator according to claim 1 and a fuel cell that generates electric power using hydrogen and an oxidant gas supplied from the hydrogen generator.
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