JP2006335623A - Reforming system - Google Patents

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俊一郎 隈
Shigeki Kobayashi
茂樹 小林
Shiro Fujishima
史郎 藤島
Jun Ono
小野  純
Takeshi Kuwabara
武 桑原
Yasushi Yoshino
靖 吉野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a reforming system capable of eliminating a large amount of raw material gas purge required after steam purge when stopping the reforming system. <P>SOLUTION: The reforming system is provided with a reformer 1 for generating a hydrogen-rich reformed gas by the steam-reforming reaction of a raw material-steam mixture, and a controller 14. The reformer 1 has a vessel 90 and a catalyst layer arranged therein, and a heating part 91 is arranged so as to surround the vessel 90. When stopping the operation of the reformer 1, the controller 14 controls heating by the heating part 91 so as to prevent dew condensation by cooling of the steam remaining in the vessel 90. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は原料―水蒸気混合物を水蒸気改質反応して水素リッチな改質ガスを生成する改質装置と、制御装置とを備えた改質システムに関し、特に改質装置を停止した際にその内部に水蒸気の結露が発生することを防止した改質システムに関する。   The present invention relates to a reforming system including a reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of a raw material-steam mixture, and a control device, and particularly when the reformer is stopped The present invention relates to a reforming system that prevents the occurrence of water vapor condensation.

従来、原料ガスと水蒸気を水蒸気改質触媒の存在下に水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを生成する改質装置が知られている。改質装置で得られる水素リッチな改質ガスは燃料電池の燃料として好適に利用される。原料ガスとしてはメタン等の炭化水素、メタノール等の脂肪族アルコール類、或いはジメチルエーテル等のエーテル類、都市ガスなどが用いられる。改質装置においてメタンを原料ガスとして使用した場合の水蒸気改質の反応式はCH+2HO→CO+4Hで示すことができ、好ましい改質反応温度は650〜750℃の範囲である。 Conventionally, a reformer that steam-reforms a raw material gas and steam in the presence of a steam reforming catalyst to generate a hydrogen-rich reformed gas is known. The hydrogen-rich reformed gas obtained by the reformer is suitably used as fuel for the fuel cell. As the source gas, hydrocarbons such as methane, aliphatic alcohols such as methanol, ethers such as dimethyl ether, city gas, and the like are used. The reaction formula of steam reforming when methane is used as the raw material gas in the reformer can be expressed as CH 4 + 2H 2 O → CO 2 + 4H 2 , and the preferred reforming reaction temperature is in the range of 650 to 750 ° C. .

水蒸気改質器の反応に必要な熱を供給する方式として外部加熱型と内部加熱型がある。外部加熱型の改質装置は外部に加熱部を設け、その熱源で原料ガスと水蒸気を反応させて改質ガスを生成する装置である。内部加熱型の改質装置はその供給側(上流側)に部分酸化反応層を設け、該部分酸化反応層で発生した熱を用いて下流側に配備した水蒸気改質反応層を水蒸気改質反応温度まで加熱し、該加熱された水蒸気改質触媒層で水蒸気改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成するように構成している。   There are an external heating type and an internal heating type as a system for supplying heat necessary for the reaction of the steam reformer. The external heating type reforming apparatus is an apparatus that generates a reformed gas by providing a heating unit outside and reacting a raw material gas and water vapor with a heat source. The internal heating type reformer is provided with a partial oxidation reaction layer on the supply side (upstream side), and the steam reforming reaction layer disposed on the downstream side using the heat generated in the partial oxidation reaction layer is subjected to a steam reforming reaction. Heating to a temperature is performed, and a steam reforming reaction is performed in the heated steam reforming catalyst layer to generate a hydrogen-rich reformed gas.

部分酸化反応はCH+ 1/2O→CO+2Hで示すことができ、好ましい部分酸化反応の温度は250℃以上の範囲である。内部加熱型の改質装置を改良したものとして自己酸化内部加熱型の水蒸気改質器が例えば特許文献1に記載されている。特許文献1の改質装置は予備改質室と主改質室を備え、予備改質室には原料―水蒸気混合物の供給部、改質触媒層および排出部が設けられ、主改質室には前記排出部に連通する供給部、酸素含有ガスの供給部、改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層、シフト触媒層および排出部が設けられる。 The partial oxidation reaction can be represented by CH 4 + 1 / 2O 2 → CO + 2H 2 , and the preferred partial oxidation reaction temperature is in the range of 250 ° C. or higher. As an improvement of the internal heating type reformer, a self-oxidation internal heating type steam reformer is described in Patent Document 1, for example. The reforming apparatus of Patent Document 1 includes a pre-reforming chamber and a main reforming chamber. The pre-reforming chamber is provided with a raw material-steam mixture supply unit, a reforming catalyst layer, and a discharge unit. Are provided with a supply portion communicating with the discharge portion, an oxygen-containing gas supply portion, a mixed catalyst layer in which the reforming catalyst and the oxidation catalyst are mixed, a shift catalyst layer, and a discharge portion.

そして原料ガスと水蒸気の混合物(以下、原料―水蒸気混合物という。)を予備改質室に供給すると、そこで改質触媒層により原料ガスの一部が改質(予備改質)され、生成した改質ガスと未反応の原料―水蒸気混合物が排出部から流出して主改質室に供給される。主改質室の混合触媒層では酸化反応による発熱により改質反応(主改質)が行われ、得られた改質ガスは次いでシフト触媒層に流入し、そこでCOを低減された改質ガスが排出部から排出するようになっている。   Then, when a mixture of raw material gas and steam (hereinafter referred to as raw material-steam mixture) is supplied to the pre-reforming chamber, a part of the raw material gas is reformed (pre-reformed) by the reforming catalyst layer, and the generated reforming is performed. A quality gas and an unreacted raw material-steam mixture flow out of the discharge section and are supplied to the main reforming chamber. In the mixed catalyst layer of the main reforming chamber, a reforming reaction (main reforming) is performed by heat generated by the oxidation reaction, and the resulting reformed gas then flows into the shift catalyst layer, where the reformed gas with reduced CO Is discharged from the discharge section.

従来から、外部加熱型の改質装置および自己酸化内部加熱型の改質装置のいずれにおいても、システムを停止する際には改質装置における炭素の析出や結露の発生による触媒劣化を防止するため、その内部を窒素ガスでパージしている。しかし、家庭用や車搭載用の燃料電池に改質ガスを供給する改質装置では、重量やスペースの大きい窒素ボンベを設けることは望ましくない。   Conventionally, in both the external heating type reformer and the self-oxidation internal heating type reformer, when the system is stopped, in order to prevent catalyst deterioration due to carbon deposition or condensation in the reformer. The inside is purged with nitrogen gas. However, in a reformer that supplies reformed gas to a fuel cell for home use or a vehicle, it is not desirable to provide a nitrogen cylinder with a large weight and space.

そこで窒素ガスパージを行わない方式(窒素レス方式)でシステムを停止する方法が例えば特許文献2および特許文献3に提案されている。特許文献2の方法は停止操作において、改質装置の加熱部への熱源供給を停止して改質反応を終了させ、改質装置への原料ガスと水蒸気の供給を継続しながら内部温度を所定値まで降温させ、次いで水蒸気の供給を停止した後に内部の残留水分を継続供給している原料ガスでパージしている。また特許文献3の停止方法は、停止操作において先ず改質装置への原料ガスの供給を停止し、次に内部温度が所定温度まで低下した時点で水蒸気の供給を停止し、それと同時に残留する水分を原料ガスでパージしている。   Therefore, for example, Patent Document 2 and Patent Document 3 propose a method of stopping the system in a system that does not perform nitrogen gas purge (nitrogen-less system). In the method of Patent Document 2, in the stop operation, the heat source supply to the heating unit of the reformer is stopped to terminate the reforming reaction, and the internal temperature is set to a predetermined value while continuing the supply of the raw material gas and water vapor to the reformer. The temperature is lowered to the value, and then the supply of water vapor is stopped, and then the inside residual moisture is purged with the raw material gas that is continuously supplied. In the stopping method of Patent Document 3, first, the supply of the raw material gas to the reformer is stopped in the stopping operation, and then the supply of water vapor is stopped when the internal temperature is lowered to a predetermined temperature. Is purged with the source gas.

特開2004−175582号公報JP 2004-175582 A 特開2000−95504号公報JP 2000-95504 A 特開2002−151124号公報JP 2002-151124 A

従来の改質システムの停止方法では、いずれも水蒸気パージ後に装置内に残留する水蒸気を更に原料ガスパージで除去している。即ち、水蒸気パージを実施したまま放置すると、改質装置が冷却したときに装置内に残留する水蒸気が結露し、装置の内部腐食や触媒劣化を起こす原因になる。そこで装置内に残留する水蒸気を完全に排除するため、少なくとも装置の内容量の3〜5倍の原料ガスでパージして水蒸気を完全に除去している。   In all of the conventional reforming system stop methods, the water vapor remaining in the apparatus after the water vapor purge is further removed by the raw material gas purge. That is, if the steam purging is left as it is, the water vapor remaining in the apparatus is condensed when the reforming apparatus is cooled, causing internal corrosion of the apparatus and catalyst deterioration. Therefore, in order to completely remove the water vapor remaining in the apparatus, the water vapor is completely removed by purging with a source gas at least 3 to 5 times the internal volume of the apparatus.

しかしこのように大量の原料ガスパージを行う方法は、改質システムのエネルギー効率を低下させるので好ましくない。特に1日に1回システム停止操作を行う改質システムの場合は、パージ用として年間に消費される原料ガス量はかなり多量になる。また大量の原料ガスパージを行うと改質装置の内部温度は急速に下降し、例えば1日1回停止操作を行う改質システムの場合でも、改質装置の内部温度は停止期間の最後に常温近くまで低下することがある。   However, this method of purging a large amount of source gas is not preferable because it reduces the energy efficiency of the reforming system. In particular, in the case of a reforming system that performs a system stop operation once a day, the amount of raw material gas consumed for purging annually becomes considerably large. In addition, when a large amount of source gas purge is performed, the internal temperature of the reformer rapidly decreases. For example, even in the case of a reforming system that performs a stop operation once a day, the internal temperature of the reformer is close to room temperature at the end of the stop period. May fall to.

そのためシステムの再起動時における改質装置の昇温時間(および起動時間)も長くなるという問題がある。さらに昇温に要する熱エネルギー消費も大きくなる。そこで本発明はこれら従来の改質システムにおける問題、特に停止時における諸問題を解決することを課題とする。   For this reason, there is a problem that the temperature raising time (and start-up time) of the reformer becomes long when the system is restarted. Furthermore, the heat energy consumption required for temperature rise also increases. Therefore, an object of the present invention is to solve these problems in the conventional reforming system, particularly various problems at the time of stopping.

前記課題を解決する本発明は、原料―水蒸気混合物を水蒸気改質反応して水素リッチな改質ガスを生成する改質装置と、制御装置とを備えた改質システムである。そして前記改質装置は容器とその内部に配置された触媒層を有し、前記容器を取り囲むように加熱部が配置され、改質装置が運転を停止した際に、前記制御装置は前記容器内に残存する水蒸気の結露を防止するように前記加熱部を制御することを特徴とする(請求項1)。   The present invention that solves the above-described problems is a reforming system that includes a reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by subjecting a raw material-steam mixture to a steam reforming reaction, and a control device. The reformer includes a container and a catalyst layer disposed therein, and a heating unit is disposed so as to surround the container. When the reformer stops operation, the control device The heating unit is controlled so as to prevent dew condensation of water vapor remaining in the water (claim 1).

上記改質システムにおいて、前記加熱部を電熱ヒータによる加熱方式とし、その電熱ヒータの外側を断熱層で覆うことができる(請求項2)。   In the reforming system, the heating unit may be a heating method using an electric heater, and the outside of the electric heater may be covered with a heat insulating layer.

上記いずれかの改質システムにおいて、前記改質装置は自己酸化内部加熱型とし、前記容器内に予備改質室と本改質室を備え、予備改質室に改質触媒層を配置し、本改質室に改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層とシフト触媒層を配置することができる(請求項3)。   In any one of the above reforming systems, the reforming apparatus is a self-oxidation internal heating type, and includes a pre-reforming chamber and a main reforming chamber in the container, and a reforming catalyst layer is disposed in the pre-reforming chamber, A mixed catalyst layer in which a reforming catalyst and an oxidation catalyst are mixed and a shift catalyst layer can be disposed in the reforming chamber (claim 3).

さらに上記いずれかの改質システムにおいて、前記改質装置に水蒸気を供給する水蒸気発生手段と、前記改質装置で生成した改質ガスが供給される燃料電池を備え、前記制御装置は前記燃料電池の停止時に前記改質装置で生成される改質ガスを前記水蒸気発生手段の燃料として供給する制御を行うことができる(請求項4)。   Further, in any of the above reforming systems, the reformer includes a steam generating means for supplying steam to the reformer, and a fuel cell to which the reformed gas generated by the reformer is supplied, and the control device includes the fuel cell. Control can be performed to supply the reformed gas generated in the reformer as the fuel for the water vapor generating means when the engine is stopped.

上記水蒸気発生手段を備えた改質システムにおいて、その水蒸気発生手段で発生する余剰水蒸気を消費する負荷設備を設けることができる(請求項5)。   In the reforming system provided with the steam generating means, a load facility for consuming excess steam generated by the steam generating means can be provided.

請求項1に記載した本発明の改質システムは、改質装置を構成する容器を取り囲むように加熱部を配置し、改質装置が運転を停止した際に、制御装置により前記容器内に残存する水蒸気の結露を防止するように前記加熱部を制御するように構成されている。本システムによれば、改質装置を停止した際に水蒸気パージに使用した水蒸気が容器内に残存していても、容器内での水蒸気結露を確実に防止できるので、従来のように水蒸気パージ後に大量の原料ガスパージを行う必要性がなくなる。   In the reforming system of the present invention described in claim 1, the heating unit is disposed so as to surround the container constituting the reforming apparatus, and when the reforming apparatus stops operation, the control apparatus remains in the container. The heating unit is controlled to prevent condensation of water vapor. According to this system, even if the steam used for the steam purge remains in the container when the reformer is stopped, the steam condensation in the container can be reliably prevented. There is no need to perform a large amount of source gas purge.

また仮に水蒸気パージ後に原料ガスパージを実施する必要が生じたとしても、容器内に多少の水蒸気の残存を許容する程度の少量の原料ガスパージ量で十分であり、従来のように装置内の容量の3〜5倍の原料ガスを流して完全に水蒸気を容器内から除去する必要性はない。そのため従来の改質システムにおける停止操作ごとに必要であった大量の原料ガス消費を回避もしくは大幅に低減できると共に、改質システムの停止操作に要する時間を短縮できる。なお、パージに用いた原料ガスの余剰分は容器から排出するが、その余剰原料ガスは前記水蒸気発生手段の燃料用としてリサイクルできる。   Even if it is necessary to carry out the raw material gas purge after the water vapor purge, a small amount of the raw material gas purge sufficient to allow some water vapor to remain in the container is sufficient. There is no need to completely remove water vapor from the container by flowing ~ 5 times the raw material gas. For this reason, it is possible to avoid or significantly reduce the consumption of a large amount of raw material gas required for each stop operation in the conventional reforming system, and to shorten the time required for the stop operation of the reforming system. The surplus of the source gas used for purging is discharged from the container, but the surplus source gas can be recycled as fuel for the water vapor generating means.

さらに改質装置が停止した際の容器内の温度はかなり高いので、改質装置が停止している期間中は容器を周囲から保温するだけの熱エネルギーで十分であるため、加熱部で消費するエネルギー量はきわめて小さい。また改質システムを再起動する際には、改質装置の容器内が高い温度に維持されているので、起動時間が短くなる。   Furthermore, since the temperature inside the container when the reformer is stopped is considerably high, the heat energy required to keep the container warm from the surroundings is sufficient during the period when the reformer is stopped. The amount of energy is very small. Further, when the reforming system is restarted, the start-up time is shortened because the inside of the container of the reformer is maintained at a high temperature.

上記改質システムにおいて、請求項2に記載のように、前記加熱部を電熱ヒータによる加熱方式とし、その電熱ヒータの外側を断熱層で覆うようにした場合は、制御装置による正確な温度制御を行うことができると共に、断熱層により外部への放熱を低減できる。   In the above reforming system, as described in claim 2, when the heating unit is a heating system using an electric heater and the outside of the electric heater is covered with a heat insulating layer, accurate temperature control by a control device is performed. While being able to carry out, the heat dissipation to the outside can be reduced by the heat insulating layer.

上記いずれかの改質システムにおいて、請求項3に記載のように、前記改質装置を自己酸化内部加熱型とし、前記容器内に予備改質室と本改質室を備え、予備改質室に改質触媒層を配置し、本改質室に改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層とシフト触媒層を配置した場合は、容器内に配置したそれら触媒層の全てが水蒸気の結露を防止できる温度に維持されるので、これらの触媒劣化を確実に防止できる。また従来の改質システムでは再起動時にシフト触媒層の温度を所定レベルまで上昇させるための長い時間を必要としていたが、上記構成によれば前記時間を著しく短縮できる。
さらに上記いずれかの改質システムにおいて、請求項4に記載のように、前記改質装置に水蒸気を供給する水蒸気発生手段と、前記改質装置で生成した改質ガスが供給される燃料電池を備え、前記制御装置が前記燃料電池の停止時に前記改質装置で生成される改質ガスを前記水蒸気発生手段の燃料として供給する制御を行うように構成した場合は、燃料電池の停止に際して改質装置から改質ガス流出する余剰の改質ガスを廃棄することなく水蒸気発生に利用できる。
In any one of the above reforming systems, as described in claim 3, the reforming apparatus is a self-oxidation internal heating type, and a pre-reforming chamber and a main reforming chamber are provided in the container, and the pre-reforming chamber is provided. If a reforming catalyst layer is placed in the reforming chamber, and a mixed catalyst layer and a shift catalyst layer in which the reforming catalyst and oxidation catalyst are mixed are placed in the main reforming chamber, all of the catalyst layers placed in the container are condensed with water vapor. Therefore, the catalyst can be reliably prevented from being deteriorated. Further, in the conventional reforming system, a long time is required for raising the temperature of the shift catalyst layer to a predetermined level at the time of restarting. However, according to the above configuration, the time can be remarkably shortened.
Furthermore, in any one of the above reforming systems, as described in claim 4, a steam generating means for supplying steam to the reformer, and a fuel cell to which the reformed gas generated by the reformer is supplied. And when the control device is configured to perform control to supply the reformed gas generated by the reformer as fuel for the water vapor generating means when the fuel cell is stopped, the reforming is performed when the fuel cell is stopped. Excess reformed gas flowing out of the reformed gas from the apparatus can be used for steam generation without being discarded.

上記改質システムにおいて、請求項5に記載のように、水蒸気発生手段で発生する余剰水蒸気を消費する負荷設備を設ける場合は、余剰水蒸気を有効活用できる。   In the above reforming system, as described in claim 5, when providing a load facility that consumes surplus steam generated by the steam generating means, surplus steam can be effectively utilized.

次に本発明を実施するための最良の形態を説明する。図1は本発明の改質システムのプロセスフロー図である。なお本実施形態では改質システムを構成する改質装置として自己酸化内部加熱型の改質装置を用いている。   Next, the best mode for carrying out the present invention will be described. FIG. 1 is a process flow diagram of the reforming system of the present invention. In the present embodiment, a self-oxidation internal heating type reformer is used as the reformer constituting the reforming system.

図1において、水蒸気発生手段2は燃焼部2aと吸引混合手段6を備えており、燃焼部2aには吸引混合手段6から供給される空気−燃料混合物を燃焼するバーナー(図示せず)が設けられる。吸引混合手段6はたとえばエジェクタにより構成されるが、その詳細は後述する。   In FIG. 1, the water vapor generating means 2 includes a combustion section 2a and a suction mixing means 6. The combustion section 2a is provided with a burner (not shown) for burning the air-fuel mixture supplied from the suction mixing means 6. It is done. The suction mixing means 6 is composed of, for example, an ejector, details of which will be described later.

水蒸気発生手段2には水タンク10から水または純水を供給する配管108と、混合手段4へ水蒸気を供給する配管109aが接続される。なお混合手段4は例えば配管109aより若干口径の大きい合流管により構成することができる。また混合手段4は吸引混合手段6と同様なエジェクタにより構成することもできる。配管108には流量調整弁32が設けられ、配管109aには流量調整弁39が設けられる。これら流量調整弁は例えば空気圧式、油圧式または電動式などで駆動される遠隔操作可能なものであって、制御装置14により制御される。(以下に流量調整弁と記載されているときは、特に明記しないが、同様に遠隔操作可能とされ、制御装置14により制御される。)しかし流量調整弁32、39は電磁弁等の遠隔操作可能な開閉弁(以下に開閉弁と記載されているときは、特に明記しないが、同様に遠隔操作可能とされ、制御装置14により制御される。)であってもよい。さらに流量調整弁32または流量調整弁33を設ける代わりに、配管108または109aにポンプを設け、そのポンプの回転数操作や起動―停止操作を制御装置14で行うようにしてもよい。   A pipe 108 for supplying water or pure water from the water tank 10 and a pipe 109 a for supplying water vapor to the mixing means 4 are connected to the water vapor generating means 2. Note that the mixing means 4 can be constituted by, for example, a confluence pipe having a slightly larger diameter than the pipe 109a. The mixing means 4 can also be constituted by an ejector similar to the suction mixing means 6. The pipe 108 is provided with a flow rate adjusting valve 32, and the pipe 109a is provided with a flow rate adjusting valve 39. These flow rate adjusting valves can be remotely operated, for example, driven pneumatically, hydraulically, or electrically, and are controlled by the control device 14. (When it is described as a flow control valve below, it is not specified, but it can be remotely operated in the same manner and controlled by the control device 14.) However, the flow control valves 32 and 39 are remote controls such as electromagnetic valves. It may be a possible on-off valve (when it is described as an on-off valve below, it is not particularly specified, but can be remotely operated in the same manner and controlled by the control device 14). Further, instead of providing the flow rate adjustment valve 32 or the flow rate adjustment valve 33, a pump may be provided in the pipe 108 or 109a, and the rotation speed operation or start-stop operation of the pump may be performed by the control device 14.

さらに水蒸気発生手段2には水貯留部(水ドラム)の水位を検出する水位検出手段40と、水貯留部で発生する水蒸気の圧力を検出する圧力検出手段41が設けられ、各検出値に比例する電気信号(検出信号)が制御装置14に入力される。   Further, the water vapor generating means 2 is provided with a water level detecting means 40 for detecting the water level of the water reservoir (water drum) and a pressure detector 41 for detecting the pressure of the water vapor generated in the water reservoir, and is proportional to each detected value. An electrical signal (detection signal) to be input is input to the control device 14.

制御装置14は水位検出手段40や圧力検出手段41の検出値、または他の操作盤等からの操作指令を受けて各流量調整弁などを制御し、さらに本発明の特徴部分である改質システムの停止制御を行う。この制御装置14は例えばコンピュータ装置により構成される。コンピュータ装置は種々の制御動作を行うCPU(中央演算装置)、オペレーションシステム(OS)や制御プログラムを格納したROMやRAM等の記憶部、キーボードやマウス、もしくは操作盤などの入力部などにより構成され、さらに必要に応じてディスプレーやプリンタ等の出力部が附加される。なお制御装置14を本システムから離れた場所に設置し、通信回線を利用して前記制御を行うこともできる。   The control device 14 receives the detection values of the water level detection means 40 and the pressure detection means 41 or an operation command from another operation panel or the like to control each flow rate adjusting valve and the like, and further the reforming system which is a characteristic part of the present invention. Perform stop control. The control device 14 is constituted by a computer device, for example. The computer device includes a CPU (Central Processing Unit) that performs various control operations, an operating system (OS), a storage unit such as a ROM or RAM that stores a control program, a keyboard, a mouse, or an input unit such as an operation panel. Further, an output unit such as a display or a printer is added if necessary. The control device 14 may be installed at a location away from the system, and the control may be performed using a communication line.

燃焼部2aには燃焼排ガスを排出する配管113が接続され、その配管113は熱交換手段13を経て配管114に連通し、その配管114の先端部は系外に開口する。熱交換手段13には燃料電池のアノード排ガスや改質ガス等のガス燃料、または液体燃料を供給する配管101aが接続され、配管101aは熱交換手段13を経て配管101bに連通し、その配管101bの先端部は吸引混合手段6に接続される。   A pipe 113 for discharging combustion exhaust gas is connected to the combustion section 2a. The pipe 113 communicates with the pipe 114 through the heat exchanging means 13, and the tip end of the pipe 114 opens to the outside of the system. The heat exchange means 13 is connected to a pipe 101a for supplying gas fuel such as anode exhaust gas and reformed gas of the fuel cell, or liquid fuel. The pipe 101a communicates with the pipe 101b via the heat exchange means 13, and the pipe 101b. Is connected to the suction mixing means 6.

燃焼部2aには更に配管112が接続される。配管112は流量調整弁34を介して空気圧縮機を備えた加圧空気供給系7から延長する配管102に連通する。配管112により供給される空気は、燃焼部2aの二次空気として、あるいは燃焼部2aの運転開始時などにおけるパージ用空気として利用される。すなわち運転開始信号(起動信号)により、制御装置14から流量調整弁34を開ける制御信号が設定された時間だけ出力され、それによって燃焼部2aの内部が空気パージされる。   A pipe 112 is further connected to the combustion unit 2a. The pipe 112 communicates with the pipe 102 extending from the pressurized air supply system 7 provided with an air compressor through the flow rate adjusting valve 34. The air supplied by the pipe 112 is used as secondary air for the combustion section 2a or as purge air when the operation of the combustion section 2a is started. That is, in response to the operation start signal (start signal), a control signal for opening the flow rate adjustment valve 34 is output from the control device 14 for a set time, whereby the inside of the combustion section 2a is purged with air.

貯留タンクを有する原料供給系8から延長する原料ガス供給用の配管111は脱硫装置9の入口側に接続され、脱硫装置9の出口側には脱硫された原料ガスが流出する配管103が接続される。配管103には遠隔操作可能な流量調整弁31が設けられ、流量調整弁31の下流側は前記熱交換手段13を経て配管109に連通し、配管109の先端部は混合手段4に接続される。   A raw material gas supply pipe 111 extending from the raw material supply system 8 having a storage tank is connected to the inlet side of the desulfurization apparatus 9, and a pipe 103 through which the desulfurized raw material gas flows out is connected to the outlet side of the desulfurization apparatus 9. The The pipe 103 is provided with a flow control valve 31 that can be remotely operated. The downstream side of the flow control valve 31 communicates with the pipe 109 through the heat exchanging means 13, and the tip of the pipe 109 is connected to the mixing means 4. .

さらに前記吸引混合手段6には燃焼用の空気を供給する配管102bが接続され、その配管102bは後述する熱交換手段12を経て配管102aに連通する。配管102aには流量調整弁37が設けられ、配管102aの先端部は加圧空気供給系7に連通する。また燃料供給用の配管101aには原料ガス供給用の配管111から分岐した配管111aが接続され、その配管111aには遠隔操作可能な流量調整弁33aが設けられる。   Further, a pipe 102b for supplying combustion air is connected to the suction mixing means 6, and the pipe 102b communicates with the pipe 102a through a heat exchange means 12 described later. The pipe 102 a is provided with a flow rate adjustment valve 37, and the tip of the pipe 102 a communicates with the pressurized air supply system 7. Further, a pipe 111a branched from the raw material gas supply pipe 111 is connected to the fuel supply pipe 101a, and a flow control valve 33a capable of being remotely operated is provided in the pipe 111a.

改質装置1には混合手段4から流出する原料−水蒸気混合物を供給する配管104と、加圧空気などの加圧された酸素含有気体を供給する配管102dが接続される。配管102dは熱交換手段12を経て流量調整弁36を設けた配管102cに連通し、配管102cの先端部は前記加圧空気供給系7に接続される。そして改質装置1の上部に温度検出手段42および圧力検出手段43が設けられ、それらの測定信号は制御装置14に入力される。そして改質装置1の周囲を覆うようにして加熱部91が配置される。   Connected to the reformer 1 are a pipe 104 for supplying a raw material-steam mixture flowing out from the mixing means 4 and a pipe 102d for supplying a pressurized oxygen-containing gas such as pressurized air. The pipe 102d communicates with the pipe 102c provided with the flow rate adjusting valve 36 via the heat exchange means 12, and the tip end of the pipe 102c is connected to the pressurized air supply system 7. A temperature detecting means 42 and a pressure detecting means 43 are provided in the upper part of the reformer 1, and their measurement signals are input to the control device 14. And the heating part 91 is arrange | positioned so that the circumference | surroundings of the reformer 1 may be covered.

さらに改質装置1にはプレヒータ80が連結される。プレヒータ80はシステム起動時に改質装置1を迅速に改質反応温度に昇温し、または混合触媒層を構成する改質触媒を還元するために設けられる。このプレヒータ80は内部に電熱ヒータが配置されると共に、白金(Pt)やパラジウム(Pd)等の酸化触媒が充填されている。プレヒータ80には混合手段4からの原料−水蒸気混合物を供給する配管81と、加圧空気供給系7からの酸素含有ガスを供給する配管82が接続され、それらは配管81,82にはそれぞれ流量調整弁83、84が設けられる。なお流量調整弁83は開閉弁であってもよい。   Further, a preheater 80 is connected to the reformer 1. The preheater 80 is provided to quickly raise the reforming apparatus 1 to the reforming reaction temperature when the system is started up or to reduce the reforming catalyst constituting the mixed catalyst layer. The preheater 80 has an electric heater disposed therein and is filled with an oxidation catalyst such as platinum (Pt) or palladium (Pd). A pipe 81 for supplying the raw material-water vapor mixture from the mixing means 4 and a pipe 82 for supplying an oxygen-containing gas from the pressurized air supply system 7 are connected to the preheater 80, and the pipes 81 and 82 have flow rates respectively. Regulating valves 83 and 84 are provided. The flow rate adjustment valve 83 may be an on-off valve.

プレヒータ80内では供給される原料ガスの一部が燃焼により酸化触媒の存在下に酸素と反応して部分酸化し、水素を生成すると共にその酸化熱で残りの原料−水蒸気混合物が加熱される。そして高温の原料ガス、酸素含有ガスおよび生成した水素ガスの混合物が配管85から改質装置1に供給される。   In the preheater 80, a part of the supplied raw material gas reacts with oxygen in the presence of an oxidation catalyst by combustion and is partially oxidized to generate hydrogen, and the remaining raw material-steam mixture is heated by the oxidation heat. Then, a mixture of the high-temperature raw material gas, the oxygen-containing gas and the generated hydrogen gas is supplied from the pipe 85 to the reformer 1.

改質装置1の排出部69に改質ガス排出用の配管105が接続され、配管105は熱交換手段12を経て配管106に接続され、配管106の先端部は酸化用の空気を混合する混合手段5に接続される。混合手段5の出口側はCO低減手段3に連結され、その出口側の配管107は燃料電池300への配管301と吸引混合手段6への配管302に分岐され、配管301,302にそれぞれ流量調整弁もしくは開閉弁で構成した流路切換弁303,304が設けられる。   A reformed gas discharge pipe 105 is connected to the discharge section 69 of the reformer 1, the pipe 105 is connected to the pipe 106 through the heat exchange means 12, and the tip of the pipe 106 is mixed to mix oxidizing air. Connected to means 5. The outlet side of the mixing means 5 is connected to the CO reduction means 3, and the outlet pipe 107 is branched into a pipe 301 to the fuel cell 300 and a pipe 302 to the suction mixing means 6, and the flow rate is adjusted to the pipes 301 and 302, respectively. Flow path switching valves 303 and 304 configured with valves or on-off valves are provided.

CO低減手段3の酸化触媒としては、例えばPt,Pd等の貴金属触媒をセラミック粒子に担持したペレットタイプのものや、金属ハニカム構造体或いはセラミックハニカム構造体にPt,Pd等の貴金属触媒を担持したものを使用できる。CO低減手段3用の混合手段5には流量調整弁38を設けた加圧空気供給用の配管110が接続され、配管110の先端部は前記加圧空気供給系7に接続される。なお後述するように、改質手段1には予備改質室61aとそれに連通する主改質室62a(図3参照)が設けられ、主改質室62aに設けられる混合触媒層72aの温度が前記温度検出手段42で検出される。   The oxidation catalyst of the CO reduction means 3 is, for example, a pellet type in which a noble metal catalyst such as Pt or Pd is supported on ceramic particles, or a metal honeycomb structure or a ceramic honeycomb structure on which a noble metal catalyst such as Pt or Pd is supported. Can be used. The mixing means 5 for the CO reduction means 3 is connected to a pressurized air supply pipe 110 provided with a flow rate adjusting valve 38, and the tip of the pipe 110 is connected to the pressurized air supply system 7. As will be described later, the reforming means 1 is provided with a preliminary reforming chamber 61a and a main reforming chamber 62a (see FIG. 3) communicating therewith, and the temperature of the mixed catalyst layer 72a provided in the main reforming chamber 62a is It is detected by the temperature detecting means 42.

図2に燃焼部2aに燃料−空気混合物を供給する吸引混合手段6の構造例を示す。本実施形態では吸引混合手段6がエジェクタ20で構成される。エジェクタ20は固定部21と、固定部21から延長する内部ノズル構造体22および外部ノズル構造体23を備え、外部ノズル構造体23に開口部24,25および絞り部26が設けられる。   FIG. 2 shows an example of the structure of the suction mixing means 6 that supplies the fuel-air mixture to the combustion section 2a. In the present embodiment, the suction mixing means 6 is composed of an ejector 20. The ejector 20 includes a fixed portion 21, an internal nozzle structure 22 and an external nozzle structure 23 extending from the fixed portion 21, and openings 24 and 25 and a throttle portion 26 are provided in the external nozzle structure 23.

次にエジェクタ20の作用を説明すると、内部ノズル構造体22に主流体である空気流を矢印のように供給したとき、空気流のベンチュリー効果により絞り部26部分が減圧状態になる。そして開口部24から副流体である燃料ガスを矢印のように供給すると、燃料ガスが吸引され空気流と均一に混合して開口部25から噴出する。従って燃料ガスは特別な動力手段を用いなくても空気と均一に混合され、均質な燃料−空気混合物が得られる。   Next, the operation of the ejector 20 will be described. When the air flow as the main fluid is supplied to the internal nozzle structure 22 as shown by the arrow, the throttle portion 26 is decompressed by the venturi effect of the air flow. When the fuel gas, which is a sub-fluid, is supplied from the opening 24 as shown by the arrow, the fuel gas is sucked and uniformly mixed with the air flow and ejected from the opening 25. Accordingly, the fuel gas is uniformly mixed with air without using special power means, and a homogeneous fuel-air mixture is obtained.

図3は前記改質装置1の具体的構成を示す図である。改質装置1は横断面が略矩形で上下を閉鎖した縦長の外筒61と、横断面が略矩形で縦長の二重になった2つの内筒62を備えており、外筒61により改質装置1の容器90が構成される。そして容器90の外面と底面を覆うようにして加熱部91が配置される。この加熱部91は電熱ヒータを用いる電熱加熱方式が望ましいが、加熱流体を流通したパイプを用いる流体加熱方式であってもよい。なお、いずれの場合も加熱部はその外側をグラスウール等の断熱層91aで覆った構造とすることが望ましい。   FIG. 3 is a diagram showing a specific configuration of the reformer 1. The reformer 1 includes a vertically long outer cylinder 61 whose cross section is substantially rectangular and whose top and bottom are closed, and two inner cylinders 62 whose cross section is substantially rectangular and whose vertically long shape is double. A container 90 of the quality device 1 is constructed. And the heating part 91 is arrange | positioned so that the outer surface and bottom face of the container 90 may be covered. The heating unit 91 is preferably an electric heating method using an electric heater, but may be a fluid heating method using a pipe through which a heating fluid is circulated. In any case, it is desirable that the heating unit has a structure in which the outside is covered with a heat insulating layer 91a such as glass wool.

前記2つの内筒62は外筒61の内側に配置される。外筒61と内筒62の外側との空間と、内側の内筒62の内部空間が互いに連通して予備改質室61aを形成し、2つの内筒62間に主改質室62aが形成される。内筒62の側壁は耐食性を有し且つ伝熱性の良いステンレス等の金属で作られており、そのため予備改質室61aと主改質室62aは良好な伝熱性を有する隔壁62bで仕切られた状態になっている。   The two inner cylinders 62 are disposed inside the outer cylinder 61. A space between the outer cylinder 61 and the outer side of the inner cylinder 62 and an inner space of the inner cylinder 62 communicate with each other to form a preliminary reforming chamber 61 a, and a main reforming chamber 62 a is formed between the two inner cylinders 62. Is done. The side wall of the inner cylinder 62 is made of a metal such as stainless steel having corrosion resistance and good heat conductivity. Therefore, the preliminary reforming chamber 61a and the main reforming chamber 62a are partitioned by a partition wall 62b having good heat conductivity. It is in a state.

予備改質室61aの一方の端部(図3の下側)に原料−水蒸気混合物を供給する供給部68が設けられ、他方の端部(図3の上側)に排出部68aが設けられる。また予備改質室61aの内部には排出部68a側から順に多数の微小な貫通部を有する支持板73a,73c,73eが設けられ、支持板73aと73cの間に水蒸気改質を行う改質触媒層71aが充填され、支持板73cと73eの間に伝熱粒子層71bが充填されている。   A supply unit 68 for supplying the raw material-steam mixture is provided at one end (lower side in FIG. 3) of the pre-reforming chamber 61a, and a discharge unit 68a is provided at the other end (upper side in FIG. 3). Further, support plates 73a, 73c, 73e having a large number of minute through portions are provided in the preliminary reforming chamber 61a in this order from the discharge portion 68a side, and reforming that performs steam reforming between the support plates 73a and 73c. The catalyst layer 71a is filled, and the heat transfer particle layer 71b is filled between the support plates 73c and 73e.

主改質室62aの一方の端部(図3の上側)に予備改質室61aの排出部68aと連通する供給部69aが設けられると共に、その供給部69aに空気などの酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入部63のマニホールド64,65が連通する。また主改質室62aの他方の端部(図3の下側)にマニホールド66を有する排出部69が設けられる。   A supply portion 69a communicating with the discharge portion 68a of the preliminary reforming chamber 61a is provided at one end (upper side in FIG. 3) of the main reforming chamber 62a, and an oxygen-containing gas such as air is introduced into the supply portion 69a. The manifolds 64 and 65 of the oxygen-containing gas introduction part 63 to be communicated with each other. A discharge portion 69 having a manifold 66 is provided at the other end (lower side in FIG. 3) of the main reforming chamber 62a.

さらに主改質室62aの内部には供給部69a側から順に多数の微小な貫通部を有する支持板73a,73b,73c,73d,73eが設けられる。なお図示の例では、予備改質室61aに設ける支持板73cは主改質室62aに設ける支持板73cと同じ高さになっているが、両者を互いに異なる高さで設けることもできる。   Furthermore, support plates 73a, 73b, 73c, 73d, 73e having a large number of minute through portions are provided in the main reforming chamber 62a in order from the supply portion 69a side. In the illustrated example, the support plate 73c provided in the preliminary reforming chamber 61a has the same height as the support plate 73c provided in the main reforming chamber 62a, but it is also possible to provide both at different heights.

主改質室62aの支持板73aと73bの間に改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層72aが充填され、支持板73bと73cの間に伝熱粒子層72bが充填され、支持板73cと73dの間に高温シフト触媒層72cが充填され、支持板73dと73eの間に低温シフト触媒層72dが充填される。そして高温シフト触媒層72cと低温シフト触媒層72dの両層でシフト触媒層72eが構成される。なお主改質室62aに配置した支持板73aと73bの間に存在する周囲壁は断熱壁70とされ、酸化触媒による酸化反応熱が該部分から直接予備改質室61a側に伝達することを防止している。   The mixed catalyst layer 72a in which the reforming catalyst and the oxidation catalyst are mixed is filled between the support plates 73a and 73b of the main reforming chamber 62a, and the heat transfer particle layer 72b is filled between the support plates 73b and 73c. The high temperature shift catalyst layer 72c is filled between 73c and 73d, and the low temperature shift catalyst layer 72d is filled between the support plates 73d and 73e. The shift catalyst layer 72e is constituted by both the high temperature shift catalyst layer 72c and the low temperature shift catalyst layer 72d. The peripheral wall existing between the support plates 73a and 73b arranged in the main reforming chamber 62a is a heat insulating wall 70, and the oxidation reaction heat by the oxidation catalyst is directly transmitted from the portion to the pre-reforming chamber 61a side. It is preventing.

予備改質室61aに充填する改質触媒層71aは、原料ガスを水蒸気改質する触媒層であり、NiO−SiO・AlなどのNi系改質反応触媒を仕様することができる。またWO−SiO・AlやNiO−WO・SiO・Alなどの改質触媒も使用できる。 The reforming catalyst layer 71a filled in the preliminary reforming chamber 61a is a catalyst layer for steam reforming the raw material gas, and can specify a Ni-based reforming reaction catalyst such as NiO—SiO 2 · Al 2 O 3. . A reforming catalyst such as WO 2 —SiO 2 · Al 2 O 3 or NiO—WO 2 · SiO 2 · Al 2 O 3 can also be used.

混合触媒層72aを構成する主要成分である改質触媒は、前記予備改質室61aに充填する改質触媒と同様なものを使用できる。この改質触媒の使用量は、原料−水蒸気混合物が混合触媒層72aを通過する間に水蒸気改質反応が完了するに十分な値とされるが、その値は使用する原料ガスの種類により変化するので、最適な範囲を実験等により決定することが望ましい。   As the reforming catalyst which is a main component constituting the mixed catalyst layer 72a, the same reforming catalyst as that filled in the preliminary reforming chamber 61a can be used. The amount of the reforming catalyst used is a value sufficient to complete the steam reforming reaction while the raw material-steam mixture passes through the mixed catalyst layer 72a, but the value varies depending on the type of raw material gas used. Therefore, it is desirable to determine the optimum range by experiments or the like.

混合触媒層72aに均一に分散される酸化触媒は原料−水蒸気混合物中の原料ガスを部分酸化して水蒸気改質反応に必要な温度に昇温するものであり、前述のように白金(Pt)やパラジウム(Pd)等の貴金属触媒を使用することができる。改質触媒に対する酸化触媒の混合割合は、水蒸気改質すべき原料ガスの種類に応じて1〜5%程度の範囲で選択する。例えば原料ガスとしてメタンを使用する場合は3%±2%程度、メタノールの場合は2%±1%程度の混合割合とすることが望ましい。   The oxidation catalyst uniformly dispersed in the mixed catalyst layer 72a partially oxidizes the raw material gas in the raw material-steam mixture and raises the temperature to a temperature necessary for the steam reforming reaction. As described above, platinum (Pt) Or a noble metal catalyst such as palladium (Pd) can be used. The mixing ratio of the oxidation catalyst to the reforming catalyst is selected in the range of about 1 to 5% depending on the type of raw material gas to be steam reformed. For example, when methane is used as the raw material gas, it is desirable that the mixing ratio be about 3% ± 2%, and for methanol, the mixing ratio is about 2% ± 1%.

予備改質室61aの伝熱粒子層71bと主改質室62aの伝熱粒子層72bは、隔壁62bを介して主改質室62aの熱エネルギーを効率よく予備改質室61aに伝達するために設けられる。すなわち主改質室62aに充填する伝熱粒子層72bは、混合触媒層72aからの高温流出物の熱エネルギーで予備改質室61aに充填する改質触媒層71a部分を加熱し、予備改質室61aに充填する伝熱粒子層71bは、発熱反応部であるシフト触媒層72eからの熱エネルギーで供給部68から流入する原料−水蒸気混合物を加熱し、それら両方の熱エネルギー伝達により予備改質室61aの改質触媒層71a部分における温度を水蒸気改質反応温度まで昇温する。なおこれら伝熱粒子層71bと伝熱粒子層72bを構成する伝熱粒子は、例えばアルミナ或いは炭化珪素等のセラミック粒子または金属ハニカム体構造で構成できる。   The heat transfer particle layer 71b in the pre-reforming chamber 61a and the heat transfer particle layer 72b in the main reforming chamber 62a efficiently transfer the heat energy of the main reforming chamber 62a to the pre-reforming chamber 61a via the partition wall 62b. Provided. That is, the heat transfer particle layer 72b filled in the main reforming chamber 62a heats the portion of the reforming catalyst layer 71a that fills the pre-reforming chamber 61a with the thermal energy of the high temperature effluent from the mixed catalyst layer 72a, and preliminarily reforms. The heat transfer particle layer 71b filled in the chamber 61a heats the raw material-steam mixture flowing from the supply unit 68 with the thermal energy from the shift catalyst layer 72e, which is an exothermic reaction unit, and preliminarily reforms both by transferring the thermal energy. The temperature in the reforming catalyst layer 71a portion of the chamber 61a is raised to the steam reforming reaction temperature. The heat transfer particles constituting the heat transfer particle layer 71b and the heat transfer particle layer 72b can be formed of ceramic particles such as alumina or silicon carbide or a metal honeycomb structure.

高温シフト触媒層72cと低温シフト触媒層72dの両層により構成されるシフト触媒層72eは、改質ガス中に含まれる一酸化炭素を酸化して水素を生成するものである。すなわち、改質ガスに残存する水蒸気と一酸化炭素の混合物をシフト触媒の存在下に水素と炭酸ガスにシフト変換して水素を発生させ、改質ガス中の水素濃度をより高くし、一酸化炭素濃度をそれに応じて低くする。   The shift catalyst layer 72e constituted by both the high temperature shift catalyst layer 72c and the low temperature shift catalyst layer 72d oxidizes carbon monoxide contained in the reformed gas to generate hydrogen. That is, a mixture of water vapor and carbon monoxide remaining in the reformed gas is shift-converted into hydrogen and carbon dioxide gas in the presence of a shift catalyst to generate hydrogen, and the hydrogen concentration in the reformed gas is further increased, resulting in higher monoxide. Reduce the carbon concentration accordingly.

高温シフト触媒層72cや低温シフト触媒層72dを形成するシフト触媒としては、CuO−ZnO、Fe、Feまたは酸化銅の混合物等を使用することができる。しかし400℃以上で反応を行う場合にはCrを使用することが望ましい。 As a shift catalyst for forming the high temperature shift catalyst layer 72c and the low temperature shift catalyst layer 72d, CuO—ZnO 2 , Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4, a mixture of copper oxides, or the like can be used. However, when the reaction is carried out at 400 ° C. or higher, it is desirable to use Cr 2 O 3 .

前記複数の隔壁62bは、前記供給部68および排出部69側の端部がa部分で互いに連結されて固定端となっており、それと反対側の端部は互いに連結されずに自由端になっている。そのため改質反応によって高温状態となる予備改質室61aと主改質室62a間に熱膨張差が生じたとき、特に主改質室62aの熱膨張が多い場合、その熱膨張による主改質室62aの伸張を前記自由端により吸収して歪みが発生することを防止できる。   In the plurality of partition walls 62b, the end portions on the supply portion 68 and discharge portion 69 side are connected to each other at the portion a to be fixed ends, and the opposite end portions are not connected to each other and become free ends. ing. For this reason, when a difference in thermal expansion occurs between the pre-reforming chamber 61a and the main reforming chamber 62a that are brought to a high temperature state by the reforming reaction, particularly when the main reforming chamber 62a has a large thermal expansion, the main reforming due to the thermal expansion occurs. The expansion of the chamber 62a can be absorbed by the free end and the occurrence of distortion can be prevented.

次に、図1の水蒸気改質システムにおける平常時の運転方法について説明する。
(水蒸気発生操作)
水蒸気発生手段2の水貯留部(水ドラム)の水位は水位検出手段40で検出され、その検出値が予め設定された値より少ないときには、制御装置14から流量調整弁32を開ける制御信号が出力され、水貯留部の水位を常に所定範囲に維持する。制御装置14は水蒸気発生手段2の燃焼部2aのバーナーを起動する制御信号を出力すると共に、流量調整弁37,33(または33a)を制御して燃焼部2aへ所定流量の燃料−空気混合物を供給する。すなわち、制御装置14は圧力検出手段41からの水蒸気圧力検出値が予め設定された値になるように、吸引混合手段6へ加圧空気を流す配管102bの流量調整弁37を制御する。なお、流量調整弁39を開閉弁とし、運転時に制御装置14でそれを全開に制御しておき、制御装置14から燃焼部2aの燃料および空気量を制御して必要な水蒸気発生量を調整するよう構成することもできる。
Next, a normal operation method in the steam reforming system of FIG. 1 will be described.
(Water vapor generation operation)
When the water level of the water reservoir (water drum) of the water vapor generating means 2 is detected by the water level detecting means 40 and the detected value is smaller than a preset value, a control signal for opening the flow rate adjusting valve 32 is output from the control device 14. Thus, the water level of the water reservoir is always maintained within a predetermined range. The control device 14 outputs a control signal for starting the burner of the combustion section 2a of the steam generating means 2, and controls the flow rate adjusting valves 37, 33 (or 33a) to supply a predetermined flow rate of the fuel-air mixture to the combustion section 2a. Supply. That is, the control device 14 controls the flow rate adjusting valve 37 of the pipe 102b for flowing the pressurized air to the suction mixing unit 6 so that the water vapor pressure detection value from the pressure detection unit 41 becomes a preset value. Note that the flow rate adjustment valve 39 is an on-off valve, which is controlled to be fully opened by the control device 14 during operation, and the required amount of water vapor is adjusted by controlling the amount of fuel and air in the combustion section 2a from the control device 14. It can also comprise.

制御された空気流が吸引混合手段6に流入すると、その流量に対して所定割合で燃料が吸引して両者が均一に混合される。そのため燃料供給系統に特別な動力装置等の昇圧手段を設ける必要がない上に、均一混合により燃焼部2a内部では局部的に高温になる領域がなくなり、良好な燃焼進行によってNOxの発生は低く抑えられ、環境にやさしい燃焼排ガスを排出することができる。   When the controlled air flow flows into the suction mixing means 6, the fuel is sucked at a predetermined rate with respect to the flow rate, and both are uniformly mixed. Therefore, it is not necessary to provide a boosting means such as a special power unit in the fuel supply system, and there is no region where the temperature is locally high in the combustion section 2a due to uniform mixing, and the generation of NOx is kept low by good combustion progress. And environmentally friendly combustion exhaust gas can be discharged.

吸引混合手段6を使用する場合には、制御装置14は燃料の最大許容流量が設定できるように流量調整弁33の弁開度を制御すればよいが、流量調整弁33の弁開度を空気流量にほぼ比例するように制御することもできる。また、吸引混合手段6に供給される加圧空気の圧力は常圧より僅かに高い値、例えば0.02MPa程度に設定することにより、吸引混合手段6に燃料ガスを吸引できるレベルの負圧を発生させることができる。   When the suction mixing means 6 is used, the control device 14 may control the valve opening degree of the flow rate adjustment valve 33 so that the maximum allowable flow rate of fuel can be set. It can also be controlled to be approximately proportional to the flow rate. Further, by setting the pressure of the pressurized air supplied to the suction mixing means 6 to a value slightly higher than the normal pressure, for example, about 0.02 MPa, a negative pressure at a level at which the fuel gas can be sucked into the suction mixing means 6. Can be generated.

流量調整弁33を開けることにより、配管101aから燃料電池のアノード排ガス、都市ガス、プロパンガス、天然ガスなどのガス燃料、または灯油などの液体燃料が吸引混合手段6に供給される。また流量調整弁33aを開けることにより配管111aからメタン、エタン、プロパン等の炭化水素、メタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル等のエーテル類または残水素を含む燃料電池のアノード排ガスなどの原料ガスをガス燃料として吸引混合手段6に供給することもできる。   By opening the flow rate adjusting valve 33, gas fuel such as anode exhaust gas of the fuel cell, city gas, propane gas, natural gas, or liquid fuel such as kerosene is supplied to the suction mixing means 6 from the pipe 101 a. Further, by opening the flow control valve 33a, gas fuel is supplied from the pipe 111a such as methane, ethane, propane and other hydrocarbons, methanol and other alcohols, dimethyl ether and other fuels, and anode gas of fuel cells containing residual hydrogen. Can be supplied to the suction mixing means 6 as well.

この流量調整弁33と33aの選択は、例えば制御装置14への燃料選択指令により行うことができる。燃焼部2aからの燃焼排ガスは配管113から熱交換手段13に供給され、そこで冷やされてから配管114により外部に排出される。一方、配管101aまたは111aから供給される燃料は熱交換手段13で加熱されてから吸引混合手段6に供給される。   The selection of the flow rate adjusting valves 33 and 33a can be performed by a fuel selection command to the control device 14, for example. The combustion exhaust gas from the combustion section 2a is supplied from the pipe 113 to the heat exchange means 13, cooled there, and then discharged to the outside through the pipe 114. On the other hand, the fuel supplied from the pipe 101 a or 111 a is heated by the heat exchange means 13 and then supplied to the suction mixing means 6.

(原料−水蒸気混合操作)
水蒸気発生手段2で発生した水蒸気は、流量調整弁39で流量調整されて混合手段4に供給されるが、その流量調整は制御装置14からの制御信号で行われる。すなわち制御装置14に設けた入力手段から改質手段1への原料供給流量の設定値を入力すると、制御装置14は流量調整弁39に所定の弁開度を維持する制御信号を出力する。好適な原料ガスと水蒸気の混合割合は、原料ガスに含まれている炭素Cを基準に表示すると、例えば炭化水素の場合はH2O/C=2.5〜3.5の範囲が好ましく、脂肪族アルコールの場合はH2O/C=2〜3の範囲が好ましい。なお、必要な水蒸気が発生するように流量調整弁39は制御装置14により
(Raw material-steam mixing operation)
The water vapor generated by the water vapor generating means 2 is adjusted in flow rate by the flow rate adjusting valve 39 and supplied to the mixing means 4, and the flow rate adjustment is performed by a control signal from the control device 14. That is, when the set value of the raw material supply flow rate to the reforming unit 1 is input from the input means provided in the control device 14, the control device 14 outputs a control signal for maintaining a predetermined valve opening degree to the flow rate adjustment valve 39. A suitable mixing ratio of the raw material gas and water vapor is based on the carbon C contained in the raw material gas, for example, in the case of hydrocarbon, a range of H 2 O / C = 2.5 to 3.5 is preferable, In the case of an aliphatic alcohol, a range of H 2 O / C = 2 to 3 is preferable. The flow control valve 39 is controlled by the control device 14 so that the necessary water vapor is generated.

混合手段4には前記のように水蒸気流量に対して所定割合のメタン、エタン、プロパン等の炭化水素、メタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル等のエーテル類または残留水素を含む燃料電池のアノード排ガス、さらには都市ガス、プロパンガス、天然ガスなどの原料ガスを配管109から混合する。そして混合手段4から均一な原料−水蒸気混合物が流出して改質手段1に供給される。   As described above, the mixing means 4 includes a fuel cell anode exhaust gas containing hydrocarbons such as methane, ethane, and propane, alcohols such as methanol, ethers such as dimethyl ether, or residual hydrogen, in a predetermined ratio with respect to the water vapor flow rate. Is mixed with a source gas such as city gas, propane gas or natural gas from the pipe 109. A uniform raw material-steam mixture flows out of the mixing means 4 and is supplied to the reforming means 1.

なお原料供給系8から供給される原料ガスは、配管111、脱硫装置9、流量調整弁31および熱交換手段13を経て配管109に流入する。そして原料ガスは制御装置14からの制御信号により所定開度に維持された流量調整弁31でその最大許容流量を制限され、熱交換手段13で所定温度に加熱されてから混合手段4に供給される。   The raw material gas supplied from the raw material supply system 8 flows into the pipe 109 through the pipe 111, the desulfurization device 9, the flow rate adjusting valve 31 and the heat exchange means 13. The source gas is supplied to the mixing unit 4 after its maximum allowable flow rate is limited by a flow rate adjusting valve 31 maintained at a predetermined opening by a control signal from the control device 14 and heated to a predetermined temperature by the heat exchange unit 13. The

(改質反応操作)
前記のように、混合手段4から配管104に流出した原料−水蒸気混合物は改質手段1の供給部68(図3)を経て予備改質室61a内に流入する。平常運転時においては、主改質室62aから隔壁62bを通して伝熱する熱エネルギーによって、予備改質室61aに充填された伝熱粒子層71bが昇温されているので、予備改質室61aに流入した原料−水蒸気混合物はその伝熱粒子層71bを通過する間に改質反応温度まで昇温する。
(Reforming reaction operation)
As described above, the raw material-steam mixture flowing out from the mixing unit 4 to the pipe 104 flows into the preliminary reforming chamber 61a through the supply unit 68 (FIG. 3) of the reforming unit 1. During normal operation, the temperature of the heat transfer particle layer 71b charged in the preliminary reforming chamber 61a is raised by the heat energy transferred from the main reforming chamber 62a through the partition wall 62b. The inflowing raw material-water vapor mixture is heated to the reforming reaction temperature while passing through the heat transfer particle layer 71b.

改質反応温度に達した原料−水蒸気混合物は、次いで改質触媒層71aを通過し、その間に原料−水蒸気混合物の一部が水蒸気改質反応して水素リッチな改質ガスに変換される。特にプロパン等の高炭素の炭化水素は高い収率でメタンに転化される。そして水素を含む改質ガスと反応しなかった残りの原料−水蒸気混合物が排出部68aから一体となって排出する。   The raw material-steam mixture that has reached the reforming reaction temperature then passes through the reforming catalyst layer 71a, during which part of the raw material-steam mixture undergoes a steam reforming reaction and is converted into a hydrogen-rich reformed gas. In particular, high carbon hydrocarbons such as propane are converted to methane in high yield. And the remaining raw material-steam mixture which did not react with the reformed gas containing hydrogen is discharged | emitted integrally from the discharge part 68a.

予備改質室61aの排出部68aから排出した前記改質ガスと原料−水蒸気混合物は、主改質室62aの供給部69aから混合触媒層72aに流入する。その際、供給部69aには酸素含有ガス導入部63から酸素含有ガスとして空気が供給され、その空気は混合触媒層72aに流入する原料−水蒸気混合物等に混入する。   The reformed gas and the raw material-steam mixture discharged from the discharge portion 68a of the preliminary reforming chamber 61a flow into the mixed catalyst layer 72a from the supply portion 69a of the main reforming chamber 62a. At that time, air is supplied as oxygen-containing gas from the oxygen-containing gas introduction portion 63 to the supply portion 69a, and the air is mixed into the raw material-water vapor mixture flowing into the mixed catalyst layer 72a.

酸素含有ガス導入部63から供給される空気流量は制御装置14で制御される流量調整弁36によって調整される。すなわち、制御装置14には水蒸気流量を調整する流量調整弁35の制御情報が記憶されており、水蒸気流量は原料−水蒸気混合物の流量と相関関係にあるので、該制御情報から必要とする空気流量を算出して流量調整弁36に最適な制御信号を出力する。   The flow rate of air supplied from the oxygen-containing gas introduction unit 63 is adjusted by a flow rate adjustment valve 36 controlled by the control device 14. That is, control information of the flow rate adjusting valve 35 for adjusting the water vapor flow rate is stored in the control device 14, and the water vapor flow rate is correlated with the flow rate of the raw material-water vapor mixture. And an optimal control signal is output to the flow rate adjusting valve 36.

上記のように原料−水蒸気混合物は混合触媒層72aに流入するが、その原料−水蒸気混合物を構成する原料ガスの一部は流入した空気中の酸素と反応して酸化(部分酸化)し、その反応熱により原料−水蒸気混合物を改質反応に必要なレベルまで昇温する。すなわち自己酸化加熱が行われる。なお混合触媒層72aにおける平均温度は水蒸気改質反応に適した温度、例えば650℃〜750℃程度、標準的には700℃前後の温度に維持される。   As described above, the raw material-steam mixture flows into the mixed catalyst layer 72a, but a part of the raw material gas constituting the raw material-steam mixture reacts with oxygen in the flowing air and is oxidized (partial oxidation), The raw material-steam mixture is heated to the level necessary for the reforming reaction by the heat of reaction. That is, auto-oxidation heating is performed. The average temperature in the mixed catalyst layer 72a is maintained at a temperature suitable for the steam reforming reaction, for example, about 650 ° C. to 750 ° C., and typically around 700 ° C.

一方、混合触媒層72aにおける温度は、水蒸気改質反応に適した範囲にすることが重要であるが、それと共に、その下流側の伝熱粒子層72bとの境界における温度が所定レベルに維持できるように管理することも重要である。例えば伝熱粒子層72bとの境界における温度が650℃以上、好ましくは700℃以上になるように、酸化用の酸素含有気体を適切な量に制御することによって、混合触媒層72aにおける平均温度を管理すると、前記予備改質室61aにおける伝熱粒子層71bの温度は少なくとも500℃以上に維持することができ、それによって予備改質室61aの水蒸気改質反応を十分に促進できる。   On the other hand, it is important that the temperature in the mixed catalyst layer 72a is in a range suitable for the steam reforming reaction, and at the same time, the temperature at the boundary with the downstream heat transfer particle layer 72b can be maintained at a predetermined level. Management is also important. For example, the average temperature in the mixed catalyst layer 72a is controlled by controlling the oxygen-containing gas for oxidation to an appropriate amount so that the temperature at the boundary with the heat transfer particle layer 72b is 650 ° C. or higher, preferably 700 ° C. or higher. If managed, the temperature of the heat transfer particle layer 71b in the preliminary reforming chamber 61a can be maintained at least 500 ° C. or more, thereby sufficiently promoting the steam reforming reaction in the preliminary reforming chamber 61a.

水素リッチな改質ガスは混合触媒層72aからその下流側の伝熱粒子層72bに流入するが、その温度は650℃以上、好ましくは700℃以上の温度になるように運転することが望ましい。前記のように、流入した改質ガスが伝熱粒子層72bを通過する間に、その顕熱の一部が隔壁62bを通して予備改質室61aの伝熱粒子層71bに移動し、好適に設定された場合には、伝熱粒子層72bから下流側の高温シフト触媒層72cに流入する際の改質ガス温度は、シフト反応に適する500℃以下に下降させることもできる。   The hydrogen-rich reformed gas flows from the mixed catalyst layer 72a into the heat transfer particle layer 72b on the downstream side, and the temperature is desirably 650 ° C. or higher, preferably 700 ° C. or higher. As described above, while the introduced reformed gas passes through the heat transfer particle layer 72b, a part of the sensible heat moves to the heat transfer particle layer 71b of the preliminary reforming chamber 61a through the partition wall 62b and is suitably set. In this case, the reformed gas temperature when flowing from the heat transfer particle layer 72b into the high temperature shift catalyst layer 72c on the downstream side can be lowered to 500 ° C. or less suitable for the shift reaction.

高温シフト触媒層72cに流入した改質ガスはシフト反応により含まれている一酸化炭素の殆どが炭酸ガスに変換される。すなわち前記のように、改質ガスに残存する水蒸気と一酸化炭素がシフト触媒の存在下に水素と炭酸ガスにシフト変換して水素を生成する。   Most of the carbon monoxide contained in the reformed gas that has flowed into the high temperature shift catalyst layer 72c is converted into carbon dioxide by the shift reaction. That is, as described above, water vapor and carbon monoxide remaining in the reformed gas are shift-converted into hydrogen and carbon dioxide gas in the presence of the shift catalyst to generate hydrogen.

次いで改質ガスは高温シフト触媒層72cからその下流側の低温シフト触媒層72dに流入し、そこで残存する一酸化炭素の大部分が水素に変換される。このように2段階のシフト反応を行うことにより、一酸化炭素を十分に低減できると共に、水素をより多く生成させることができる。高温シフト触媒層72cおよび低温シフト触媒層72dにおけるシフト反応は発熱反応であり、その反応熱の一部は前記のように隔壁62bを通して補助改質室61aの伝熱粒子層71bに移動する。   Next, the reformed gas flows from the high temperature shift catalyst layer 72c to the downstream low temperature shift catalyst layer 72d, where most of the remaining carbon monoxide is converted to hydrogen. By performing the two-stage shift reaction in this manner, carbon monoxide can be sufficiently reduced and more hydrogen can be generated. The shift reaction in the high temperature shift catalyst layer 72c and the low temperature shift catalyst layer 72d is an exothermic reaction, and part of the reaction heat moves to the heat transfer particle layer 71b in the auxiliary reforming chamber 61a through the partition wall 62b as described above.

低温シフト触媒層72dを通過した改質ガスは、主改質室62aの排出部69から配管105(図1)に流出するが、通常、改質ガスの温度は180℃程度の高温であるので、熱交換手段12で冷却してから混合手段5に流入させる。混合手段5に流入した改質ガスは配管110から供給される空気と混合し、次いでCO低減手段3に流入する。CO低減手段3において改質ガスに残存する一酸化炭素が極めて微量なレベル(例えば1〜10ppm)まで低減され、配管107,配管303を経て燃料電池300に供給される。   The reformed gas that has passed through the low temperature shift catalyst layer 72d flows out from the discharge part 69 of the main reforming chamber 62a into the pipe 105 (FIG. 1). However, the temperature of the reformed gas is usually as high as about 180 ° C. Then, after cooling by the heat exchanging means 12, it is made to flow into the mixing means 5. The reformed gas that has flowed into the mixing unit 5 is mixed with the air supplied from the pipe 110 and then flows into the CO reduction unit 3. The carbon monoxide remaining in the reformed gas is reduced to a very small level (for example, 1 to 10 ppm) in the CO reduction means 3 and supplied to the fuel cell 300 through the pipe 107 and the pipe 303.

前記配管110から混合手段5に供給される空気の流量は、制御装置14からの制御信号により流量調整弁38の開度を変化して調整される。すなわち制御装置14には水蒸気流量を調整する流量調整弁35の制御情報が記憶されており、水蒸気流量は改質ガス流量と相関関係にあるので、該制御情報から必要とする空気流量を算出して流量調整弁38に適正な制御信号を出力するように構成されている。   The flow rate of the air supplied from the pipe 110 to the mixing means 5 is adjusted by changing the opening degree of the flow rate adjusting valve 38 by a control signal from the control device 14. That is, the control device 14 stores the control information of the flow rate adjusting valve 35 for adjusting the water vapor flow rate, and the water vapor flow rate is correlated with the reformed gas flow rate, so that the required air flow rate is calculated from the control information. Thus, an appropriate control signal is output to the flow rate adjustment valve 38.

図4は図1に示す改質装置1における加熱部91を説明する正面図であり、図5はその底面図である。本実施形態の加熱部91は電気加熱方式であり、改質装置1の側面にはその下端部からおよそ2/3の高さまでニクロム線等の電熱ヒータ92が螺旋状に巻き付けられ、さらに底面には線状の電熱ヒータ92が二次元状に配置される。   4 is a front view illustrating the heating unit 91 in the reformer 1 shown in FIG. 1, and FIG. 5 is a bottom view thereof. The heating unit 91 of the present embodiment is an electric heating method, and an electric heater 92 such as a nichrome wire is spirally wound on the side surface of the reformer 1 from the lower end portion to a height of about 2/3, and further on the bottom surface. The linear electric heater 92 is two-dimensionally arranged.

加熱部91形成するには、先ず固定具93により電熱ヒータ92を所定間隔で改質装置1の容器90(外筒61)の外周面および底面に固定する。固定具93は例えば矩形に加工したステンレス薄板片からなり、それを電熱ヒータ92の上から押さえて、例えばスポット溶接により容器90の外側に固定する。次に電熱ヒータ92を容器90の外周面およびに底面に固定した状態で、容器90の外側全体を断熱層91aを固定することにより加熱部91が完成する。   In order to form the heating unit 91, first, the electric heater 92 is fixed to the outer peripheral surface and the bottom surface of the container 90 (outer cylinder 61) of the reformer 1 at a predetermined interval by the fixture 93. The fixture 93 is made of, for example, a thin stainless steel plate processed into a rectangular shape, and is pressed from above the electric heater 92 and fixed to the outside of the container 90 by spot welding, for example. Next, in a state where the electric heater 92 is fixed to the outer peripheral surface and the bottom surface of the container 90, the heating portion 91 is completed by fixing the heat insulating layer 91a to the entire outside of the container 90.

図4(図5)に示す実施形態では、容器90の外周面の電熱ヒータ92は外筒61の下端部から中間部までの高さ(例えば下端部からシフト触媒層72eの上端付近まで)に設けているが、外周面における電熱ヒータ92は容器90の上端部まで設けることもできる。このように電熱ヒータ92を容器90における外周面の中間部まで設けても容器90の内部保温の効果は十分に発揮できる。すなわち容器90の外側全体が断熱層91aで覆われていること、及び電熱ヒータ92で加熱された容器1内の水蒸気等の流体は対流作用により容器90内を上下方向に循環するので、容器90内の温度は均一状態に維持される。   In the embodiment shown in FIG. 4 (FIG. 5), the electric heater 92 on the outer peripheral surface of the container 90 is at a height from the lower end portion to the middle portion of the outer cylinder 61 (for example, from the lower end portion to the vicinity of the upper end of the shift catalyst layer 72e). Although provided, the electric heater 92 on the outer peripheral surface can be provided up to the upper end of the container 90. Thus, even if the electric heater 92 is provided up to the middle portion of the outer peripheral surface of the container 90, the effect of keeping the container 90 warm can be sufficiently exhibited. That is, the entire outside of the container 90 is covered with the heat insulating layer 91a, and the fluid such as water vapor in the container 1 heated by the electric heater 92 circulates in the container 90 in the vertical direction by the convection action. The temperature inside is kept uniform.

次に図6のフローチャートを参照して本発明の改質システムの停止方法および容器90の保温制御について説明する。なお以下の説明では改質装置1で生成した改質ガスが燃料電池300に供給される場合である。まず燃料電池300の制御手段からの停止信号が制御装置14に伝達されると、制御装置14は流量調整弁36を閉じて改質装置1への酸素含有気体の供給を停止する制御を行う(ステップS1)。しかし改質装置1への原料−水蒸気混合物の供給は中止しないので水蒸気改質反応は継続する。   Next, the method for stopping the reforming system and the heat insulation control of the container 90 according to the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG. In the following description, the reformed gas generated by the reformer 1 is supplied to the fuel cell 300. First, when a stop signal from the control means of the fuel cell 300 is transmitted to the control device 14, the control device 14 performs control to close the flow rate adjustment valve 36 and stop the supply of the oxygen-containing gas to the reforming device 1 ( Step S1). However, since the supply of the raw material-steam mixture to the reformer 1 is not stopped, the steam reforming reaction continues.

改質装置1への酸素含有気体の供給を停止すると混合触媒層72aにおける酸化熱の発生が停止し、水蒸気改質反応が吸熱反応であるため、図3に示す水蒸気改質触媒層71aおよび混合触媒層72bは急速に降温(加速降温)する(ステップS2)。改質装置1には前記のように温度検出手段42が設けられており、制御装置14はその温度検出値が予め設定された値、すなわち改質装置1の内部が水蒸気パージに移行する温度(例えば470℃)程度まで下降したか否かを判断する(ステップS3)。   When the supply of the oxygen-containing gas to the reformer 1 is stopped, the generation of oxidation heat in the mixed catalyst layer 72a is stopped, and the steam reforming reaction is an endothermic reaction. Therefore, the steam reforming catalyst layer 71a shown in FIG. The catalyst layer 72b rapidly decreases in temperature (accelerated temperature decrease) (step S2). The reformer 1 is provided with the temperature detection means 42 as described above, and the controller 14 sets the temperature detection value to a preset value, that is, the temperature at which the interior of the reformer 1 shifts to the steam purge ( For example, it is determined whether or not the temperature has decreased to about 470 ° C. (step S3).

改質装置1の内部が上記温度まで下降したら、制御装置14は流量調整弁31を閉じて改質装置1への原料ガスの供給を停止する(ステップS4)。この操作により改質装置1は水蒸気パージに移行し、容器90の内部に残留する原料ガスや改質ガスは配管105から排出される。なお水蒸気パージへの移行時期を温度検出により決定する代わりに、その温度まで降温する時間を実験により求めておき、その時間(例えば3分程度)を制御装置14に設定して決定することもできる。その場合には、その設定時間に達したときに制御装置14は流量調整弁31を閉じて改質装置1への原料ガスの供給を停止する。   When the inside of the reformer 1 is lowered to the above temperature, the controller 14 closes the flow rate adjustment valve 31 and stops the supply of the raw material gas to the reformer 1 (step S4). By this operation, the reformer 1 shifts to the steam purge, and the raw material gas and the reformed gas remaining in the container 90 are discharged from the pipe 105. Instead of determining the transition timing to the water vapor purge by detecting the temperature, it is also possible to obtain the time for cooling to that temperature by an experiment and set the time (for example, about 3 minutes) in the control device 14 to determine it. . In that case, when the set time is reached, the control device 14 closes the flow rate adjustment valve 31 and stops the supply of the raw material gas to the reforming device 1.

水蒸気パージにより改質装置1の内部温度は次第に低下するが、その温度が炭素を析出しない温度、例えば400℃、望ましくは300℃程度まで降温したか否かを制御装置14で判断し(ステップS5)、その温度に達した時点で制御装置14はステップS6において調整弁39を閉じて改質装置1の水蒸気パージを停止する。この水蒸気パージにより、容器90内の原料ガスは外部に排出されるので、例え容器90内が炭素析出する温度領域であったとしても、前記のように水蒸気パージを停止することができる。なお改質装置1における炭素が析出する部分は、その停止操作中に最も高温が継続する部分であり、一般的には混合触媒層72aの部分である。そのため図1に示す温度検出手段42は該部分の温度を検出することが望ましい。   Although the internal temperature of the reformer 1 gradually decreases due to the steam purge, the controller 14 determines whether or not the temperature has decreased to a temperature at which no carbon is deposited, for example, about 400 ° C., preferably about 300 ° C. (step S5). When the temperature is reached, the controller 14 closes the regulating valve 39 in step S6 and stops the steam purge of the reformer 1. Since the raw material gas in the container 90 is discharged to the outside by this steam purge, the steam purge can be stopped as described above even if the container 90 is in a temperature region where carbon is deposited. The portion where carbon is deposited in the reformer 1 is the portion where the highest temperature continues during the stopping operation, and is generally the portion of the mixed catalyst layer 72a. Therefore, it is desirable that the temperature detecting means 42 shown in FIG. 1 detect the temperature of the portion.

水蒸気パージの停止後、容器1内部の温度はそのままでは自然冷却により下降するので、内部に充満する水蒸気が結露する温度もしくはその近傍(結露温度もしくは安全をみてそれより若干高い温度、例えば120℃付近)を下回らないように、制御装置14は加熱部91の制御(電気加熱方式の場合は電熱ヒータの通電量制御)を行って容器90を外側から保温する(ステップS7)。なお改質装置1において最初に結露が発生する部分は、その停止操作中において最も早く低温になる部分であり、該部分に結露監視用の温度検出手段を設けて制御することが望ましい。水蒸気パージ後に容器90の内圧は温度降下により下がる場合があるが、その場合には容器90内の温度が炭素析出しない温度以下になった時点で圧力保持ように少量の原料ガスを封入することもできる。   After the steam purge is stopped, the temperature inside the container 1 is lowered by natural cooling as it is, so that the temperature of the steam filling the inside is condensed or near (condensation temperature or a temperature slightly higher than that in view of safety, for example, around 120 ° C. ), The control device 14 controls the heating unit 91 (in the case of the electric heating method, controls the amount of current supplied to the electric heater) to keep the container 90 warm from the outside (step S7). In the reformer 1, the portion where condensation occurs first is the portion where the temperature becomes the earliest during the stop operation, and it is desirable to provide temperature control means for monitoring condensation in this portion. The internal pressure of the container 90 may drop due to a temperature drop after the steam purge, but in that case, a small amount of source gas may be sealed so as to maintain the pressure when the temperature in the container 90 becomes lower than the temperature at which carbon does not precipitate. it can.

上記加熱部91の温度制御は改質システムの停止期間中継続する。そして改質システムの再起動信号(ステップS8)が出されると、加熱部91の加熱制御を停止し(ステップS9)、保温工程を終了する。なお再起動信号により改質システムは通常の手順により再起動操作される。   The temperature control of the heating unit 91 is continued during the stop period of the reforming system. And if the restart signal (step S8) of a reforming system is given, heating control of the heating part 91 will be stopped (step S9), and a heat retention process will be complete | finished. The reforming system is restarted by a normal procedure by the restart signal.

一方、前記燃料電池300の運転が停止した際には、制御装置14は図1に示す調整弁303を閉じて調整弁304を開ける制御を行う(ステップS10)。この制御により改質装置1から流出する改質ガスを燃料電池300より切り離し、前記吸引混合手段6に切り替えて水蒸気発生手段2の燃料の少なくとも一部として消費する(ステップS11)。
このように操作すると停止操作中改質装置1から流出する改質ガスや原料ガスを有効利用することができるので、改質システムの燃料使用効率が向上する。なお水蒸気発生手段2への改質ガスの追加供給に伴い、他の燃料供給は発生すべき水蒸気量に応じた量に調整(減量)することが望ましい。
On the other hand, when the operation of the fuel cell 300 is stopped, the control device 14 performs control to close the adjustment valve 303 shown in FIG. 1 and open the adjustment valve 304 (step S10). By this control, the reformed gas flowing out from the reformer 1 is disconnected from the fuel cell 300, switched to the suction mixing means 6 and consumed as at least a part of the fuel of the steam generating means 2 (step S11).
By operating in this way, the reformed gas and the raw material gas flowing out from the reformer 1 during the stop operation can be used effectively, so that the fuel use efficiency of the reforming system is improved. With the additional supply of reformed gas to the steam generating means 2, it is desirable to adjust (reduce) the other fuel supply to an amount corresponding to the amount of steam to be generated.

前記ステップS6で改質装置1の水蒸気パージを停止したき、制御装置14はさらに水蒸気発生手段2の燃焼部2aへの燃料を遮断して水蒸気発生を停止する(ステップS12)。次に制御装置14は水蒸気発生手段の炉内パージを完了した時点で燃焼部2aへの空気供給を停止する(ステップS13)。   When the steam purge of the reformer 1 is stopped in step S6, the controller 14 further shuts off the fuel to the combustion section 2a of the steam generating means 2 and stops steam generation (step S12). Next, the control device 14 stops supplying air to the combustion unit 2a when the in-furnace purge of the water vapor generating means is completed (step S13).

前記のように改質装置1から流出する改質ガスを燃料電池300から蒸気発生手段2の燃料に切り換えると、水蒸気発生手段2から余剰水蒸気が発生する場合がある。そのような場合の余剰水蒸気の有効利用を図るため、例えば水蒸気発生手段2の出口側配管109aに分岐配管と流量調整弁を設け、その分岐配管にコジェネレーションシステム等の余剰水蒸気を消費する負荷設備を接続することが望ましい。   As described above, when the reformed gas flowing out of the reformer 1 is switched from the fuel cell 300 to the fuel of the steam generating means 2, surplus steam may be generated from the steam generating means 2. In order to make effective use of surplus steam in such a case, for example, a branch pipe and a flow control valve are provided in the outlet side pipe 109a of the steam generating means 2, and a load facility that consumes surplus steam such as a cogeneration system in the branch pipe. It is desirable to connect.

本発明の改質システムは、例えば運転と停止操作を交互に繰り返す改質システムに好適に利用できる。   The reforming system of the present invention can be suitably used for, for example, a reforming system in which operation and stop operation are alternately repeated.

本発明の改質システムのプロセスフロー図。The process flow figure of the reforming system of the present invention. 燃料−空気混合物を供給する吸引混合手段6の構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the suction mixing means 6 which supplies a fuel-air mixture. 図1に示した改質装置1の具体的構成を示す図。The figure which shows the specific structure of the reforming apparatus 1 shown in FIG. 改質装置1の容器90に配置する加熱部91を説明する正面図。The front view explaining the heating part 91 arrange | positioned in the container 90 of the reformer 1. FIG. 図4の底面図。The bottom view of FIG. 本発明の改質システムにおける停止手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the stop procedure in the reforming system of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 改質装置
2 水蒸気発生手段
2a 燃焼部
3 CO低減手段
4 混合手段
6 吸引混合手段
7 加圧空気供給系
8 原料供給系
9 脱硫装置
10 水タンク
12,13 熱交換手段
14 制御装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reforming apparatus 2 Water vapor generation means 2a Combustion part 3 CO reduction means 4 Mixing means 6 Suction mixing means 7 Pressurized air supply system 8 Raw material supply system 9 Desulfurization apparatus 10 Water tank 12, 13 Heat exchange means 14 Control apparatus

20 エジェクタ
21 固定部
22 内部ノズル構造体
23 外部ノズル構造体
24,25 開口部
26 絞り部
20 Ejector 21 Fixed part 22 Internal nozzle structure 23 External nozzle structure 24, 25 Opening 26 Restriction part

31〜39 流量調整弁
40 水位検出手段
41 圧力検出手段
42 温度検出手段
31-39 Flow control valve 40 Water level detection means 41 Pressure detection means 42 Temperature detection means

61 外筒
61a 予備改質室
62 内筒
62a 主改質室
62b 隔壁
63 酸素含有ガス導入部
64,65,66 マニホールド
61 Outer cylinder 61a Preliminary reforming chamber 62 Inner cylinder 62a Main reforming chamber 62b Partition wall 63 Oxygen-containing gas introduction section 64, 65, 66 Manifold

68 供給部
68a 排出部
69 排出部
69a 供給部
70 断熱壁
68 Supply part 68a Discharge part 69 Discharge part 69a Supply part 70 Thermal insulation wall

71a 改質触媒層
71b 伝熱粒子層
72a 混合触媒層
72b 伝熱粒子層
72c 高温シフト触媒層
72d 低温シフト触媒層
72e シフト触媒層
73a〜73e 支持板
71a reforming catalyst layer 71b heat transfer particle layer 72a mixed catalyst layer 72b heat transfer particle layer 72c high temperature shift catalyst layer 72d low temperature shift catalyst layer 72e shift catalyst layer 73a to 73e support plate

80 プレヒータ
81,82 配管
83、84 流量調整弁
85 配管
90 容器
80 Preheater 81, 82 Piping 83, 84 Flow control valve 85 Piping 90 Container

91 加熱部
92 電熱ヒータ
93 固定具
101a〜114 配管
300 燃料電池
301,302 配管
303,304 流路切換弁
91 Heating part 92 Electric heater 93 Fixing tool 101a-114 Piping 300 Fuel cell 301, 302 Piping 303, 304 Flow path switching valve

Claims (5)

原料―水蒸気混合物を水蒸気改質反応して水素リッチな改質ガスを生成する改質装置1と、制御装置14とを備えた改質システムにおいて、前記改質装置1は容器90とその内部に配置された触媒層を有し、前記容器90を取り囲むように加熱部91が配置され、改質装置1が運転を停止した際に、前記制御装置14は前記容器90内に残存する水蒸気の結露を防止するように前記加熱部91を制御することを特徴とする改質システム。   In a reforming system comprising a reformer 1 that generates a hydrogen-rich reformed gas by subjecting a raw material-steam mixture to a steam reforming reaction, and a control device 14, the reformer 1 includes a container 90 and an interior thereof. When the heating unit 91 is disposed so as to surround the container 90 and has the disposed catalyst layer, and the reformer 1 stops operation, the controller 14 causes the dew condensation of water vapor remaining in the container 90. The reforming system is characterized in that the heating unit 91 is controlled so as to prevent the above. 請求項1において、前記加熱部91は電熱ヒータ92による加熱方式であり、その電熱ヒータ92の外側は断熱層で覆われていることを特徴とする改質システム。   2. The reforming system according to claim 1, wherein the heating unit 91 is a heating method using an electric heater 92, and an outer side of the electric heater 92 is covered with a heat insulating layer. 請求項1または請求項2において、前記改質装置1は自己酸化内部加熱型であり、前記容器90内に予備改質室61aと本改質室62aを備え、予備改質室61aに改質触媒層71aが配置され、本改質室62aに改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層72aとシフト触媒層72eが配置されていることを特徴とする改質システム。   3. The reforming apparatus 1 according to claim 1 or 2, wherein the reformer 1 is a self-oxidation internal heating type, and includes a preliminary reforming chamber 61a and a main reforming chamber 62a in the container 90, and the reforming chamber 61a is reformed. A reforming system, wherein a catalyst layer 71a is disposed, and a mixed catalyst layer 72a and a shift catalyst layer 72e in which a reforming catalyst and an oxidation catalyst are mixed are disposed in the reforming chamber 62a. 請求項1ないし請求項3のいずれかにおいて、前記改質装置1に水蒸気を供給する水蒸気発生手段2と、前記改質装置1で生成した改質ガスが供給される燃料電池300を備え、前記制御装置14は前記燃料電池300の停止時に前記改質装置1で生成される改質ガスを前記水蒸気発生手段2の燃料として供給する制御を行うことを特徴とする改質システム。   4. The fuel cell 300 according to claim 1, further comprising: a steam generator 2 that supplies steam to the reformer 1; and a fuel cell 300 that is supplied with the reformed gas generated by the reformer 1. The controller 14 controls the supply of the reformed gas generated by the reformer 1 as the fuel for the steam generating means 2 when the fuel cell 300 is stopped. 請求項4において、前記水蒸気発生手段2で発生する余剰水蒸気を消費する負荷設備が設けられることを特徴とする改質システム。   The reforming system according to claim 4, further comprising a load facility that consumes surplus steam generated by the steam generating means 2.
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