JP2007119315A - Fuel reforming apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料改質装置に係り、特に、内熱式の燃料改質装置に関する。 The present invention relates to a fuel reformer, and more particularly to an internal heat type fuel reformer.
燃料改質装置は、燃料電池システムなどが必要とする水素を発生させるものである。この燃料改質装置の一つとして、燃料の一部を酸素で燃焼させた熱を、直接、原料から水素を発生させるための改質反応に必要な熱の一部として供給する内熱式つまり内部加熱方式の燃料改質装置がある。内熱式の燃料改質装置は、燃料予熱器、改質反応器用酸素予熱器、改質反応器、一酸化炭素シフト器(以下、COシフト器と称する)や一酸化炭素選択酸化器(以下、CO選択酸化器と称する)などで構成されている(例えば、特許文献1乃至3参照)。
The fuel reformer generates hydrogen necessary for a fuel cell system or the like. As one of the fuel reformers, an internal heat type that supplies heat obtained by burning a part of fuel with oxygen directly as part of heat necessary for a reforming reaction for generating hydrogen from a raw material. There is an internal heating type fuel reformer. The internal heat type fuel reformer includes a fuel preheater, an oxygen preheater for a reforming reactor, a reforming reactor, a carbon monoxide shifter (hereinafter referred to as a CO shifter), and a carbon monoxide selective oxidizer (hereinafter referred to as a carbon monoxide shifter). (Referred to as
燃料予熱器は、その内部に燃焼触媒や伝熱管などを有しており、燃焼触媒によって燃料電池から排出される排ガスなどを燃焼させ、この燃焼熱で伝熱管内を通流する燃料を予熱する。改質反応器用酸素予熱器も、燃料予熱器と同様に、燃焼触媒や伝熱管などを有し、燃焼触媒によって燃料電池から排出される排ガスなどを燃焼させ、この燃焼熱で伝熱管内を通流する酸素または酸素を含む気体を予熱する。改質反応器は、燃焼触媒、改質触媒、そして、燃焼触媒や改質触媒を通過した改質ガスと、改質ガスの原料となる水または水蒸気との間で熱交換を行うための伝熱管などを有している。さらに、改質反応器の改質ガスの流れに対して後流にCOシフト器、これに続きCO選択酸化器が配置されている。 The fuel preheater has a combustion catalyst, a heat transfer tube, and the like inside, and burns exhaust gas discharged from the fuel cell by the combustion catalyst, and preheats the fuel flowing through the heat transfer tube with this combustion heat. . Similar to the fuel preheater, the oxygen preheater for the reforming reactor also has a combustion catalyst, a heat transfer tube, etc., and the combustion catalyst burns exhaust gas discharged from the fuel cell, and this combustion heat passes through the heat transfer tube. Preheat the flowing oxygen or oxygen-containing gas. The reforming reactor transfers heat to exchange heat between the combustion catalyst, the reforming catalyst, and the reformed gas that has passed through the combustion catalyst or the reforming catalyst, and water or steam that is the raw material of the reformed gas. It has a heat pipe. Further, a CO shifter is arranged downstream from the reformed gas flow of the reforming reactor, and a CO selective oxidizer is arranged subsequently to the CO shifter.
また、従来の燃料改質装置として、特許文献1などのように、燃料予熱器、改質反応器用酸素予熱器、改質反応器を各々別個に形成した構成ではなく、特許文献2、3などのように、熱損失の低減や装置の小型化などのため、燃料予熱器と改質反応器用酸素予熱器とを兼ね、燃料と酸素又は酸素含有ガスを混合した原料混合ガスを予熱する予熱器となる部分、そして、改質反応器となる部分を、一体の容器の中に収容し、予熱器となる部分と改質反応器となる部分との間に電気ヒータを設置することが提案されている。
In addition, as a conventional fuel reformer, a fuel preheater, an oxygen preheater for reforming reactor, and a reforming reactor are not separately formed as in
ところで、特許文献1などのような、燃料予熱器、改質反応器用酸素予熱器、改質反応器を各々別個に形成した構成の燃料改質装置では、燃料予熱器と空気予熱器とがそれぞれに燃焼触媒を有しており、構成が複雑化し、さらに、燃料予熱器、空気予熱器、そして改質反応器間の熱授受、言い換えれば、互いの熱的干渉があるために制御が複雑化してしまう。
By the way, in the fuel reformer having a configuration in which a fuel preheater, an oxygen preheater for reforming reactor, and a reforming reactor are separately formed as in
これに対して、特許文献2、3などのような、予熱器と改質反応器を一体に形成した構成の燃料改質装置では、一体の容器に予熱器となる部分と改質反応器となる部分とを収容することにより、燃焼触媒の設置数を減らせるなど構成の簡素化が可能である。しかし、特許文献2、3などのような燃料改質装置でも、予熱器と改質反応器との間の熱授受による制御の複雑化を防ぐことはできない。このため、制御を簡素化できる燃料改質装置が求められている。
On the other hand, in a fuel reforming apparatus having a configuration in which a preheater and a reforming reactor are integrally formed, as in
本発明の課題は、燃料改質装置の制御を簡素化することにある。 An object of the present invention is to simplify the control of a fuel reformer.
本発明の燃料改質装置は、水素を含む改質ガスを生成する原料となる炭化水素燃料、酸素または酸素を含有する気体、及び、水または水蒸気を混合した原料混合流体を予熱する予熱ユニットと、この予熱ユニットで予熱された原料混合流体を燃焼させる燃焼触媒及びこの燃焼触媒で生成した生成ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する改質触媒を有する改質ユニットとを備え、予熱ユニットと改質ユニットは、熱的に隔離され、予熱ユニットで予熱された原料混合流体は、予熱ユニットと改質ユニットとの間に設けられた原料混合流体流路を介して予熱ユニットから改質ユニットに導かれる構成とすることにより上記課題を解決する。 The fuel reformer of the present invention includes a preheating unit for preheating a hydrocarbon fuel that is a raw material for generating a reformed gas containing hydrogen, a raw material mixed fluid in which oxygen or a gas containing oxygen, and water or steam are mixed. A combustion catalyst for combusting the raw material mixed fluid preheated by the preheating unit, and a reforming unit having a reforming catalyst for reforming the generated gas generated by the combustion catalyst to generate a reformed gas containing hydrogen. The preheating unit and the reforming unit are thermally isolated from each other, and the raw material mixed fluid preheated by the preheating unit is separated from the preheating unit via a raw material mixed fluid channel provided between the preheating unit and the reforming unit. The above-described problem is solved by adopting a configuration that is guided to the reforming unit.
このような構成とすれば、燃料予熱器と改質反応器用酸素予熱器とを兼ねた予熱ユニットにでき、この予熱ユニットと改質ユニットとの間の熱授受、言い換えれば、互いの熱的干渉を抑制でき、燃料改質装置の制御を簡素化できる。 With such a configuration, a preheating unit that serves as both a fuel preheater and an oxygen preheater for the reforming reactor can be obtained, and heat exchange between the preheating unit and the reforming unit, in other words, thermal interference between each other. And the control of the fuel reformer can be simplified.
また、改質ユニットは、改質触媒からの改質ガスとの間で熱交換を行う熱交換手段を有し、原料混合流体用に予熱ユニットに供給される水または水蒸気は、改質ユニットの熱交換手段から予熱ユニットに導かれる構成とする。これにより、改質ユニットの改質触媒からの改質ガスの熱を原料混合流体用に予熱ユニットに供給される水または水蒸気に回収することで、改質ユニット3の熱バランスを取ることが可能となり、燃料改質装置の制御をより簡素化できる。
Further, the reforming unit has heat exchange means for exchanging heat with the reformed gas from the reforming catalyst, and water or steam supplied to the preheating unit for the raw material mixed fluid is The heat exchange means guides the preheating unit. As a result, the heat of the reformed gas from the reforming catalyst of the reforming unit can be recovered in the water or steam supplied to the preheating unit for the raw material mixed fluid, so that the heat balance of the reforming
さらに、原料混合流体用に予熱ユニットに供給される水または水蒸気を、改質ユニットの熱交換手段を介して予熱ユニットに導く水導入流路と、改質ユニットの熱交換手段を介さずに予熱ユニットに直接導く水導入流路とを有する構成とする。このような構成とすれば、改質ユニットの改質触媒の出口側における改質ガスの温度が所定値または所定範囲より低くなるのを抑制しながら、所定のスチームカーボン比にできる。 Furthermore, water or steam supplied to the preheating unit for the raw material mixed fluid is guided to the preheating unit through the heat exchange means of the reforming unit, and preheated without passing through the heat exchange means of the reforming unit. It is set as the structure which has the water introduction flow path which leads directly to a unit. With such a configuration, it is possible to achieve a predetermined steam carbon ratio while suppressing the temperature of the reformed gas on the outlet side of the reforming catalyst of the reforming unit from becoming lower than a predetermined value or a predetermined range.
また、予熱ユニットに供給される空気に対して燃料を、この空気の流れの方向に対して垂直に交わる方向で合流させ、さらに、この空気と燃料が混合されたガスに水蒸気を合流させて原料混合流体を形成する構成とする。これにより、原料混合流体となる空気、燃料、水の混合性を向上できる。 Also, the fuel is combined with the air supplied to the preheating unit in a direction perpendicular to the direction of the air flow, and further, water vapor is combined with the gas mixed with the air and the raw material. A mixed fluid is formed. Thereby, the mixability of the air, fuel, and water used as a raw material mixed fluid can be improved.
さらに、原料混合流体用の炭化水素燃料、酸素または酸素を含有する気体、及び、水または水蒸気のうち少なくとも1つの流体は、予熱ユニット及び改質ユニットの少なくとも1つからの放熱を回収する放熱回収手段から予熱ユニットに導かれる構成とする。これにより、予熱ユニットの表面温度を下げることができ、燃料改質装置を1つのパッケージ内に納める場合などでも、熱効率を向上できる。 Further, at least one of a hydrocarbon fuel for the raw material mixed fluid, oxygen or a gas containing oxygen, and water or steam recovers heat released from at least one of the preheating unit and the reforming unit. It is set as the structure guide | induced to a preheating unit from a means. As a result, the surface temperature of the preheating unit can be lowered, and the thermal efficiency can be improved even when the fuel reformer is housed in one package.
本発明によれば、燃料改質装置の制御を簡素化できる。 According to the present invention, the control of the fuel reformer can be simplified.
(第1の実施形態)
以下、本発明を適用してなる燃料改質装置の第1の実施形態について図1乃至図3を参照して説明する。図1は、本発明を適用してなる燃料改質装置の概略構成を予熱ユニットと改質ユニットを断面で模式的に示す図である。図2は、図1のII−II線での断面図である。図3は、本発明を適用してなる燃料改質装置の原料混合流体管路の構造を模式的に示す断面図である。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of a fuel reformer to which the present invention is applied will be described with reference to FIGS. 1 to 3. FIG. 1 is a diagram schematically showing, in cross section, a preheating unit and a reforming unit in a schematic configuration of a fuel reformer to which the present invention is applied. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the raw material mixed fluid conduit of the fuel reformer to which the present invention is applied.
本実施形態の燃料改質装置は、図1及び図2に示すように、内熱式の燃料改質装置であり、原料を予熱するための予熱器となる予熱ユニット1、改質反応により原料から水素を生成するための改質器となる改質ユニット3、一酸化炭素シフト器(以下、COシフト器と称する)5、そして、一酸化炭素選択酸化器(以下、CO選択酸化器と称する)7などで構成されている。予熱ユニット1と改質ユニット3は、熱授受つまり熱的な干渉を低減するため間隔を開けて設置されており、予熱ユニット1と改質ユニット3との間は、燃料、空気、そして、水または水蒸気といった原料を混合した原料混合ガスを予熱ユニット1から改質ユニット3に導く原料混合流体管路9によって連結されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel reformer of this embodiment is an internal heat type fuel reformer, a preheating
予熱ユニット1は、原料となる燃料、酸素または酸素含有ガス、水または水蒸気を予熱するものであり、内部の空間1aに燃焼触媒11と、熱交換手段となる伝熱管13を有している。また、予熱ユニット1は、予熱ユニット1内部の空間1aの周囲が断熱材15で覆われた状態となっている。予熱ユニット1には、燃料を導く燃料導入管路17、酸素または酸素含有ガスとして空気を導く空気導入管路19、水を導く水導入管路21が連結されており、これらの管路17、19、21は、伝熱管13に連結されている。さらに、予熱ユニット1には、燃焼触媒に対して酸素または酸素含有ガスとして空気を導く燃焼触媒用空気導入管路23、燃料改質装置が水素を供給する図示していない燃料電池からのアノード排ガスを導くアノード排ガス導入管路25なども連結されている。
The preheating
本実施形態では、空気導入管路19は、燃料導入管路17の予熱ユニット1の外側に位置する部分で燃料導入管路17に合流している。また、水導入管路21は、燃料導入管路17が伝熱管13に連結された伝熱管13の入口部分に連結されている。伝熱管13は、入口部分と出口部分との間で複数、図1及び図2では2本に分岐した状態で設置されている。予熱ユニット1の内部の空間1aは、燃焼触媒11によって2つの空間に分割された状態になっており、一方の空間内に伝熱管13が設置されている。他方の空間つまり伝熱管13が設置されていない空間側には、燃焼触媒用空気導入管路23とアノード排ガス導入管路25が連通している。原料混合流体管路9の一方の端部は、伝熱管13の出口部分に連結されている。
In the present embodiment, the
また、予熱ユニット1には、伝熱管13が設置されている側の空間1aの部分に、燃焼触媒11によるアノード排ガスの燃焼により生じた燃焼排ガスを排出するための排ガス管路27が連結されている。
Further, the preheating
改質ユニット3は、予熱ユニット1で予熱した原料混合ガスから水素を生成するものであり、内部の空間3aに燃焼触媒29、改質触媒31、そして、伝熱管33などを有している。また、改質ユニット3は、改質ユニット3内部の空間3aの周囲が断熱材35で覆われた状態となっている。改質ユニット3には、水を導く水導入管路37、原料混合流体管路9の予熱ユニット1に連結された側と反対側の端部などが連結されている。
The reforming
本実施形態では、改質ユニット3の内部の空間3aは、燃焼触媒29と改質触媒31によって2つの空間に分割された状態になっており、一方の空間部分に伝熱管33が設置されている。そして、他方の空間部分つまり伝熱管33が設置されていない側の空間部分に、原料混合流体管路9の予熱ユニット1に連結された側と反対側の端部が連通している。
In this embodiment, the
本実施形態の原料混合流体管路9は、図3に示すように、フレキシブル配管からなる内管部9aの外面周囲に断熱材を施工して断熱材部9bで被覆したものである。このように本実施形態の原料混合流体管路9は、内管部9aをフレキシブル配管とすることで温度変化による管路の熱伸縮を許容できるようにしている。また、断熱材部9bで被覆し、さらに、その外側を外管部9cが被覆した状態となっており、断熱材部9bで被覆することで放熱損失を低減している。加えて、断熱材部9bなどで被覆することで、内管部9aで万が一のガス漏れが生じた場合でも、断熱材部9bが外部へのガス漏れを抑制し、安全性を向上できる。
As shown in FIG. 3, the raw material mixed
改質ユニット3では、燃焼触媒29と改質触媒31は、原料混合流体管路9から改質ユニット3の内部の空間3aに流入したガスなどが、燃焼触媒29から改質触媒31の順に通過するように設置されている。言い換えれば、伝熱管33が設置されている空間3aの部分側に改質触媒31が、伝熱管33が設置されていない空間3aの部分側に燃焼触媒29が設置されている。
In the reforming
水導入管路37は、改質ユニット3内の伝熱管33の入口部分に連結されており、予熱ユニット1に連結された水導入管路21の予熱ユニット1に連結された側と反対側の端部は、改質ユニット3内の伝熱管33の入口部分に連結されている。したがって、本実施形態では、水または水蒸気は、水導入管路37、改質ユニット3内の伝熱管33、水導入管路21、そして、予熱ユニット1内の伝熱管13の順に通流して行く。
The
改質ユニット3内の伝熱管33が設置されている空間3aの部分を通流した生成された水素を含むガスは、COシフト器5、連結流路38、CO選択酸化器7の順に通流して行く。なお、本実施形態で用いた燃焼触媒11、29、改質触媒31、COシフト器5、CO選択酸化器7などは、従来の燃料改質装置と同様のものである。
The generated hydrogen-containing gas that has flowed through the portion of the
このような構成の燃料改質装置の動作や本発明の特徴部などについて説明する。 ここでは、内熱式の燃料改質装置である本実施形態の燃料改質装置の燃料が天然ガスの主成分であるメタンである場合を例として水素生成過程について説明する。改質ユニット3内の改質触媒31でのメタンと水蒸気の改質反応は、従来の燃料改質装置と同様に、次式(1)と次式(2)の左辺から右辺への逐次反応であるが、全体として吸熱反応であるため、熱を与えて反応温度の600℃程度を維持する必要がある。
CH4 + H2O ⇔ CO + 3H2(吸熱反応) ・・・(1)
CO + H2O ⇔ CO2 + 3H2(発熱反応) ・・・(2)
The operation of the fuel reformer having such a configuration and the features of the present invention will be described. Here, the hydrogen generation process will be described by taking as an example the case where the fuel of the fuel reformer of this embodiment, which is an internal heat type fuel reformer, is methane, which is the main component of natural gas. The reforming reaction of methane and steam at the reforming
CH 4 + H 2 O⇔CO + 3H 2 (endothermic reaction) (1)
CO + H 2 O CO CO 2 + 3H 2 (exothermic reaction) (2)
本実施形態のような内熱式の燃料改質装置では、吸熱反応に必要な熱を、原料となる燃料、ここではメタンの一部を、空気により、改質ユニット3の燃焼触媒29で燃焼させた熱で賄う。
In the internal heat type fuel reformer as in the present embodiment, the heat necessary for the endothermic reaction is combusted by the
ただし、燃料であるメタンの燃焼量をできるだけ減らさなければ、発生する水素の量が低下してしまう。一方、水素を供給する設備や機器類が固体高分子型燃料電池システム(以下、PEFCシステムと称する)などの場合、PEFCシステム本体から未反応水素を含むアノード排ガスが出てくる。そこで、内熱式の燃料改質装置では、アノード排ガスを燃焼させた燃焼熱を原料である燃料、空気、水にフィードバックすることで燃料改質装置全体の熱効率を高める工夫をしている。本実施形態の燃料改質装置でも、このようなアノード排ガスを燃焼させた燃焼熱をフィードバックさせるために予熱ユニット1を備えており、この予熱ユニット1の燃焼触媒用空気導入管路23からの空気と燃焼触媒11とによって、アノード排ガス導入管路25からのアノード排ガスを燃焼させ、その燃焼熱で伝熱管13を通流する燃料、空気、水を予熱している。
However, unless the combustion amount of methane as a fuel is reduced as much as possible, the amount of generated hydrogen is reduced. On the other hand, when the facility or equipment for supplying hydrogen is a polymer electrolyte fuel cell system (hereinafter referred to as PEFC system), anode exhaust gas containing unreacted hydrogen comes out from the PEFC system body. Therefore, in the internal heat type fuel reformer, the heat of combustion of the anode exhaust gas is fed back to the fuel, air, and water as raw materials, thereby improving the overall thermal efficiency of the fuel reformer. The fuel reformer of this embodiment also includes a
このとき、本実施形態の燃料改質装置では、従来と異なり、空気導入管路19が予熱ユニット1の外側で燃料導入管路17に合流し、また、水導入管路21が予熱ユニット1内で伝熱管13の上流側の端部に合流することで、予熱ユニット1内の伝熱管13の最上流部分で、燃料、空気、そして、水が、全て合流して原料混合流体となり、伝熱管13に流入する。
At this time, in the fuel reformer of this embodiment, unlike the conventional case, the
さらに、原料混合流体となる燃料、空気、そして、水の混合を促進するため、空気導入管路19が予熱ユニット1の外側で燃料導入管路17に垂直に合流しており、各々の流れが垂直に交わる状態で、流量が比較的多い空気に対して流量が比較的少ない燃料が合流する。さらに、改質ユニット3からの水導入管路21が予熱ユニット1内で伝熱管13の上流側の端部に合流することで、空気と燃料を混合した後、改質ユニット3の伝熱管33で水蒸気となった水導入管路37からの水が、水蒸気の状態で、燃料と空気の混合流体に合流する。これにより、これら3つの流体の混合を促進している。
Furthermore, in order to promote the mixing of fuel, air, and water, which are raw material mixed fluids, an
また、COシフト器5へ流入する改質ガスを適正温度にするなど、改質ユニット3の熱バランスを取るため、さらに、改質ユニット3での改質反応に必要な水を水蒸気に変えるため、改質ユニット3の改質触媒31を通過したガス、つまり、改質触媒31の出口側から出てくる改質ガスの熱を回収する伝熱管33が設けられており、水導入管路37からの水が伝熱管33を通流することで水蒸気となり、伝熱管33で生じた水蒸気が、水導入管路21を介して予熱ユニット1内で伝熱管13に導かれている。
In addition, in order to balance the heat of the reforming
このように予熱ユニット1の伝熱管13を通流することで予熱された原料混合ガスは、原料混合流体管路9を経由して改質ユニット3に流入する。改質ユニット3に流入した原料混合ガスは、改質ユニット3の燃焼触媒29において、空気によって燃料の一部が燃焼して発熱することにより、改質反応も併発し、燃料の一部が水素に変換される。その後、燃焼触媒29からのガスは、改質触媒31に流入して改質反応が促進され、水素リッチな改質ガスとなる。そして、改質ユニット3で生成された水素リッチな改質ガスは、COシフト器5、CO選択酸化器7などを通過した後、水素を供給するPEFCシステムなどの機器や設備などに導かれる。
The raw material mixed gas preheated by flowing through the
なお、予熱ユニット1では、アノード排ガスと空気との燃焼触媒11による燃焼によって生じた燃焼ガスは、伝熱管13に熱を与えたのち、燃焼排ガスとして排ガス管路27を介して大気へ放出される。また、改質ユニット3では、改質ユニット3の周囲を囲う断熱材35として、従来の燃料改質装置よりも断熱を強化するため、従来の燃料改質装置に用いられていた断熱材よりも低熱伝導率の断熱材を使用するか、または、断熱材の厚さを増すなどの処置を施している。
In the
このように、本実施形態の燃料改質装置では、予熱ユニット1は、燃料予熱器と改質反応器用酸素予熱器とを兼ねた構成となっており、この予熱ユニット1と改質ユニット3とは、予熱ユニット1で予熱された原料混合ガスが通流する原料混合流体管路9を介して連結されているのみであり、熱的に隔離された状態となっている。したがって、予熱ユニット1と改質ユニット3との間の複雑な熱授受、言い換えれば、互いの熱的干渉を抑制でき、燃料改質装置の制御を簡素化できる。
Thus, in the fuel reforming apparatus of the present embodiment, the preheating
さらに、本実施形態の燃料改質装置では、燃料改質装置の制御を簡素化できることから、操作の簡素化や、制御性の向上などが可能となる。加えて、本実施形態の燃料改質装置では、改質ユニット3は、改質触媒31からの改質ガスとの間で熱交換を行う熱交換手段となる伝熱管33を有し、原料混合流体用に予熱ユニット1に供給される水または水蒸気は、改質ユニット3の伝熱管33から水導入管路37を介して予熱ユニット1に導かれている。したがって、改質ユニット3の改質触媒31からの改質ガスの熱を原料混合流体用に予熱ユニット1に供給される水または水蒸気に回収することで、改質ユニット3の熱バランスを取ることが可能となり、燃料改質装置の制御をより簡素化できる。
Furthermore, in the fuel reformer of this embodiment, since the control of the fuel reformer can be simplified, the operation can be simplified and the controllability can be improved. In addition, in the fuel reforming apparatus of the present embodiment, the reforming
加えて、改質ユニット3が、改質触媒31からの改質ガスとの間で熱交換を行う熱交換手段となる伝熱管33を有していることにより、改質ユニット3での改質反応に必要な水、言い換えれば、予熱ユニット1に供給される水を、予熱ユニット1の燃焼触媒11での燃焼熱と、改質ユニット3の改質触媒31からの改質ガスの熱との両方の熱で水蒸気に変えることができ、改質ユニット3での改質反応に必要な水をより確実に水蒸気に気化できる。ただし、アノード排ガスの燃焼熱の熱量で改質反応に必要な水つまり原料となる水のほぼ全量を水蒸気に変えるだけの蒸発潜熱を得ることができる場合や、改質ユニット3の改質触媒31からの改質ガスの温度を下げる必要がない場合などは、改質ユニット3に伝熱管33を設けず、水導入管路37から予熱ユニット1の伝熱管13に水または水蒸気を直接導く構成にすることもできる。
In addition, since the reforming
ところで、従来の内燃式の燃料改質装置では、改質触媒の周囲に水蒸気が流れているために、改質触媒の温度分布が生じ易いという問題や、原料となる燃料と空気の混合流体を予熱後に水を合流させている構成や、層流域という条件などのため、原料の混合性に問題がある。このように原料の混合性に問題があると、燃料改質装置の水素発生能力を低下させる要因となる。 By the way, in the conventional internal combustion type fuel reformer, since the steam flows around the reforming catalyst, there is a problem that the temperature distribution of the reforming catalyst is likely to occur, and a mixed fluid of fuel and air as a raw material is reduced. There is a problem in the mixing of raw materials due to the structure in which water is combined after preheating and the condition of laminar flow area. If there is a problem with the mixing property of the raw materials in this way, it becomes a factor of reducing the hydrogen generation capability of the fuel reformer.
これに対して、実施形態の燃料改質装置では、原料混合流体となる燃料、空気、そして、水のうち、流量が比較的多い空気に対して流量が比較的少ない燃料が各々の流れの方向が垂直に交わる状態で合流し、また、この空気と燃料が混合されたガスに、水蒸気が合流することで、原料混合ガスの混合が行われる。このため、原料である燃料、空気、そして、水との混合性を向上できる。加えて、原料である燃料、空気、そして、水との混合性が向上した状態で改質ユニット3の燃焼触媒29と改質触媒31に原料混合流体が流入することにより、燃焼触媒29と改質触媒31の、原料混合流体の流れの方向に対して垂直方向の温度分布を低減できる。また、燃焼触媒29と改質触媒31の、原料混合流体の流れの方向に対して垂直方向の温度分布を低減できることから、燃焼触媒と改質触媒の寿命を延長できる。
On the other hand, in the fuel reformer of the embodiment, among the fuel, air, and water that are the raw material mixed fluid, the direction of the flow of the fuel having a relatively low flow rate relative to the air having a relatively high flow rate The raw material mixed gas is mixed by combining water vapor with the gas in which the air and the fuel are mixed. For this reason, the mixability with the fuel, air, and water which are raw materials can be improved. In addition, the raw material mixed fluid flows into the
さらに、従来の内燃式の燃料改質装置では、燃料と空気の混合ガスを加熱する場合、自己着火や逆火、炭化水素燃料の分解などに対する安全性を確保する必要があるため、燃料予熱器と空気予熱器を各々別個に形成し、それぞれに燃焼部を有している構成としているものがある。このため、燃料予熱器と空気予熱器を各々別個に形成している場合、構成要素機器数が比較的多くなっている。このように、従来の内燃式の燃料改質装置では、自己着火や逆火及び炭化水素燃料の分解などに対する安全性を向上するうえでは、燃料予熱器と空気予熱器とを個々に分離した構成とすることが望ましいが、このような構成では、装置構成が複雑になるという問題が生じる。 Furthermore, in a conventional internal combustion fuel reformer, when heating a fuel / air mixed gas, it is necessary to ensure safety against self-ignition, flashback, hydrocarbon fuel decomposition, etc., so a fuel preheater And an air preheater are formed separately, and each has a combustion part. For this reason, when the fuel preheater and the air preheater are formed separately, the number of component devices is relatively large. As described above, in the conventional internal combustion type fuel reformer, in order to improve safety against self-ignition, flashback and hydrocarbon fuel decomposition, the fuel preheater and the air preheater are individually separated. However, in such a configuration, there is a problem that the device configuration becomes complicated.
これに対して、本発明者らは、種々の検討を行った結果、内熱式の燃料改質装置に必要な条件となる燃料と空気の混合ガスを加熱する場合、所定温度以上としなければ自己着火および逆火は発生しないこと、さらに、燃料、空気、水または水蒸気を加えて組成比を適正化すれば炭化水素燃料の分解も生じないことを見いだした。本実施形態の燃料改質装置は、このような知見に対応する構成となっており、燃料予熱器と空気予熱器を1つの予熱ユニット1にできることから、自己着火や逆火、炭化水素燃料の分解などに対する安全性を向上しながら、装置構成を簡素化できる。また、炭化水素燃料の分解などに対する安全性を向上できることから、水素発生能力の安定性をより向上できる。加えて、本実施形態の燃料改質装置では、要素機器数を低減でき、装置構成を簡素化できることから、燃料改質装置の保守作業を簡素化できる。さらに、制御や装置構成を簡素化できることから、低コスト化や装置全体のコンパクト化が可能となる。
On the other hand, as a result of various studies, the present inventors, when heating a mixed gas of fuel and air, which is a necessary condition for an internal heat type fuel reformer, must be a predetermined temperature or higher. It has been found that self-ignition and flashback do not occur, and that hydrocarbon fuel does not decompose if the composition ratio is optimized by adding fuel, air, water or steam. The fuel reformer of the present embodiment has a configuration corresponding to such knowledge, and since the fuel preheater and the air preheater can be made into one
また、本実施形態では、原料となる水または水蒸気の全量が、改質ユニット3の伝熱管33を通流した後、予熱ユニット1に導かれる構成となっている。しかし、改質反応に必要な水のほぼ全量を水蒸気に変えるうえで、アノード排ガス導入管路25からのアノード排ガスの燃焼熱のみでもある程度の熱量が賄える場合、つまり、原料となる水が元々水蒸気である場合やアノード排ガスの燃焼熱で得られる熱量に応じて、また、改質ユニット3の改質触媒31からの改質ガスの温度を下げる程度に応じては、水の全量を改質ユニット3の伝熱管33に通流させず、原料として用いる水または水蒸気の一部のみを伝熱管33に通流させる構成にすることもできる。
In the present embodiment, the total amount of water or water vapor as a raw material is guided to the
(第2の実施形態)
以下、本発明を適用してなる燃料改質装置の第2の実施形態について図4を参照して説明する。図4は、本発明を適用してなる燃料改質装置の概略構成を予熱ユニットと改質ユニットを断面で模式的に示す図である。なお、本実施形態では第1の実施形態と同一の構成などは同じ符号を付して説明を省略し、第1の実施形態と異なる構成などについて説明を行う。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the fuel reformer to which the present invention is applied will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram schematically showing, in cross section, a preheating unit and a reforming unit as a schematic configuration of a fuel reforming apparatus to which the present invention is applied. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and components different from those in the first embodiment are described.
本実施形態の燃料改質装置が第1の実施形態と相違する点は、改質反応に用いる水つまり原料となる水を改質ユニット3の伝熱管33に導く水導入管路37に加えて、予熱ユニット1の伝熱管13の上流側に原料となる水を導く水導入管路39を設けたことにある。そして、本実施形態の燃料改質装置では、水導入管路37から改質ユニット3の伝熱管33、そして、水導入管路21を介して予熱ユニット1の伝熱管13に水、水蒸気を導く流路に加え、必要に応じ、原料となる水を、改質ユニット3を介さずに直接予熱ユニット1の伝熱管13に加えている。つまり、本実施形態の燃料改質装置では、原料となる水の一部は、改質ユニット3の伝熱管33を介さずに、水導入管路39から直接予熱ユニット1の伝熱管13に供給される。
The difference between the fuel reforming apparatus of the present embodiment and the first embodiment is that the water used for the reforming reaction, that is, the water as the raw material, is added to the
ここで、燃料改質装置に原料として共有される水の量は、内熱式の燃料改質装置全体としてのスチームカーボン比、つまり、カーボンを析出させないために必要な燃料中のカーボンに対する水蒸気のモル比率を適正範囲に維持するための調整代の役割を果たしている。また、水導入管路37からの原料となる水の供給量つまり改質ユニット3の伝熱管33への水の供給量は、改質ユニット3の改質触媒31の出口側における改質ガスの温度を所定値または所定範囲に保つのに必要な量である。すなわち、導入管路37からの原料となる水の供給量は、改質ユニット3の改質触媒31の出口側における改質ガスの温度を所定値または所定範囲に保つための必要量から決まる。したがって、水導入管路37からの原料となる水の供給量では、所定のスチームカーボン比に達しない場合は、水導入管路39から水を予熱ユニット1の伝熱管13に投入する。
Here, the amount of water shared as a raw material for the fuel reformer is the steam carbon ratio of the entire internal heat type fuel reformer, that is, the amount of water vapor relative to the carbon in the fuel necessary to prevent carbon from being deposited. It plays the role of adjustment allowance to maintain the molar ratio within the proper range. In addition, the supply amount of water as a raw material from the
これにより、改質ユニット3の改質触媒31の出口側における改質ガスの温度が所定値または所定範囲より低くなるのを抑制しながら、所定のスチームカーボン比にできる。
Thereby, it is possible to achieve a predetermined steam carbon ratio while suppressing the temperature of the reformed gas on the outlet side of the reforming
このように、本実施形態の燃料改質装置では、原料となる水の一部は、必要に応じて改質ユニット3の伝熱管33を介さずに、水導入管路39から直接予熱ユニット1の伝熱管13に供給される。このため、本実施形態の燃料改質装置でも、第1の実施形態と同様の効果が得られるのに加え、改質ユニット3の改質触媒31の出口側における改質ガスの温度を所定値または所定範囲に保つのに必要な量の水では、スチームカーボン比が所定の値からはずれるような運転条件の場合であっても、改質ユニットの改質触媒の出口側における改質ガスの温度が所定値または所定範囲より低くなるのを抑制しながら、所定のスチームカーボン比にできる。さらに、スチームカーボン比を所定の値に調整できるので、カーボン析出に起因する不具合を抑制でき、また、運転条件の範囲を広げることができる。
As described above, in the fuel reformer of this embodiment, a part of the water as a raw material is directly passed from the
(第3の実施形態)
以下、本発明を適用してなる燃料改質装置の第3の実施形態について図5を参照して説明する。図5は、本発明を適用してなる燃料改質装置の概略構成を予熱ユニットと改質ユニットを断面で模式的に示す図である。なお、本実施形態では第1の実施形態と同一の構成などは同じ符号を付して説明を省略し、第1及び第2の実施形態と異なる構成などについて説明を行う。
(Third embodiment)
Hereinafter, a third embodiment of a fuel reformer to which the present invention is applied will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram schematically showing, in cross section, a preheating unit and a reforming unit in a schematic configuration of a fuel reforming apparatus to which the present invention is applied. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. The components different from those in the first and second embodiments will be described.
本実施形態の燃料改質装置が第1及び第2の実施形態と相違する点は、第2の実施形態と同様に2本の原料となる水の流路つまり水導入管路37、39を設けたのに加えて、予熱ユニット1からの放熱を回収するように配管された空気導入管路41を設け、放熱回収手段としたことにある。本実施形態の燃料改質装置では、空気導入管路41が、予熱ユニット1の表面の両端部間にわたって、つまり、燃焼触媒用空気導入管路23やアノード排ガス導入管路25などが設けられた側の端部から、排ガス管路27などが設けられた側の端部にかけて付設されている。そして、空気導入管路41の空気の流れに対して下流側の端部は、第1及び第2の実施形態と同様に、燃料導入管路17に連結されている。
The difference between the fuel reforming apparatus of the present embodiment and the first and second embodiments is that, similarly to the second embodiment, two water flow paths, that is,
これにより、予熱ユニット1の表面温度を下げ、燃料改質装置を1つのパッケージ内に納める場合、つまり、燃料改質装置を1つの筐体などに収容する場合などでも、熱効率を向上できる。さらに、予熱ユニット1の表面温度を下げることができるため、安全性も向上できる。
Thereby, even when the surface temperature of the preheating
このように、本実施形態の燃料改質装置では、予熱ユニット1からの放熱を回収するように配管された空気導入管路41を設けている。このため、本実施形態の燃料改質装置でも、第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られるのに加え、予熱ユニットの表面温度を下げることができ、燃料改質装置を1つのパッケージ内に納める場合などでも、熱効率を向上できる。また、安全性も向上できる。
As described above, in the fuel reforming apparatus of the present embodiment, the
また、本実施形態では、予熱ユニット1からの放熱を回収するように配管された空気導入管路41を設けているが、条件などに応じて空気導入管路に代え、予熱ユニット1からの放熱を回収するように水導入管路や燃料導入管路、それらの管路を適宜組み合わせて配管することなどで、放熱回収手段を形成することもできる。
In the present embodiment, the
また、第1乃至第2の実施形態では、燃料となるメタン、空気、水を用いているが、メタン以外の水素を生成できる様々な燃料、空気以外の燃焼剤となる酸素または酸素を含む気体、燃料改質装置に応じて水または水蒸気などを適宜選択して用いることができる。 In the first and second embodiments, methane, air, and water are used as fuels, but various fuels that can generate hydrogen other than methane, oxygen that is a combustion agent other than air, or a gas containing oxygen. Depending on the fuel reformer, water or steam can be appropriately selected and used.
また、本発明を適用してなる燃料改質装置は、第1乃至第2の実施形態の構成に限らず、様々な構成で形成できる。 The fuel reformer to which the present invention is applied is not limited to the configurations of the first and second embodiments, and can be formed in various configurations.
1 予熱ユニット
3 改質ユニット
5 COシフト器
7 CO選択酸化器
9 原料混合流体管路
11、29 燃焼触媒
13、33 伝熱管
15、35 断熱材
17 燃料導入管路
19 空気導入管路
21、37 水導入管路
23 燃焼触媒用空気導入管路
25 アノード排ガス導入管路
27 排ガス管路
31 改質触媒
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記予熱ユニットと前記改質ユニットは、熱的に隔離され、前記予熱ユニットで予熱された原料混合流体は、前記予熱ユニットと前記改質ユニットとの間に設けられた原料混合流体流路を介して前記予熱ユニットから前記改質ユニットに導かれる燃料改質装置。 Preheating unit for preheating a hydrocarbon fuel, oxygen or a gas containing oxygen, and a raw material mixed fluid in which water or steam is mixed, and the raw material preheated by the preheating unit A reforming unit having a combustion catalyst for combusting a mixed fluid and a reforming catalyst for reforming a product gas generated by the combustion catalyst to generate a reformed gas containing hydrogen;
The preheating unit and the reforming unit are thermally isolated, and the raw material mixed fluid preheated by the preheating unit passes through a raw material mixed fluid channel provided between the preheating unit and the reforming unit. A fuel reformer led from the preheating unit to the reforming unit.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005315611A JP2007119315A (en) | 2005-10-31 | 2005-10-31 | Fuel reforming apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2005315611A JP2007119315A (en) | 2005-10-31 | 2005-10-31 | Fuel reforming apparatus |
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ID=38143547
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JP (1) | JP2007119315A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2011057538A (en) * | 2009-09-14 | 2011-03-24 | Green Hydrotec Inc | Hydrogen generator and hydrogen generation apparatus |
-
2005
- 2005-10-31 JP JP2005315611A patent/JP2007119315A/en active Pending
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