JP2007331985A - Hydrogen generator and fuel cell power generation system using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭化水素化合物と水を反応させて水素を生成する水素生成装置および、生成された水素を用いて発電を行う燃料電池を有する燃料電池発電装置に関する。 The present invention relates to a hydrogen generator that generates hydrogen by reacting a hydrocarbon compound and water, and a fuel cell generator that includes a fuel cell that generates electric power using the generated hydrogen.
燃料電池発電装置は、改質器によって炭化水素化合物と水蒸気を原料として水蒸気改質反応により水素・二酸化炭素・一酸化炭素および未反応のメタンと水蒸気を含む水素含有ガスを生成し、次に一酸化炭素低減部によって燃料電池に有害となる一酸化炭素を除去した燃料ガスを生成して、この燃料ガスを用いて燃料電池が発電を行う。 The fuel cell power generator generates a hydrogen-containing gas containing hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide, unreacted methane and steam by a steam reforming reaction using a hydrocarbon compound and steam as raw materials. A fuel gas from which carbon monoxide that is harmful to the fuel cell is removed is generated by the carbon oxide reduction unit, and the fuel cell generates power using the fuel gas.
水素生成装置としてはさまざまなものが考案され使用されている。例えば、図4に示した従来技術の水素生成装置1は各反応器及び各反応器に至るガス流路が互いに熱を有効利用して高い水素生成効率を実現し、またコスト的にも有利にするため各反応器及びガス流路をコンパクトに一体化した一体型の水素生成装置である(例えば、特許文献1参照)。
Various hydrogen generators have been devised and used. For example, in the prior
この一体型の水素生成装置の構成及び動作について簡単に説明しておく。 The configuration and operation of this integrated hydrogen generator will be briefly described.
図4の中心に位置する2は水蒸気改質反応に必要な反応熱を供給する加熱源となるバーナ、3はルテニウムを主成分とする改質触媒を有する改質器、4は銅と亜鉛を主成分とする変成触媒を有する変成器、5はルテニウムを主成分とする酸化触媒を有するCO除去器、6はバーナ2の燃焼ガスの排気口である。原料となる都市ガス等の炭化水素と改質水は各々原料供給口7と改質水供給口8から供給される。改質水は変成触媒と酸化触媒の周囲に巻いて設置した細管9内で両触媒の発生する反応熱を受けて一部蒸発した後、原料と混合されてらせん流路からなる蒸発器10内へ送られる。蒸発器10内で未蒸発の改質水はバーナ2による燃焼ガスと変成触媒および酸化触媒の発生する反応熱によって加熱されて完全に蒸発し、また原料と混合されて改質触媒へ送られる。
4 is a burner serving as a heating source for supplying reaction heat necessary for the steam reforming reaction, 3 is a reformer having a reforming catalyst mainly composed of ruthenium, and 4 is copper and zinc. A shifter having a shift catalyst having a main component, 5 a CO remover having an oxidation catalyst having ruthenium as a main component, and 6 an exhaust port for the combustion gas of the
改質触媒内で原料と改質水蒸気は水素・二酸化炭素・一酸化炭素、および未反応のメタンと水蒸気を含む水素含有ガスとなる。この水素含有ガスは変成触媒を有する変成器4へ送られ、一酸化炭素は変成触媒によって水蒸気と反応してその濃度が1%以下程度にまで低減された水素含有ガスとなる。変成触媒を出た水素含有ガスは酸化ガス供給路11から供給された空気と混合室16で混合されて酸化触媒を有するCO除去器5に導入され、残留する一酸化炭素は酸化触媒によって燃焼除去される。生成された燃料ガスとしての水素含有ガスは、水素含有ガス出口12から燃料電池(図示せず)へ送られる。なお、図中13は水素含有ガスと空気の混合を促進するための流通口、14は水素含有ガスと空気の混合ガスを酸化触媒へ均一に供給するためのヘッダー流路、15は水素生成装置1を覆う断熱材である。
水素生成装置には上述のように複数の触媒が使用され、それらは適切な動作温度が決まっている。たとえば、変成器4の下流温度は反応速度や反応平衡の点から200℃程度が望ましく、CO除去器5の温度は選択性の点から150℃程度が望ましい。具体的には、変成器下流の温度が200℃を大きく下まわると反応速度が著しく低下してしまうために触媒が有効に働くことができず、逆に200℃を大きく上まわると一酸化炭素の平衡濃度が高くなり一酸化炭素の低減が不十分になってしまうからである。CO除去器5については、水素を酸化することなく一酸化炭素を効果的に選択的に酸化する温度がおよそ140℃から160℃程度の範囲にあるためである。しかもCO除去器5の場合、温度が高すぎると自己発熱により更に温度が上昇し、酸化反応が過剰に促進してしまい水素生成装置の運転を停止せざるをえない事態に陥ってしまうこともある。そのため、変成器4下流の水素含有ガス温度は200℃程度、CO除去器5入口の水素含有ガス温度は150℃程度に維持することが必要となる。
As described above, a plurality of catalysts are used in the hydrogen generation apparatus, and they have an appropriate operating temperature. For example, the downstream temperature of the
しかし、上記特許文献1記載の水素生成装置では、上述のように変成触媒の出口付近の温度を200℃程度まで低下させ、空気と混合する混合室16において混合される空気、混合室16に隣接する改質水流路を流れる改質水、及び蒸発器10を流れる水により冷却されるが、図4に示されるような制約された混合室空間内でCO除去器5入口における水素含有ガスの温度を150℃程度まで冷却するのは、困難であった。
However, in the hydrogen generator described in
このように150℃程度まで冷却されていない水素含有ガスをそのまま酸化触媒へ供給すると、上述のようなCO除去器5の過剰促進を引き起こす可能性があるため、変成触媒ではその出口の水素含有ガス温度が150℃程度まで冷却されるように構成せざるを得ず、この場合、変成触媒の下流部が有効に使用されないという課題があった。
When the hydrogen-containing gas that has not been cooled to about 150 ° C. is supplied to the oxidation catalyst as it is, there is a possibility of causing excessive promotion of the
本発明の目的は、上記課題を考慮し、変成器とCO除去器の各々の温度を適温に維持することが可能な一体型の水素生成装置を提供することである。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an integrated hydrogen generator capable of maintaining the temperatures of the transformer and the CO remover at appropriate temperatures.
上記目的を達成するために、第1の本発明の水素生成装置は、原料及び水蒸気から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器、ならびに該改質器に供給される前記原料及び水蒸気の混合ガスが流れる混合ガス流路を有する環状の第1のガス流路と、該第1のガス流路と伝熱可能な構成で前記第1のガス流路の外周に設けられ、前記改質器より送出される水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成器、ならびに該変成器より送出される水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するCO除去器を有する環状の第2のガス流路とを備え、
前記第2のガス流路は、前記CO除去器と前記混合ガス流路との間に前記変成器より送出された水素含有ガスが流れる環状の冷却路を有し、該冷却路を出た水素含有ガスが折り返して前記CO除去器に導入されるよう構成されていることを特徴とする。
To achieve the above object, the hydrogen generator of the first aspect of the present invention includes a reformer that generates a hydrogen-containing gas from a raw material and steam by a reforming reaction, and the raw material and steam supplied to the reformer. An annular first gas passage having a mixed gas passage through which the mixed gas flows, and an outer periphery of the first gas passage having a configuration capable of transferring heat to the first gas passage. An annular second gas having a converter for reducing carbon monoxide in the hydrogen-containing gas delivered from the gasifier, and a CO remover for reducing carbon monoxide in the hydrogen-containing gas delivered from the transformer A flow path,
The second gas flow path has an annular cooling path through which the hydrogen-containing gas sent from the transformer flows between the CO remover and the mixed gas flow path, and hydrogen that has exited the cooling path. The contained gas is folded and introduced into the CO remover.
また、第2の本発明の水素生成装置は、前記変成器より送出された水素含有ガスに酸化ガスを供給する酸化ガス供給路を備え、該酸化ガス供給路の出口が、前記冷却路の入口近傍に設けられていることを特徴とする。 The hydrogen generator of the second aspect of the present invention further includes an oxidizing gas supply path for supplying an oxidizing gas to the hydrogen-containing gas sent from the transformer, and an outlet of the oxidizing gas supply path is an inlet of the cooling path. It is provided in the vicinity.
また、第3の本発明の水素生成装置は、前記変成器より送出された水素含有ガスに酸化ガスを供給する酸化ガス供給路を備え、前記第2のガス流路は、前記水素含有ガスと前記酸化ガスが混合する環状の混合室を有し、前記混合室内の混合ガスが集合し、環状の前記冷却路に拡散するための連通口を有することを特徴とする。 The hydrogen generator of the third aspect of the present invention includes an oxidizing gas supply path for supplying an oxidizing gas to the hydrogen-containing gas sent from the transformer, and the second gas flow path includes the hydrogen-containing gas and the hydrogen-containing gas. It has an annular mixing chamber in which the oxidizing gas is mixed, and has a communication port for the mixed gas in the mixing chamber to gather and diffuse into the annular cooling passage.
また、第4の本発明の水素生成装置は、前記変成器より送出された水素含有ガスに酸化ガスを供給する酸化ガス供給路を備え、該酸化ガス供給路の出口が、前記連通口の近傍に設けられていることを特徴とする。 The hydrogen generator of the fourth aspect of the present invention includes an oxidizing gas supply path for supplying an oxidizing gas to the hydrogen-containing gas sent from the transformer, and an outlet of the oxidizing gas supply path is in the vicinity of the communication port. It is provided in.
また、第5の本発明の燃料電池発電装置は、上記本発明の水素生成装置と、該水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える。 A fuel cell power generator of the fifth aspect of the present invention includes the hydrogen generator of the present invention and a fuel cell that generates power using a hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generator.
本発明により、変成器の変成触媒及びCO除去器の酸化触媒の温度を一体型水素生成装置の制約された空間内で適温に調節可能な一体型の水素生成装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an integrated hydrogen generator capable of adjusting the temperatures of the shift catalyst of the shift converter and the oxidation catalyst of the CO remover to an appropriate temperature within a limited space of the integrated hydrogen generator.
以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
(実施の形態1)
図1は、本実施の形態1における水素生成装置17の概略構成図である。図1において、前述の従来技術の水素生成装置1と同等の構成要素には同じ符号を付しており、燃料ガスを生成する動作も同じであるため説明は省略する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the
図1において、18は酸化触媒の内筒であり、蒸発器10の冷却面となる外筒19と同軸上にしかも離して配置して両者間に冷却路20を形成している。また、酸化ガス供給路21は出口を冷却路20の近傍にまで伸ばして設置している。
In FIG. 1, reference numeral 18 denotes an inner cylinder of the oxidation catalyst, which is disposed coaxially with and separated from an
また、本発明の第1のガス流路は、環状に設けられた改質触媒を有する改質器3と、原料及び水蒸気の混合ガスが流通する本発明の混合ガス流路である環状の蒸発器10とを備える。一方、本発明の第2のガス流路は、第1のガス流路の外周を覆うように設けられており、改質器3から送出された水素含有ガスが折り返して供給される変成触媒を有する変成器4と、変成器4から送出される水素含有ガスが供給される酸化触媒を有するCO除去器5とを備える。上記第2のガス流路には、CO除去器5と蒸発器10との間に変成器4より送出される水素含有ガスが流れる上記冷却路20を有し、ここで水素含有ガスは、蒸発器10を流れる未蒸発の改質水と熱交換し、冷却される。冷却路20を出た水素含有ガスは折り返してCO除去器5に供給される。
In addition, the first gas flow path of the present invention includes a
以下、本構成の水素生成装置17の作用を説明する。前述のように変成触媒下流の温度は200℃程度であるため、本実施の形態の水素生成装置17でも変成触媒下流の温度は200℃になるように構成されている。酸化ガス供給路21より供給される酸化ガスとしての空気と水素含有ガスとが混合室16で混合された後、冷却路20に入る。
Hereinafter, the operation of the
冷却路20内で水素含有ガスは蒸発器10内を流れる未蒸発の改質水と原料に熱を与え、約150℃程度にまで冷却される。そして、冷却路20を出ると流れを反転させCO除去器5に供給され、残留した一酸化炭素を選択的に酸化してCO濃度が10ppm以下となった水素含有ガスとなって水素含有ガス出口12から流出する。
In the
上述のように従来の一体型の水素生成装置のように変成器4から送出された水素含有ガスに酸化ガスを混合させた後に、そのままCO除去器に供給するのではなく、CO除去器5の側方に位置していた蒸発器10との間に水素含有ガスを冷却するための冷却路を設けることで、コンパクト化が求められる一体型の水素生成装置の限られた空間内で変成後の水素含有ガスを所望の温度(150℃)まで冷却可能な構成とすることが可能になる。
As described above, after the oxidizing gas is mixed with the hydrogen-containing gas sent from the
また、装置の様々な構成、仕様に応じて冷却路20出口の水素含有ガスの温度を約150℃になるように調整するには、蒸発器10の外筒19と酸化触媒の内筒18の間隔を調節すれば良い。具体的には、この間隔を狭くすると、水素含有ガス側の伝熱係数が増加するために水素含有ガスの放熱量が増え、冷却路20出口の水素含有ガスを低温化できる。逆に、冷却路20出口の水素含有ガスを高くするには、間隔を広くすれば良い。
In order to adjust the temperature of the hydrogen-containing gas at the outlet of the cooling
このように本実施の形態の水素生成装置は変成器4の変成触媒下流の温度とCO除去器5の酸化触媒の温度を各々に適した温度に設定できるため、各々の触媒を全て有効に利用することができる。
As described above, the hydrogen generator of the present embodiment can set the temperature downstream of the shift catalyst of the
また、上述のように酸化ガス供給路21は酸化ガス出口を冷却路20の近傍にまで伸ばして設置しているため、従来の水素生成装置に比べ、供給された空気が銅―亜鉛系の変成触媒下流端に触れ、触媒劣化を招く可能性が低減したり、空気が貴金属系の変成触媒下流端に触れ、水素の酸化反応により水素含有ガス出口12から送出される水素量が減少する可能性が低減する。
Further, as described above, the oxidizing
また、本実施の形態の水素生成装置を用いた燃料電池発電装置は、図2に示すように水素生成装置17から供給される水素含有ガスが燃料電池30のアノードに供給され、燃料電池30はこの水素含有ガス中の水素とカソードに供給される酸化剤ガス中の酸素との電気化学反応により発電するよう構成されている。
(実施の形態2)
図3は、本実施の形態2における水素生成装置22の概略構成図である。図3において、上述の実施の形態1の水素生成装置17と同等の構成要素には同じ符号を付しており、水素含有ガスを生成する動作も同じであるため説明は省略する。
Further, in the fuel cell power generator using the hydrogen generator of the present embodiment, the hydrogen-containing gas supplied from the
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the
図3において、本実施の形態2は、変成器4より送出される水素含有ガスと空気とが混合する環状の混合室16内の混合ガスが集合して、環状の冷却路20に導入され拡散するための連通口23を有する。本連通口23は、酸化ガス供給路21の出口近傍に設けられている。これにより空気が変成触媒に触れる可能性をより低減でき、貴金属変成触媒の場合の水素酸化により水素量の減少の可能性、もしくは、銅―亜鉛系変成触媒の場合の触媒の酸化劣化の可能性が低減される水素生成装置を得ることができる。
In FIG. 3, in the second embodiment, the mixed gas in the annular mixing chamber 16 in which the hydrogen-containing gas sent from the
本発明の水素生成装置は、限られた空間内で変成器及びCO除去器をそれぞれ最適な温度に制御可能な一体型の水素生成装置であり、本装置を利用した家庭用燃料電池発電装置等に有用である。 The hydrogen generator of the present invention is an integrated hydrogen generator capable of controlling the transformer and the CO remover to an optimum temperature in a limited space, such as a domestic fuel cell power generator using this device. Useful for.
1、17、22 水素生成装置
2 バーナ
3 改質器
4 変成器
5 CO除去器
6 排気口
7 原料供給口
8 改質水供給口
9 細管
10 蒸発器
11 酸化ガス供給路
12 水素含有ガス出口
13 流通口
14 ヘッダー流路
15 断熱材
16 混合室
18 内筒
19 外筒
20 冷却路
21 酸化ガス供給路
23 連通口
30 燃料電池
1, 17, 22
Claims (5)
該第1のガス流路と伝熱可能な構成で前記第1のガス流路の外周に設けられ、前記改質器より送出される水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成器、ならびに該変成器より送出される水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するCO除去器を有する環状の第2のガス流路とを備え、
前記第2のガス流路は、前記CO除去器と前記混合ガス流路との間に前記変成器より送出された水素含有ガスが流れる環状の冷却路を有し、該冷却路を出た水素含有ガスが折り返して前記CO除去器に導入されるよう構成されていることを特徴とする水素生成装置。 An annular first gas flow path having a reformer that generates a hydrogen-containing gas from a raw material and steam by a reforming reaction, and a mixed gas flow path through which a mixed gas of the raw material and steam supplied to the reformer flows When,
A transformer provided on the outer periphery of the first gas flow path in a configuration capable of transferring heat to the first gas flow path, and for reducing carbon monoxide in the hydrogen-containing gas delivered from the reformer; and An annular second gas flow path having a CO remover for reducing carbon monoxide in the hydrogen-containing gas delivered from the transformer,
The second gas flow path has an annular cooling path through which the hydrogen-containing gas sent from the transformer flows between the CO remover and the mixed gas flow path, and hydrogen that has exited the cooling path. A hydrogen generating apparatus, wherein the gas contained is folded back and introduced into the CO remover.
該酸化ガス供給路の出口が、前記冷却路の入口近傍に設けられていることを特徴とする請求項1記載の水素生成装置。 An oxidizing gas supply path for supplying an oxidizing gas to the hydrogen-containing gas delivered from the transformer;
2. The hydrogen generator according to claim 1, wherein an outlet of the oxidizing gas supply path is provided in the vicinity of the inlet of the cooling path.
前記第2のガス流路は、前記水素含有ガスと前記酸化ガスが混合する環状の混合室を有し、前記混合室内の混合ガスが集合し、環状の前記冷却路に拡散するための連通口を有することを特徴とする請求項1記載の水素生成装置。 An oxidizing gas supply path for supplying an oxidizing gas to the hydrogen-containing gas delivered from the transformer;
The second gas flow path has an annular mixing chamber in which the hydrogen-containing gas and the oxidizing gas are mixed, and a communication port through which the mixed gas in the mixing chamber collects and diffuses into the annular cooling passage The hydrogen generator according to claim 1, comprising:
該酸化ガス供給路の出口が、前記連通口の近傍に設けられていることを特徴とする特許請求項1記載の水素生成装置。 An oxidizing gas supply path for supplying an oxidizing gas to the hydrogen-containing gas delivered from the transformer;
2. The hydrogen generator according to claim 1, wherein an outlet of the oxidizing gas supply path is provided in the vicinity of the communication port.
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