JP2008002748A - System and method for utilizing combustion heat of exhausted hydrogen gas - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排出水素ガスの燃焼熱利用システム及び方法に係り、特に、水素ガスを含む排出水素ガスを触媒燃焼せしめて処理する際に生ずる熱を有効に利用し得る技術に関するものである。 The present invention relates to a combustion heat utilization system and method for exhaust hydrogen gas, and more particularly to a technology that can effectively use heat generated when catalytic treatment is performed on exhaust hydrogen gas containing hydrogen gas.
よく知られているように、様々な装置や機構の中には、水素ガスが、単体で、或いは他のガスと混ざり合った状態で排出されるものがある。例えば、燃料電池システムや吸収式冷凍機、或いは水素元素を含む物質の電解処理装置等が、それである。これら各種の装置や機構から排出される、水素ガス、或いはそれを含む混合ガスからなる、所謂排出水素ガスは可燃性であり、そのまま大気中に排出されると極めて危険である。そのため、そのような排出水素ガスを生ずる装置や機構には、一般に、排出水素ガス処理装置が設置され、排出水素ガスが、かかる処理装置にて、安全上、問題のないように処理されてから、大気中に排出されるようになっている。 As is well known, in various devices and mechanisms, hydrogen gas is discharged alone or mixed with other gases. For example, a fuel cell system, an absorption refrigerator, an electrolytic treatment apparatus for a substance containing hydrogen element, or the like. The so-called exhaust hydrogen gas composed of hydrogen gas or a mixed gas containing it exhausted from these various devices and mechanisms is flammable and is extremely dangerous if exhausted as it is into the atmosphere. Therefore, in general, an exhaust hydrogen gas processing device is installed in an apparatus or mechanism that generates such exhaust hydrogen gas, and the exhaust hydrogen gas is processed in such a processing device so that there is no problem in terms of safety. It is designed to be discharged into the atmosphere.
そして、かかる排出水素ガス処理装置には、従来から各種の構造のものがある。例えば、燃料電池システムに設置される排出水素ガス処理装置としては、(ア)燃料電池のアノード電極側から排出される水素オフガスを、カソード電極側から排出される空気にて希釈して、大気中に排出するようにした構造を有するもの(例えば、下記特許文献1参照)や、(イ)水素オフガスを、カソード電極側からの排出空気の存在下で触媒に接触させて、触媒燃焼せしめるようにした構造を備えたもの(例えば、下記特許文献2参照)等が、知られている。それらの中でも、特に、(イ)の構造を有する排出水素ガス処理装置においては、排出水素ガスを燃焼させて、消費するものであるため、単に、排出水素ガスを希釈するだけの(ア)の構造を備えた装置に比して、排出ガス中の水素ガスの濃度を、より確実に低減せしめることが出来、しかも、排出水素ガスの燃焼が、比較的に燃焼温度が低い触媒燃焼によるものであることで、NOxの生成を有利に抑えつつ、安全に実施され得るといった優れた特徴が発揮され得るのである。 Such exhaust hydrogen gas treatment apparatuses have various structures. For example, as an exhaust hydrogen gas treatment device installed in a fuel cell system, (a) hydrogen off-gas exhausted from the anode electrode side of the fuel cell is diluted with air exhausted from the cathode electrode side, And (b) hydrogen off-gas is brought into contact with the catalyst in the presence of exhaust air from the cathode electrode side to cause catalytic combustion. The thing provided with the structure (for example, refer the following patent document 2) etc. are known. Among them, in particular, in the exhaust hydrogen gas treatment device having the structure (a), the exhaust hydrogen gas is burned and consumed, so that the exhaust hydrogen gas is simply diluted (a). Compared to devices with a structure, the concentration of hydrogen gas in exhaust gas can be reduced more reliably, and combustion of exhaust hydrogen gas is due to catalytic combustion with a relatively low combustion temperature. As a result, it is possible to exhibit an excellent feature that it can be safely performed while advantageously suppressing the generation of NOx.
ところで、それらの排出水素ガス処理装置が組み込まれる燃料電池システムでは、公知の如く、燃料電池による発電時に生ずる排熱が、従来から様々な用途に利用されている。一方、上記せる(イ)の構造を有する排出水素ガス処理装置においても、排出水素ガスの燃焼処理に際して、燃焼熱が不可避的に生ずることとなるが、この燃焼熱は、一部で、改質用原燃料や改質用空気を加熱する熱源等として利用されてはいる(例えば、下記特許3参照)ものの、通常では、処理装置の外壁部等を通じて放熱されるか、或いは燃焼排ガスと共に、大気中に放出されて、殆ど利用されていないのである。 By the way, in a fuel cell system in which these exhaust hydrogen gas treatment devices are incorporated, as is well known, exhaust heat generated during power generation by a fuel cell has been used for various purposes. On the other hand, in the exhaust hydrogen gas processing apparatus having the structure (a) described above, combustion heat is inevitably generated during the combustion process of the exhaust hydrogen gas. Although it is used as a heat source for heating raw fuel and reforming air (see, for example, Patent 3 below), it is usually dissipated through the outer wall of the processing apparatus or the like along with combustion exhaust gas. It is released in and is hardly used.
また、排出水素ガス処理装置において生ずる排出水素ガスの燃焼熱を改質用原燃料や改質用空気の加熱用熱源等として利用する、従来の排出水素ガスの燃焼熱利用システムにあっても、排出水素ガスの触媒燃焼によって生ずる燃焼排ガスと、改質用原燃料や改質用空気との間で熱交換を行うことで、かかる燃焼排ガスの熱が回収されるようになっているものの、排出水素ガスの触媒燃焼により加熱された触媒の熱は、全く回収されず、何等利用されていない。従って、このような従来の排出水素ガスの燃焼熱利用システムは、排出水素ガスの燃焼熱が十分に利用され得るものであるとは、到底言い難いものであったのである。 Further, even in the conventional exhaust hydrogen gas combustion heat utilization system that uses the combustion heat of the exhaust hydrogen gas generated in the exhaust hydrogen gas processing apparatus as a heat source for heating the raw fuel for reforming or reforming air, Although heat exchange is performed between the combustion exhaust gas generated by catalytic combustion of exhaust hydrogen gas and the raw fuel for reforming or reforming air, the heat of the combustion exhaust gas is recovered, The heat of the catalyst heated by the catalytic combustion of hydrogen gas is not recovered at all and is not utilized at all. Therefore, it is difficult to say that such a conventional exhaust hydrogen gas combustion heat utilization system can sufficiently utilize the combustion heat of the exhaust hydrogen gas.
ここにおいて、本発明は、上述せる如き事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、排出水素ガスを触媒燃焼せしめて処理する際に生ずる熱を、より効率的且つ有効に利用することが出来る排出水素ガスの燃焼熱利用システムと方法とを提供することにある。 Here, the present invention has been made in the background as described above, and the problem to be solved is that the heat generated when the exhaust hydrogen gas is treated by catalytic combustion is more efficiently used. Another object of the present invention is to provide a combustion heat utilization system and method for exhaust hydrogen gas that can be used effectively.
そして、本発明にあっては、かかる課題の解決のために、その要旨とするところは、各種の装置や機構から排出される水素ガスを含む排出水素ガスを、空気の存在下で触媒に接触させることにより、触媒燃焼せしめて処理する際に生ずる熱を利用するためのシステムであって、(a)ガス導入口とガス排出口とを有し、前記排出水素ガスと前記空気とが、該ガス導入口から導入されて、該ガス排出口に向かって内部を流通せしめられ得るように構成された反応室と、該反応室の内部に収容された、少なくとも一部分が前記触媒からなる反応粒子の多数と、該反応室の内部に、前記ガス導入口を通じて、前記排出水素ガスと前記空気とを吹き込んで、該反応室内の前記多数の反応粒子を流動化させることにより、 該反応室内に、該反応粒子の流動層を形成する流動層形成手段とを含み、該反応室内に形成された該反応粒子の流動層内で、前記排出水素ガスを触媒燃焼させるように構成された排出水素ガス処理装置と、(b)該排出水素ガス処理装置における前記反応室の内部に収容位置せしめられ、前記排出水素ガスの触媒燃焼により加熱された前記反応粒子や、該触媒燃焼により生ずる燃焼排ガスとの間で熱交換を行って、該反応粒子や該燃焼排ガスの熱を回収する熱交換媒体が、内部を流通せしめられ得るように構成された伝熱管と、(c)前記熱交換媒体を、前記伝熱管の一端側の開口部を通じて該伝熱管内に供給する熱交換媒体供給手段と、(d)前記伝熱管の前記一端側とは反対の端部側に設けられ、前記熱交換による熱の回収によって加温された前記熱交換媒体を、前記排出水素ガス処理装置における前記反応室の外部に導き出す熱交換媒体導出路と、(e)該熱交換媒体導出路にて前記反応室の外部に導出された前記熱交換媒体を利用するための熱交換媒体利用設備とを含んで構成したことを特徴とする排出水素ガスの燃焼熱利用システムにある。 In the present invention, in order to solve such a problem, the gist of the present invention is to contact exhaust hydrogen gas containing hydrogen gas exhausted from various devices and mechanisms with the catalyst in the presence of air. (A) a gas introduction port and a gas discharge port, wherein the exhaust hydrogen gas and the air are A reaction chamber configured to be introduced from the gas inlet and to be circulated in the interior toward the gas outlet, and at least a part of the reaction particles made of the catalyst contained in the reaction chamber. By blowing the discharged hydrogen gas and the air into the reaction chamber through the gas introduction port and fluidizing the many reaction particles in the reaction chamber, Reactive particles An exhaust hydrogen gas treatment device configured to catalytically combust the exhaust hydrogen gas in a fluidized bed of the reaction particles formed in the reaction chamber, b) Heat exchange is performed between the reaction particles that are accommodated in the reaction chamber of the exhaust hydrogen gas treatment device and heated by catalytic combustion of the exhaust hydrogen gas, and combustion exhaust gas generated by the catalyst combustion. A heat transfer medium configured such that a heat exchange medium for recovering heat of the reaction particles and the combustion exhaust gas can be circulated therein; and (c) the heat exchange medium is connected to one end side of the heat transfer pipe. A heat exchange medium supply means for supplying the heat transfer tube into the heat transfer tube through an opening of the heat transfer tube, and (d) provided on the end portion side opposite to the one end side of the heat transfer tube and heated by recovery of heat by the heat exchange. The heat exchange medium A heat exchange medium lead-out path led out of the reaction chamber in the exhaust hydrogen gas treatment device; and (e) heat for using the heat exchange medium led out of the reaction chamber in the heat exchange medium lead-out path It is in the combustion heat utilization system of exhaust hydrogen gas characterized by including an exchange medium utilization facility.
すなわち、この本発明に従う排出水素ガスの燃焼熱利用システムにあっては、排出水素ガス処理装置の反応室内に形成される反応粒子の流動層内で、排出水素ガスが触媒燃焼せしめられるようになっており、また、そのような流動層が形成される反応室内に、熱交換媒体が内部を流通せしめられる伝熱管が収容位置せしめられているところから、伝熱管が、かかる流動層内で、排出水素ガスの触媒燃焼により生ずる燃焼排ガスと、かかる触媒燃焼により加熱された多数の反応粒子とに対して、それぞれ十分に接触されるようになる。それによって、排出水素ガスの触媒燃焼時に、伝熱管内を流通せしめられる熱交換媒体と燃焼排ガスとの間だけでなく、かかる熱交換媒体と加熱された多数の反応粒子との間でも、極めて十分に且つ確実に熱交換が行われて、それら燃焼排ガスと加熱された多数の反応粒子とがそれぞれ有する熱が、有利に回収され得る。 That is, in the exhaust hydrogen gas combustion heat utilization system according to the present invention, the exhaust hydrogen gas can be catalytically combusted in the fluidized bed of the reaction particles formed in the reaction chamber of the exhaust hydrogen gas processing device. In addition, since the heat transfer tube in which the heat exchange medium is circulated is placed in the reaction chamber in which such a fluidized bed is formed, the heat transfer tube is discharged in the fluidized bed. The combustion exhaust gas generated by catalytic combustion of hydrogen gas and a large number of reaction particles heated by the catalytic combustion are sufficiently brought into contact with each other. As a result, during catalytic combustion of exhaust hydrogen gas, not only between the heat exchange medium circulated in the heat transfer pipe and the combustion exhaust gas, but also between the heat exchange medium and a large number of heated reaction particles is extremely sufficient. In addition, heat exchange is performed reliably, and the heat of each of the flue gas and the heated reaction particles can be advantageously recovered.
しかも、反応粒子の流動層が、排出水素ガス処理装置の反応室内への排出水素ガスと空気の吹込みによって形成されるため、そのような流動層内で、排出水素ガスと全ての反応粒子とが、十分に且つ効率的に接触せしめられて、排出水素ガスの触媒燃焼が、反応室内の略全体で、全ての反応粒子を利用して、均一に且つ効率的に惹起され、それによって、反応室内の全体の温度が可及的に均一化される。それ故、かかる反応室内に収容された伝熱管の全体に亘って、燃焼排ガスや加熱された反応粒子と熱交換媒体との間の熱交換が、効率的に行われ得る。 In addition, since the fluidized bed of reactive particles is formed by blowing the exhausted hydrogen gas and air into the reaction chamber of the exhausted hydrogen gas treatment device, the exhausted hydrogen gas and all the reactive particles Are contacted sufficiently and efficiently, and catalytic combustion of the exhaust hydrogen gas is caused uniformly and efficiently by utilizing all the reaction particles almost entirely in the reaction chamber, whereby the reaction The overall temperature in the room is made as uniform as possible. Therefore, heat exchange between the combustion exhaust gas and the heated reaction particles and the heat exchange medium can be efficiently performed over the entire heat transfer tube accommodated in the reaction chamber.
従って、かくの如き本発明に従う排出水素ガスの燃焼熱利用システムにあっては、排出水素ガスを触媒燃焼せしめて処理する際に生ずる熱を、極めて効率的に回収して、より有効に利用することが出来るのである。 Therefore, in the exhaust gas combustion heat utilization system according to the present invention as described above, the heat generated when the exhaust hydrogen gas is catalytically burned and processed is recovered extremely efficiently and used more effectively. It can be done.
ところで、本発明は、少なくとも、以下に列挙する如き各種の態様において、好適に実施され得るものである。 By the way, the present invention can be suitably implemented at least in various aspects as listed below.
<1> 各種の装置や機構から排出される水素ガスを含む排出水素ガスを、空気の存在下で触媒に接触させることにより、触媒燃焼せしめて処理する際に生ずる熱を利用するためのシステムであって、(a)ガス導入口とガス排出口とを有し、前記排出水素ガスと前記空気とが、該ガス導入口から導入されて、該ガス排出口に向かって内部を流通せしめられ得るように構成された反応室と、該反応室の内部に収容された、少なくとも一部分が前記触媒からなる反応粒子の多数と、該反応室の内部に、前記ガス導入口を通じて、前記排出水素ガスと前記空気とを吹き込んで、該反応室内の前記多数の反応粒子を流動化させることにより、 該反応室内に、該反応粒子の流動層を形成する流動層形成手段とを含み、該反応室内に形成された該反応粒子の流動層内で、前記排出水素ガスを触媒燃焼させるように構成された排出水素ガス処理装置と、(b)該排出水素ガス処理装置における前記反応室の内部に収容位置せしめられ、前記排出水素ガスの触媒燃焼により加熱された前記反応粒子や、該触媒燃焼により生ずる燃焼排ガスとの間で熱交換を行って、該反応粒子や該燃焼排ガスの熱を回収する熱交換媒体が、内部を流通せしめられ得るように構成された伝熱管と、(c)前記熱交換媒体を、前記伝熱管の一端側の開口部を通じて該伝熱管内に供給する熱交換媒体供給手段と、(d)前記伝熱管の前記一端側とは反対の端部側に設けられ、前記熱交換による熱の回収によって加温された前記熱交換媒体を、前記排出水素ガス処理装置における前記反応室の外部に導き出す熱交換媒体導出路と、(e)該熱交換媒体導出路にて前記反応室の外部に導出された前記熱交換媒体を利用するための熱交換媒体利用設備とを含んで構成したことを特徴とする排出水素ガスの燃焼熱利用システム。 <1> A system for utilizing the heat generated when a catalyst is combusted and processed by bringing exhaust hydrogen gas containing hydrogen gas discharged from various devices and mechanisms into contact with the catalyst in the presence of air. And (a) having a gas inlet and a gas outlet, and the discharged hydrogen gas and the air can be introduced from the gas inlet and circulated through the interior toward the gas outlet. A reaction chamber configured as described above, a large number of reaction particles at least partially made of the catalyst housed in the reaction chamber, and the exhaust hydrogen gas through the gas inlet into the reaction chamber. A fluidized bed forming means for forming a fluidized bed of the reaction particles in the reaction chamber by fluidizing the numerous reaction particles in the reaction chamber by blowing the air, and formed in the reaction chamber The reaction particles made An exhaust hydrogen gas treatment device configured to catalytically combust the exhaust hydrogen gas in a fluidized bed of a child; and (b) the exhaust hydrogen gas treatment device is accommodated in the reaction chamber of the exhaust hydrogen gas treatment device, and the exhaust A heat exchange medium for performing heat exchange between the reaction particles heated by catalytic combustion of hydrogen gas and the combustion exhaust gas generated by the catalyst combustion, and recovering heat of the reaction particles and the combustion exhaust gas, A heat transfer tube configured to be circulated, (c) heat exchange medium supply means for supplying the heat exchange medium into the heat transfer tube through an opening on one end side of the heat transfer tube, and (d) the above Heat that is provided on the end side opposite to the one end side of the heat transfer tube, and that guides the heat exchange medium heated by the recovery of heat by the heat exchange to the outside of the reaction chamber in the exhaust hydrogen gas treatment device. Derivation of exchange media And (e) a heat exchange medium utilization facility for utilizing the heat exchange medium led out of the reaction chamber through the heat exchange medium lead-out path. Combustion heat utilization system.
<2> 上記せる態様<1>において、前記熱交換媒体が、熱交換水であること。この本態様によれば、熱交換水を、例えば、給湯設備から供給される温水(湯)として、有効利用することが出来る。 <2> In aspect <1> described above, the heat exchange medium is heat exchange water. According to this aspect, the heat exchange water can be effectively used, for example, as hot water (hot water) supplied from a hot water supply facility.
<3> 上記せる態様<1>又は態様<2>において、前記排出水素ガスが、燃料電池のアノード電極側から排出される水素オフガスであること。かかる本態様によれば、燃料電池のアノード電極側から排出される水素オフガスを触媒燃焼により処理した際に生ずる燃焼熱を、より効率的に且つ有効に利用することが可能となる。 <3> In the above aspect <1> or aspect <2>, the exhaust hydrogen gas is a hydrogen off-gas exhausted from the anode electrode side of the fuel cell. According to this aspect, it is possible to more efficiently and effectively use the combustion heat generated when the hydrogen off-gas discharged from the anode electrode side of the fuel cell is treated by catalytic combustion.
<4> 上記態様<1>乃至態様<3>のうちの何れか一つにおいて、前記排出水素ガス処理装置における前記反応室内に収容される前記反応粒子が、前記触媒とは異なる材料からなる粒状担体に、該触媒が担持されて構成されていること。この本態様によれば、一つの反応粒子が有する触媒の表面積、つまり、かかる触媒の排出水素ガスとの接触面積を有利に増大させることが出来、それによって、排出水素ガスを、より効率的に燃焼処理することが可能となる。その結果として、そのような水素オフガスの燃焼処理によって生ずる燃焼熱の効率的な回収も有利に実現され得て、かかる排出水素ガスの燃焼熱の有効利用が、更に有利に促進され得る。 <4> In any one of the above aspects <1> to <3>, the reaction particles accommodated in the reaction chamber in the exhaust hydrogen gas treatment device are made of a material different from the catalyst. The catalyst is supported on a support. According to this aspect, it is possible to advantageously increase the surface area of the catalyst that one reactive particle has, that is, the contact area of the catalyst with the exhaust hydrogen gas, and thereby the exhaust hydrogen gas can be more efficiently Combustion processing can be performed. As a result, efficient recovery of the combustion heat generated by such a hydrogen off-gas combustion process can also be realized advantageously, and the effective use of the combustion heat of such exhaust hydrogen gas can be further advantageously promoted.
<5> 上記せる態様<4>において、前記粒状担体が、外部に連通する連通孔を多数備えた粒状多孔質体からなり、前記触媒が、該粒状多孔質体の外面と該連通孔の内面とに、それぞれ担持されていること。かかる本態様によれば、一つの反応粒子が有する触媒の総数を有利に増大させることが出来、これによっても、排出水素ガスの燃焼処理の更なる効率化を効果的に実現することが可能となり、以て、排出水素ガスの燃焼熱の有効利用が、更に促進され得る。 <5> In the aspect <4> described above, the granular carrier is composed of a granular porous body having a large number of communication holes communicating with the outside, and the catalyst includes an outer surface of the granular porous body and an inner surface of the communication hole. In addition, it must be supported respectively. According to this embodiment, the total number of catalysts of one reactive particle can be advantageously increased, and this also makes it possible to effectively realize further efficiency of the exhaust hydrogen gas combustion treatment. Thus, the effective use of the combustion heat of the exhaust hydrogen gas can be further promoted.
<6> 上記の態様<1>乃至態様<5>のうちの何れか一つにおいて、前記触媒とは別の材料からなる、高い熱伝導率を備えた伝熱粒子が、前記排出水素ガス処理装置における前記反応室の内部に、前記反応粒子と共に多数収容されていること。このような本態様によれば、反応室内に形成される流動層において、例えば、反応室内での良好な熱伝達性を確保するのに十分な流動性を確保するために、反応粒子、つまり触媒を、排出水素ガスとの燃焼反応に要される量を超えて、余分に使用する必要が解消され得る。そして、伝熱粒子の材料として、触媒よりも安価な材料を用いれば、排出水素ガス処理装置、ひいては排出水素ガスの燃焼熱利用システム全体の製造コストやランニングコストの低下が、有利に達成され得る。 <6> In any one of the above aspects <1> to <5>, the heat transfer particles having a high thermal conductivity made of a material different from the catalyst are the exhaust hydrogen gas treatment. A large number of the reaction particles are accommodated in the reaction chamber of the apparatus. According to this embodiment, in the fluidized bed formed in the reaction chamber, for example, in order to ensure sufficient fluidity to ensure good heat transfer in the reaction chamber, the reaction particles, that is, the catalyst Need to be used in excess of the amount required for the combustion reaction with the exhaust hydrogen gas. If a material cheaper than the catalyst is used as the material for the heat transfer particles, the manufacturing cost and running cost of the exhaust hydrogen gas treatment device, and thus the exhaust hydrogen gas combustion heat utilization system as a whole, can be advantageously reduced. .
<7> 上記の態様<6>において、前記伝熱粒子が、外部に連通する連通孔を多数備えた粒状多孔質体にて構成されていること。この本態様によれば、伝熱粒子が有利に軽量化されると共に、表面積の増大が図られ、それにより、流動層において、より良好な流動性と優れた伝熱性が確保され得る。その結果として、水素オフガスの燃焼処理によって生ずる燃焼熱が、効率的に回収され得て、排出水素ガスの燃焼熱の有効利用が、更に有利に促進され得る。 <7> Said aspect <6> WHEREIN: The said heat-transfer particle is comprised with the granular porous body provided with many communicating holes connected to the exterior. According to this aspect, the heat transfer particles are advantageously reduced in weight, and the surface area is increased, so that better fluidity and excellent heat transfer can be ensured in the fluidized bed. As a result, the combustion heat generated by the combustion treatment of the hydrogen off gas can be efficiently recovered, and the effective utilization of the combustion heat of the exhaust hydrogen gas can be further advantageously promoted.
<8> 上記せる態様<1>乃至態様<7>のうちの何れか一つにおいて、前記排出水素ガスと前記空気とを、前記ガス導入口を通じて、前記排出水素ガス処理装置における前記反応室内に導入する前に合流させる合流手段と、該合流手段により合流せしめられて、該ガス導入口から該反応室内に導入された該排出水素ガスと該空気との合流ガスを、分散させた状態で、該反応室内を流通せしめるように為す分散手段とが、更に設けられていること。かかる本態様によれば、反応室内の全体に、排出水素ガスと空気とが混合せしめられた状態で均一に分散せしめられ、それによって、かかる反応室内に形成される流動層内での排出水素ガスと反応粒子との燃焼反応、つまり、排出水素ガスの燃焼処理が、より効率的に進められ得ることとなる。これによっても、排出水素ガスの燃焼熱の有効利用が、更に有利に促進され得る。 <8> In any one of the modes <1> to <7> described above, the exhaust hydrogen gas and the air are passed through the gas inlet into the reaction chamber of the exhaust hydrogen gas processing apparatus. In a state in which the combined gas of the discharged hydrogen gas and the air, which are merged by the merging unit and introduced into the reaction chamber from the gas introduction port, is dispersed, and the merging unit that merges before introduction. Dispersing means for allowing the reaction chamber to circulate is further provided. According to this embodiment, the exhaust hydrogen gas and air are uniformly dispersed in a mixed state throughout the reaction chamber, whereby the exhaust hydrogen gas in the fluidized bed formed in the reaction chamber. And the reaction reaction between the reaction particles, that is, the combustion treatment of the exhaust hydrogen gas can be more efficiently advanced. Also by this, the effective use of the combustion heat of the exhaust hydrogen gas can be further advantageously promoted.
<9> 上記の態様<1>乃至態様<8>のうちの何れか一つにおいて、前記反応室が、前記多数の反応粒子を内部から取り出すための取出口を有し、且つ前記流動層の形成状態下における該反応粒子の該取出口からの離脱が阻止されるように構成されていること。このような本態様によれば、例えば、装置の長期使用等により、反応室内に収容された反応粒子の触媒性能が低下したときに、そのような反応粒子を反応室内から取り出して、十分な触媒性能を有する新たな反応粒子に交換することが、容易に行われ得る。それによって、反応粒子を交換するだけの可及的に低いコストで、排出水素ガスの良好な処理性能を安定的に維持することが出来、以て、排出水素ガスの燃焼熱が、更に安定的に有効利用され得ることとなる。 <9> In any one of the above aspects <1> to <8>, the reaction chamber has an outlet for taking out the plurality of reaction particles from the inside, and the fluidized bed The reaction particles are configured to be prevented from being detached from the outlet in the formed state. According to this embodiment, for example, when the catalytic performance of the reaction particles accommodated in the reaction chamber is reduced due to long-term use of the apparatus, such reaction particles are taken out from the reaction chamber, and sufficient catalyst is obtained. Replacing with new reactive particles with performance can be easily performed. As a result, good treatment performance of the exhaust hydrogen gas can be stably maintained at as low a cost as possible by exchanging the reaction particles, so that the combustion heat of the exhaust hydrogen gas is more stable. Can be used effectively.
<10> 各種の装置や機構から排出される水素ガスを含む排出水素ガスを、空気の存在下で触媒に接触させることにより、触媒燃焼せしめて処理する際に生ずる熱を利用する方法であって、少なくとも一部分が前記触媒からなる反応粒子の多数が収容された反応室内に、伝熱管を収容位置せしめた状態で、前記排出水素ガスと前記空気とを吹き込むことにより、該反応室内の前記多数の反応粒子を流動化させて、該反応室内に、該反応粒子の流動層を形成すると共に、かかる流動層内で該排出水素ガスを触媒燃焼せしめて、処理する一方、前記伝熱管内に熱交換媒体を供給して、前記排出水素ガスの触媒燃焼により加熱された前記反応粒子と該熱交換媒体との間や、該触媒燃焼により生ずる燃焼排ガスと該熱交換媒体との間で熱交換を行って、該反応粒子や該燃焼排ガスの熱を回収した後、かかる熱交換による熱の回収によって加温された熱交換媒体を、該反応室の外部に導き出して、利用するようにしたことを特徴とする排出水素ガスの燃焼熱利用方法。 <10> A method of utilizing heat generated when a catalyst is combusted and processed by bringing exhaust hydrogen gas including hydrogen gas discharged from various devices and mechanisms into contact with the catalyst in the presence of air. The exhausted hydrogen gas and the air are blown into the reaction chamber in which a large number of reaction particles, at least a part of which are made of the catalyst, are accommodated, and the heat transfer tube is accommodated. The reaction particles are fluidized to form a fluidized bed of the reaction particles in the reaction chamber, and the exhaust hydrogen gas is catalytically combusted and processed in the fluidized bed, while heat exchange is performed in the heat transfer tube. Supplying a medium, heat exchange is performed between the reaction particles heated by catalytic combustion of the exhaust hydrogen gas and the heat exchange medium, or between combustion exhaust gas generated by the catalytic combustion and the heat exchange medium. The heat exchange medium heated by the heat recovery by the heat exchange after recovering the heat of the reaction particles and the combustion exhaust gas is led out of the reaction chamber and used. To use combustion heat of exhaust hydrogen gas.
この本態様においては、伝熱管が、反応粒子の流動層内で、排出水素ガスの触媒燃焼により生ずる燃焼排ガスと、かかる触媒燃焼により加熱された多数の反応粒子とに対して、それぞれ十分に接触せしめられる。しかも、排出水素ガスの触媒燃焼が、反応室内の略全体で、全ての反応粒子を利用して、均一に且つ効率的に惹起され、それによって、反応室内の全体の温度が可及的に均一化される。それによって、燃焼排ガスや加熱された反応粒子と熱交換媒体との間の熱交換が、伝熱管の全体に亘って、より十分に且つ効率的に行われて、それら燃焼排ガスと加熱された多数の反応粒子とがそれぞれ有する熱が、更に有利に回収され得る。 In this embodiment, the heat transfer tube makes sufficient contact with the combustion exhaust gas generated by catalytic combustion of exhaust hydrogen gas and a large number of reactive particles heated by the catalytic combustion in the fluidized bed of reactive particles. I'm damned. In addition, catalytic combustion of the exhaust hydrogen gas is induced uniformly and efficiently using all the reaction particles in almost the entire reaction chamber, thereby making the entire temperature in the reaction chamber as uniform as possible. It becomes. As a result, the heat exchange between the combustion exhaust gas and the heated reaction particles and the heat exchange medium is performed more fully and efficiently throughout the heat transfer tube, and a large number of those heated with the combustion exhaust gas are heated. The heat of each of the reactive particles can be recovered more advantageously.
従って、かくの如き本態様によれば、排出水素ガスを触媒燃焼せしめて処理する際に生ずる熱が、極めて効率的に回収されて、より有効に利用され得るのである。 Therefore, according to this embodiment as described above, the heat generated when the exhaust hydrogen gas is subjected to catalytic combustion and processed can be recovered very efficiently and used more effectively.
<11> 上記せる態様<10>において、前記熱交換媒体が、熱交換水であること。この本態様によれば、熱交換水を、例えば、給湯設備から供給される湯として、有効利用することが出来る。 <11> In the aspect <10> described above, the heat exchange medium is heat exchange water. According to this aspect, the heat exchange water can be effectively used as, for example, hot water supplied from a hot water supply facility.
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。 Hereinafter, in order to clarify the present invention more specifically, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
先ず、図1には、本発明に従う構造を有する排出水素ガスの燃焼熱利用システムの一実施形態における全体構成が、概略的に示されている。かかる図1において、10は、燃料電池であって、図示しないアノード電極とカソード電極とを備えた公知の発電構造を有している。
First, FIG. 1 schematically shows the overall configuration of an embodiment of a combustion heat utilization system for exhaust hydrogen gas having a structure according to the present invention. In FIG. 1,
すなわち、この燃料電池10にあっては、高圧水素タンク12とエアポンプ14とが、水素ガス供給路16と空気供給路18とを介して、それぞれ接続されており、それによって、高圧の原料水素ガスが、水素ガス供給路16を通じて、高圧水素タンク12から燃料電池10のアノード電極に供給される一方、加圧空気が、空気供給路18を通じて、エアポンプ14から燃料電池10のカソード電極に供給されるようになっている。そして、それらアノード電極とカソード電極との間で、各電極に供給された原料水素ガスと空気中の酸素とを用いた公知の電極反応が惹起されることで、所定大きさの電力が発生せしめられるようになっているのである。
That is, in the
また、かかる燃料電池10には、アノード配管20とカソード配管22とが、更に接続されている。そして、アノード電極側から排出される、未反応の水素ガスを含む水素オフガス(排出水素ガス)と、カソード電極側から排出される、空気を含む空気オフガスとが、アノード配管20とカソード配管22とを通じて、それぞれ外部に導き出されるようになっている。
Further, an
さらに、アノード配管20の途中には、電磁バルブ等の開閉弁21が設けられている。また、かかるアノード配管20における開閉弁21よりも水素オフガス流通方向上流側には、アノード配管20と水素ガス供給路16とを連結する連結路24が設けられ、更に、この連結路24の途中には、循環ポンプ26が設置されている。
Further, an on-off valve 21 such as an electromagnetic valve is provided in the middle of the
かくして、ここでは、開閉弁21の閉作動状態下で、循環ポンプ26が作動せしめられることにより、アノード配管20を通じて外部に導き出された未反応の水素ガスを含む水素オフガスが、連結路24と水素ガス供給路16とを通じて、アノード電極に再び供給せしめられて、循環させられるようになっている。そして、開閉弁21が定期的に開作動せしめられることにより、パージ操作が行われ、その際に、アノード配管20と連結路24と水素ガス供給路16とを通じて循環せしめられる水素オフガスが、アノード配管20における開閉弁21よりも水素オフガス流通方向下流側に向かって、間欠的に送り出され、以て、かかるアノード配管20内を、その先端側に向かって、流通せしめられるようになっている。また、エアポンプ14の作動状態下で、空気オフガスが、カソード配管22内を、その先端側に向かって、常時、流通せしめられるようになっている。
Thus, here, when the circulating
そして、本実施形態の燃焼熱利用システムにおいては、上記の如き燃料電池10から排出される水素オフガスを触媒燃焼せしめて処理するための排出水素ガス処理装置たる水素オフガス処理装置28が、アノード配管20とカソード配管22とに接続された状態で、組み込まれている。
In the combustion heat utilization system of the present embodiment, the hydrogen off-
より具体的には、かかる水素オフガス処理装置28は、図2に示されるように、筒状収容体30と蓋体32とを備えた装置本体34を有して、構成されている。この装置本体34を構成する筒状収容体30は、下側底部36と上方に向かって開口する上側開口部38とを更に備えた、片側有底の円筒形状を呈する金属製筒体からなっている。また、蓋体32は、筒状収容体30の上側開口部38よりも一周り大きな径を有する金属製円板からなっている。
More specifically, as shown in FIG. 2, the hydrogen off-
そして、かかる蓋体32が、その下面の外周部において、筒状収容体30の上端側外周面に一体形成された円環板状の外フランジ部40に重ね合わされることで、筒状収容体30の上側開口部38を覆蓋せしめるように位置せしめられており、また、そのような配置状態下で、蓋体32と筒状収容体30とが、互いの重合せ部位同士において溶接等されることによって、一体的に且つ流体密に接合されている。
And this lid body 32 is piled up by the annular-plate-shaped
すなわち、水素オフガス処理装置28の装置本体34は、筒状収容体30と蓋体32との一体接合品からなる両側有底の金属製円筒体にて構成されており、また、そのような装置本体34の内部空間が、後述する如く、燃料電池10のアノード電極側から排出される水素オフガスの触媒燃焼(燃焼反応)が惹起される反応室42とされている。
That is, the apparatus
そして、かかる反応室42内には、水素オフガスと接触反応せしめられる微細な反応粒子44が、多数収容されている。この反応粒子44は、図3に模式的に示されるように、微粒子形態を呈する粒状触媒46の多数が、それよりも十分に大きな粒径を有する粒状担体48に担持されて、構成されている。
The
つまり、ここでは、粒状担体48が、外部に連通する連通孔50を多数備えた粒状多孔質体からなっており、そして、この粒状多孔質体からなる粒状担体48の表面や連通孔50の内面等に対して、粒状触媒46が、付着される等して、より多くの量において担持されて、反応粒子44が、形成されているのである。これにより、反応室42内において、後述する流動層を形成するのに適切な粒径を備えた反応粒子44の1個のものが、1個の粒状触媒46にて形成される場合に比して、かかる1個の反応粒子44が有する粒状触媒46の全表面積が、より大きく為され得るようになっている。なお、このような構造を有する反応粒子44は、例えば、多数の粒状触媒46が分散せしめられた分散液中に、粒状担体48を浸漬した後、これを取り出して、乾燥するといった操作を行う従来より公知の手法によって、容易に形成され得る。
That is, here, the
また、そこにおいて、粒状触媒46は、空気の存在下で、水素ガスとの接触により、それを触媒燃焼させ得る公知の触媒を用いて、形成されている。この粒状触媒46を構成する触媒の種類は、特に限定されるものではなく、公知のものの中から適宜に選択される。即ち、例えば、白金、パラジウム等の貴金属触媒や酸化コバルト等の非金属触媒等の中から選択された1種のものが、単独で、或いは複数種類のものが、種々組み合わされて、粒状触媒46の形成材料として、使用されるのである。
In addition, the
粒状担体48も、その材質が、特に限定されるものではなく、上記に例示される如き種類の触媒からなる粒状触媒46を担持し得るものであれば、如何なる材質のものも、用いられ得る。そして、ここでは、かかる粒状担体48の形成材料として、優れた成形性や高い熱伝導率を備え、しかも十分な強度を有する点から、アルミナ等からなるセラミックス粒子が、好適に用いられている。
The material of the
かくして、反応粒子44にあっては、後述する如く、燃料電池10のアノード電極側から排出された水素オフガスが、燃料電池10のカソード電極側から排出された空気オフガスと共に、反応室42内に吹き込まれることで、反応室42内において容易に流動化せしめられると共に、そのような流動状態で、反応粒子44の粒状触媒46が、十分に大きな面積を有する表面の全体において、水素オフガスと接触して、この水素オフガスを触媒燃焼させ得るようになっている。
Thus, in the
なお、このような反応粒子44の大きさは、何等限定されるものではなく、反応室42内に吹き込まれる水素オフガスや空気オフガスによって容易に流動化される得る大きさとされておれば良い。即ち、その点からして、反応粒子44の平均粒径は、反応室42内に吹き込まれる水素オフガスや空気オフガスの流速等に応じて、適宜に決定されるところではあるものの、一般的には、100〜200μm程度とされる。また、粒状触媒46の大きさも、特定されるものではなく、粒状担体48に対して、より多くの量において確実に担持され、しかも表面積の総合計がより大きくなるように、十分に小さくされていることが、望ましい。なお、図3においては、反応粒子44、更には後述する伝熱粒子52が、それらの流動状態を明確に示すために、それら反応粒子44と伝熱粒子52とが、実際よりも極端に大きく、誇張されて示されていることが理解されるべきである。
The size of the
また、図2から明らかなように、装置本体34の反応室42内には、多数の反応粒子44と共に、伝熱粒子52が、多数収容されている。この伝熱粒子52は、図示されてはいないものの、反応粒子44の粒状担体48と同様に、外部に連通する連通孔を多数備えた粒状多孔質体にて構成されて、表面積が有利に大きくされている。そして、ここでは、かかる伝熱粒子52の形成材料として、アルミナ等のセラミックス材料が用いられており、それによって、伝熱粒子52において、高い熱伝導率が具備せしめられていると共に、十分な強度と良好な成形性とが確保されている。
As apparent from FIG. 2, a large number of
かくして、かかる伝熱粒子52の多数のものにあっても、水素オフガスと空気オフガスの反応室42内への吹込みより、反応室42内で、多数の反応粒子44と共に、容易に流動化せしめられるようになっている。これにより、本実施形態では、反応室42内に収容される反応粒子44の個数を可及的に少ない数に抑えた上で、反応室42内に、良好な流動性を有する流動層が確実に形成されるようになっている。また、それに加えて、流動化された多数の伝熱粒子52が、水素オフガスの触媒燃焼により生ずる燃焼熱によって加熱された反応粒子44や、かかる触媒燃焼よって生ずる燃焼排ガスと効率的に接触せしめられて、それらの反応粒子44や燃焼排ガスから熱を受け取り、以て、反応室42全体の内部温度を、可及的に均一化せしめ得るようになっている。
Thus, even a large number of the
なお、この伝熱粒子52の形成材料は、高い熱伝導率を有するものであれば、何等限定されるものではないものの、そのような材料の中でも、例示のセラミックス材料の他、珪砂やシラスバルーン等が、優れた強度や軽量性を発揮し得る点等から、好適に使用される。また、かかる伝熱粒子52の大きさも、上記せる反応粒子44と同様に、特に限定されるものではなく、流動化が容易となるように、反応室42内に吹き込まれる水素オフガスや空気オフガスの流速等に応じて、適宜に決定されるところではあるものの、一般には、100〜200μm程度とされる。
The material for forming the
そして、かかる水素オフガス処理装置28にあっては、多数の反応粒子44と伝熱粒子52とが収容された装置本体34における蓋体32の中心部に、それを板厚方向に貫通する円形のガス排出口54が、穿設されている。また、蓋体32の上面には、ガス排出口54の径と同一の内径を有する円筒状の排出管接続筒部56が、ガス排出口54と同軸的に位置する状態で、ガス排出口54の開口周縁部から上方に所定高さをもって突出するように、一体形成されている。これによって、装置本体34内の反応室42が、その上部側において、ガス排出口42と排出管接続筒部56の内孔とを通じて、外部に連通せしめられている。また、かかる排出管接続筒部56には、排出管58が接続されている。この排出管58は、排出管接続筒部56への接続側とは反対側の先端部において、大気中に開口せしめられている。
In the hydrogen off-
さらに、ここでは、このガス排出口54を通じて、反応粒子44と伝熱粒子52とが出入れされ得るようになっている。即ち、ガス排出口54が、反応粒子44や伝熱粒子52の取出口とされている。なお、本実施形態においては、かかるガス排出口54が、装置本体34の上端部に形成された蓋体32に設けられているため、後述するように、反応粒子44と伝熱粒子52とが、反応室42内への水素オフガスと空気オフガスの吹込みにより流動化せしめられても、それらの粒子44,52が、ガス排出口54を通じて外部に飛び出して、反応室42内から離脱せしめられるようなことが、未然に阻止され得るようになっている。
Further, here, the
一方、装置本体34における筒状収容体30の下側底部36の中心部には、それを板厚方向に貫通するガス導入口60が、穿設されている。このガス導入口60は、前記ガス排出口54よりも十分に大きな径で、且つ下側底部36よりも一周り小さな径を有する円形状を呈している。
On the other hand, a
そして、かかるガス導入口60には、筒状ジョイント62が、接続されている。この筒状ジョイント62は、ガス導入口60内に挿入可能な比較的に大きな外径と低い高さとを有する円筒部64と、この円筒部64の下側開口部を閉塞する底部66とを一体的に備えた片側有底円筒状の全体形状を呈している。
A cylindrical joint 62 is connected to the
また、かかる筒状ジョイント62の円筒部64にあっては、その内部空間が合流空間68とされており、更に、この合流空間68の上部部位には、分散手段としての分散板70が、固設されている。この分散板70は、流動層を形成する流動層装置等において一般的に使用されるものと同様な構造を有している。例えば、セラミックス材料や金属材料等の耐熱性材料からなる平板の全体に、板厚方向に貫通する微細な通孔が多数設けられて、一方の面に向かって吹き付けられたガスが、それら多数の通孔を通じて、他方の面の前面から均一に吹き出され得るようにされた構造を、有している。そして、このような分散板70が、筒状ジョイント62における円筒部64の内部に、下面を合流空間68内に露呈させた状態で、円筒部64の上側開口部を覆蓋するようにして、位置固定に配設されているのである。
Further, in the
一方、筒状ジョイント62の底部66には、それを板厚方向に貫通する小径の水素オフガス導入口72と大径の空気オフガス導入口74とが、径方向に並んで位置するようにして、穿設されている。更に、かかる底部66の下面には、水素オフガス導入口72の径と同一の内径を有する小径円筒状のアノード配管接続筒部76が、水素オフガス導入口72と同軸的に位置する状態で、また、空気オフガス導入口74の径と同一の内径を有する大径円筒状のカソード配管接続筒部78が、空気オフガス導入口74と同軸的に位置する状態で、それぞれ、水素オフガス導入口72や空気オフガス導入口74の各開口周縁部から下方に所定高さをもって突出するように、一体形成されている。
On the other hand, at the bottom 66 of the cylindrical joint 62, a small-diameter hydrogen off-
そして、かかる筒状ジョイント62が、円筒部64の上端部において、装置本体34のガス導入口60内に挿入されて、それら円筒部64の上端部の外周面と装置本体34のガス導入口60の内周面との間が、溶接等により、一体的に且つ流体密に接合されているのである。これにより、装置本体34内の反応室42と筒状ジョイント62の内部空間とが互いに連通せしめられて、かかる反応室42が、その下部側において、筒状ジョイント62における合流空間68と、水素オフガス導入口72及びアノード配管接続筒部76の内孔と、空気オフガス導入口74及びカソード配管接続筒部78の内孔とを通じて、外部に連通せしめられている。
The cylindrical joint 62 is inserted into the
而して、そのようにして装置本体34に接続された筒状ジョイント62のアノード配管接続筒部76に対して、燃料電池10のアノード電極側から延出せしめられて、アノード電極側から排出される水素オフガスが内部を流通せしめられるアノード配管20が、その先端部において接続されている。また、筒状ジョイント62のカソード配管接続筒部78には、燃料電池のカソード電極側から延出せしめられて、カソード電極側から排出される空気オフガスが内部を流通せしめられるカソード配管22が、その先端部において接続されている。
Thus, the anode pipe
かくして、かくの如き構造とされた水素オフガス処理装置28を有する本実施形態の燃焼熱利用システムにあっては、燃料電池10のカソード電極に空気を供給するエアポンプ14の作動に伴って、カソード電極側から常時排出されて、カソード配管22内を流通せしめられる空気オフガスが、筒状ジョイント62の空気オフガス導入口74から合流空間68内に、常に流入せしめられる一方、アノード配管20上に設けられた前記開閉弁21の定期的な開作動によるパージ操作によって、アノード電極側から排出されて、アノード配管20内を流通せしめられる水素オフガスが、筒状ジョイント62の水素オフガス導入口72から合流空間68内に、間欠的に流入せしめられるようになっている。
Thus, in the combustion heat utilization system of the present embodiment having the hydrogen off-
また、そのようにして筒状ジョイント62の合流空間68内に流入せしめられた水素オフガスと空気オフガスは、そこで合流、混合せしめられて、混合(合流)ガスとされ、更に、この混合ガスが、分散板70の多数の通孔を通じて、装置本体34のガス導入口60から、均一に分散せしめられた状態で、反応室42内に吹き込まれて、ガス排出口54に向かって流動せしめられるようになっている。
In addition, the hydrogen off-gas and the air off-gas that have flowed into the
そして、反応室42内に吹き込まれて、反応室42内をガス排出口54に向かって流れる混合ガスによって、反応室42内に収容された反応粒子44の多数と伝熱粒子52の多数とが、図2に太矢印で示される如き対流状態となるように流動化せしめられ、以て、それら多数の反応粒子44と伝熱粒子52との流動層が、反応室42内に形成されるようになっている。これらのことから明らかなように、本実施形態では、アノード配管20及び開閉弁21や、カソード配管22及びエアポンプ14にて、流動層形成手段が、構成されている。
Then, a large number of
而して、そのようにして形成された流動層内で、反応粒子44の粒状触媒46と水素オフガスとが、空気オフガス中の空気の存在下で接触せしめられて、水素オフガスが触媒燃焼せしめられるようになっている。また、そのような水素オフガスの触媒燃焼によって生ずる水蒸気や残余の高温の空気とが混合せしめられた燃焼排ガスが、水素ガス濃度が可及的にゼロとされた状態で、ガス排出口54から排出管58内に流入せしめられ、更に、この排出管58の先端開口部を通じて、大気中に排出せしめられるようになっている。
Thus, in the fluidized bed thus formed, the
そして、本実施形態システムにあっては、特に、図1及び図2に示されるように、上述の如くして、水素オフガスを水素オフガス処理装置28で触媒燃焼せしめて処理した際に生ずる燃焼熱を回収し、それを利用するための構造が、具備せしめられているのである。
In the present embodiment system, particularly, as shown in FIGS. 1 and 2, the combustion heat generated when the hydrogen off-gas is subjected to catalytic combustion by the hydrogen off-
すなわち、ここでは、水素オフガス処理装置28の装置本体34における筒状収容体30に対して、熱交換媒体たる熱交換水が内部を流通可能な伝熱管80が、その一部を反応室42内に収容位置せしめた状態で、組み付けられている。この伝熱管80は、例えばアルミニウム等の高い熱伝導率を備えた、所定長さを有する金属管からなり、長さ方向の中間部分が、蛇行して延びる熱交換部82とされている。また、長さ方向一方の端部側部分が、熱交換水の導入口(図示せず)を備えた熱交換水導入部84とされ、更に、長さ方向他方の端部側部分が、熱交換水の導出口(図示せず)を備えた、熱交換水導出路としての熱交換水導出部86とされている。
That is, here, with respect to the
そして、かかる熱交換部82が、水素オフガス処理装置28の装置本体34における筒状収容体30の内部において、下側底部36に近位の下側部分から蓋体14に近位の上側部分までの間で、前記せる反応粒子44と伝熱粒子52の流動層が形成される部分の全域に亘って、屈曲蛇行して延びるように配置されて、収容されている。一方、熱交換水導入部84と熱交換水導出部86は、導入口と導出口とが、それぞれ、外部に位置せしめられるように、熱交換部82とは反対側の端部部位において、筒状収容体30の筒壁部を貫通して、位置せしめられている。換言すれば、伝熱管80が、熱交換部82と、熱交換水導入部84と熱交換水導出部86のそれぞれにおける熱交換部82側の端部部位とを、反応室42内に収容位置せしめる一方、それら熱交換水導入部84と熱交換水導出部86のそれぞれにおける熱交換部82側とは反対側の、導入口や導出口が設けられた端部部位を、反応室42の外部に突出位置せしめた状態で、筒状収容体30に組み付けられている。
The
また、このような伝熱管80においては、水素オフガス処理装置28の装置本体34における反応室42から外部に突出位置せしめられた熱交換水導入部84の導入口と熱交換水導出部86の導出口のうち、前者が、電磁バルブ等の開閉弁88を介して、水道管90に接続されている一方、後者が、電磁バルブ等の開閉弁92を介して、例えば断熱材等にて包囲されることで断熱性が具備せしめられた給湯管94に接続されている。そして、この給湯管94は、その先端開口部において、例えば、風呂桶等の貯湯槽96内に向かって開口せしめられている。
Further, in such a
かくして、本実施形態に係る水素オフガスの燃焼熱処理システムにおいては、水素オフガス処理装置28の装置本体34における反応室42内に形成された反応粒子44と伝熱粒子52の流動層内で、水素オフガスの触媒燃焼が実施されている最中、或いはかかる触媒燃焼の実施に先立って、熱交換水導出部86上の開閉弁92を閉作動させた状態で、伝熱管80の熱交換水導入部84と水道管90との間に設けられた開閉弁88が開作動せしめられることによって、水道管90内の水道水が、熱交換水として、伝熱管80内に導入され、熱交換水導入部84を経て、熱交換部82内に流入せしめられるようになっている。
Thus, in the hydrogen off-gas combustion heat treatment system according to this embodiment, the hydrogen off-gas is generated in the fluidized bed of the
そして、上記せる如き反応室42内の流動層内での水素オフガスの触媒燃焼の進行に伴って、かかる触媒燃焼によって加熱された多数の反応粒子44や触媒燃焼によって生ずる燃焼排ガスと、伝熱管80の熱交換部82内に流入せしめられた水道水との間で、熱交換が行われて、それら加熱された反応粒子44の熱や燃焼排ガスの熱が、熱交換部82内の水道水にて回収され、それにより、熱交換部82内の水道水が加温されて、温水とされるようになっている。そうして、熱交換部82内の水道水が温水とされたら、熱交換水導出部86上の開閉弁92が開作動されることで、かかる温水が、給湯管94内を流通せしめられて、その先端開口部を通じて、貯湯槽96内に流し込まれて、貯留せしめられ、そして、この貯湯槽96内の温水98が、様々な用途に利用されるようになっているのである。このことから明らかなように、本実施形態では、熱交換媒体供給手段が、水道管90と開閉弁88とにて構成され、また、熱交換媒体利用設備が、貯湯槽96にて、構成されている。
Then, as the catalytic combustion of hydrogen off gas in the fluidized bed in the
このように、本実施形態に係る水素オフガスの燃焼熱処理システムにあっては、伝熱管80の熱交換部82が収容位置せしめられた水素オフガス処理装置28の反応室42内に、反応粒子44と伝熱粒子52の流動層が形成され、また、この流動層内で、水素オフガスの触媒燃焼が実施されるようになっているところから、伝熱管80の熱交換部82が、流動層内において、水素オフガスの触媒燃焼により加熱された反応粒子44や伝熱粒子52と、かかる触媒燃焼により生ずる燃焼排ガスとに対して、十分に且つ確実に接触せしめられるようなる。
As described above, in the hydrogen off-gas combustion heat treatment system according to this embodiment, the
それ故、排出水素ガスの触媒燃焼時に、単に、熱交換媒体と燃焼排ガスとの間だけで熱交換が行われる従来システムとは異なって、伝熱管80の熱交換部82内に流入せしめられる水道水と燃焼排ガスとの間だけでなく、かかる水道水と加熱された反応粒子44や伝熱粒子52との間でも、極めて十分に且つ確実に熱交換が行われて、それら燃焼排ガスと加熱された反応粒子44及び伝熱粒子52とがそれぞれ有する熱が、効率的に回収され得る。
Therefore, unlike the conventional system in which the heat exchange is performed only between the heat exchange medium and the combustion exhaust gas during the catalytic combustion of the exhaust hydrogen gas, the water that is allowed to flow into the
しかも、反応粒子44と伝熱粒子52の流動層が、反応室42内への水素オフガスの吹込みによって形成されるものであるところから、そのような流動層内で、全ての反応粒子44と水素オフガスとが、十分に且つ効率的に接触せしめられて、水素オフガスの触媒燃焼が、反応室42内の略全体で、全ての反応粒子44を利用して、均一に且つ効率的に惹起され、それによって、反応室42内の全体の温度が可及的に均一化される。それ故、かかる反応室42内に収容された伝熱管80の熱交換部82の全体に亘って、燃焼排ガスや加熱された反応粒子44及び伝熱粒子52と水道水との間の熱交換が、より効率的に行われ得る。
Moreover, since the fluidized bed of the
従って、かくの如き本実施形態に係る水素オフガスの燃焼熱利用システムによれば、燃料電池10から排出される水素オフガスを触媒燃焼せしめて処理する際に生ずる燃焼熱を、効率的に且つより十分に回収して、温水を、より容易にしかも安定的に得ることが出来、そして、そのような温水を、極めて手軽に且つより有効に利用することが可能となるのである。
Therefore, according to the hydrogen offgas combustion heat utilization system according to the present embodiment as described above, the combustion heat generated when the hydrogen offgas discharged from the
また、本実施形態においては、水素オフガス処理装置28の反応室42内に収容された反応粒子44が、多数の連通孔50を備えた粒状多孔質体からなる粒状担体48の表面や各連通孔50の内面に、多数の微細な粒状触媒46が担持されて構成されていることで、1個の反応粒子44が有する粒状触媒46の全表面積が十分に大きくされている。これによって、反応室42内での水素オフガス(水素オフガスと空気オフガスとの混合ガス)に対する粒状触媒46の接触面積が、より効果的に大ならしめられ得て、水素オフガスの触媒燃焼が、更に一層効率的に実施され得る。その結果、そのような水素オフガスの触媒燃焼によって生ずる燃焼熱の効率的な回収も有利に実現され得て、かかる燃焼熱の有効利用が、より効果的に促進され得ることとなる。
Further, in the present embodiment, the
さらに、本実施形態では、水素オフガス処理装置28の反応室42内において、多数の反応粒子44と共に、多数の伝熱粒子52が流動化せしめられて、それらの反応粒子44と伝熱粒子52の流動層が形成されるようになっている。それ故、粒状触媒46の使用量を、例えば、装置本体34の反応室42内に導入される水素オフガスを確実に燃焼するのに必要最低限の量に抑えた上で、良好な流動性を有する流動層を、確実に且つ容易に形成することが出来る。そして、それによって、水素オフガスの燃焼処理に要される材料コストが、可及的に低く抑えられ得、以て、水素オフガスの燃焼処理によって生ずる燃焼熱の有効利用も、経済的に有利に実現され得ることとなる。
Furthermore, in the present embodiment, in the
また、勿論、高い熱伝導率を備えた粒状多孔質体からなる伝熱粒子52の使用によって、水素オフガスの触媒燃焼によって加熱乃至は発生せしめられた反応粒子44や燃焼排ガスの熱を、伝熱粒子52に対して有利に伝達させることが出来、それによって、かかる水素オフガスの触媒燃焼時における反応室42内の過剰な温度上昇が有利に解消されて、水素オフガスの燃焼処理、ひいてはかかる燃焼処理によって生ずる燃焼熱の有効利用が、より安全に実現され得るといった利点も得られる。
In addition, of course, by using the
さらに、本実施形態の燃焼熱利用システムにあっては、水素オフガスと空気とが、水素オフガス処理装置28の筒状ジョイント62における合流空間68内で、合流、混合せしめられた上で、分散板70を通じて、装置本体34の反応室42内に吹き込まれ得るようになっている。これによって、反応室42内の全体に、水素オフガスと空気との混合ガスが、均一に分散せしめられ、それによって、反応室42内に形成される流動層内での水素オフガスと反応粒子44(粒状触媒46)とが、より効率的且つ確実に接触せしめられ得る。そして、その結果として、水素オフガスの燃焼処理が、更に一層効率的に進められ、これによっても、水素オフガスの触媒燃焼によって生ずる燃焼熱の有効利用が、より効果的に促進され得ることとなる。
Furthermore, in the combustion heat utilization system of the present embodiment, the hydrogen offgas and air are joined and mixed in the joining
また、本実施形態システムでは、水素オフガス処理装置28の反応室42内に収容された反応粒子44と伝熱粒子52とが、非流動化状態(水素オフガスと空気オフガスとが反応室42内に吹き込まれていない状態)において、ガス排出口54から容易に取り出され得るようになっているところから、例えば、水素オフガス処理装置28の長期使用等により、反応粒子44における粒状触媒46の触媒性能が低下したときに、そのような反応粒子44を十分な触媒性能を有する新たな反応粒子44と、容易に交換することが出来る。従って、反応粒子44を交換するだけの簡単な作業で、しかも可及的に低いコストで、水素オフガスの良好な処理性能が安定的に維持され得、これが、水素オフガスの触媒燃焼によって生ずる燃焼熱の安定的な有効利用に大きく寄与し得ることとなる。
In the system of the present embodiment, the
以上、本発明の具体的な構成について詳述してきたが、これはあくまでも例示に過ぎないのであって、本発明は、上記の記載によって、何等の制約をも受けるものではない。 The specific configuration of the present invention has been described in detail above. However, this is merely an example, and the present invention is not limited by the above description.
例えば、前記実施形態では、熱交換媒体として、水道水からなる熱交換水を、水素オフガス処理装置28の反応室42内に収容位置せしめられた伝熱管80内に導入し、そして、反応室42内で惹起される水素オフガスの触媒燃焼によって生ずる燃焼熱にて、伝熱管80内の熱交換水を加温して、温水とすることで、かかる燃焼熱の有効利用が図られていたが、伝熱管80内に導入される熱交換媒体の種類や、燃焼熱にて加温された熱交換媒体の利用形態は、何等、これに限定されるものではない。
For example, in the above-described embodiment, heat exchange water composed of tap water is introduced into the
すなわち、例えば、熱交換媒体として、水以外のシリコンオイル等の液体や、各種の気体等を使用することが出来る。また、それらの熱交換媒体は、水素オフガスの触媒燃焼によって生ずる燃焼熱にて加温した上で、燃料電池システムに組み込まれる燃料電池10の暖機や、改質器等に供給される原料の加熱等に利用され得る他、各種の暖房機の熱源等としても利用され得る。このことから明らかなように、熱交換媒体利用設備は、例示された風呂桶等の貯湯槽等に、何等限定されるものではなく、使用される熱交換媒体の種類や、排出水素ガスを生ずる装置や機構の種類、或いはそれが設置される個所や環境等に応じて、適宜に変更され得るのである。また、熱交換媒体供給手段も、使用される熱交換媒体の種類等によって、種々変更され得る。
That is, for example, a liquid such as silicon oil other than water, various gases, or the like can be used as the heat exchange medium. In addition, the heat exchange medium is heated by the combustion heat generated by catalytic combustion of hydrogen off gas, and then warms up the
さらに、排出水素ガス処理装置としての水素オフガス処理装置28の反応室42内に収容される反応粒子44の構造も、例示のものに、特に限定されるものではなく、少なくとも一部分が、水素オフガス(排出水素ガス)を触媒燃焼させ得る触媒にて構成されておれば良い。従って、かかる触媒の粒状体のみにて、反応粒子44を形成することも、勿論可能である。
Further, the structure of the
また、前記実施形態では、水素オフガス処理装置28の反応室42内に、多数の伝熱粒子52が、多数の反応粒子44と共に収容されて、それらの伝熱粒子52と反応粒子44とにて、流動層が形成されるようになっていたが、伝熱粒子52を省略し、反応粒子44のみにて、流動層を反応室42内で形成するようにしても、何等差し支えない。
In the above embodiment, a large number of
さらに、それら伝熱粒子52と反応粒子44とを流動化させて、或いは伝熱粒子52が省略される場合には反応粒子44のみを流動化させて、流動層を形成する流動層形成手段も、その構造が、例示のものに限定されるものでないことは、言うまでもないところである。
Furthermore, fluidized bed forming means for forming a fluidized bed by fluidizing the
加えて、本発明は、燃料電池システムの燃料電池から排出される水素オフガスの他、各種の装置や機構から排出される水素ガス、或いは水素ガスを含む混合ガスからなる排出水素ガスを触媒燃焼させて処理する際に生ずる熱を利用する排出水素ガスの燃焼処理熱利用システムと方法の何れに対しても、有利に適用され得るものであることは、勿論である。 In addition, the present invention catalyzes combustion of hydrogen off-gas discharged from the fuel cell of the fuel cell system, hydrogen gas discharged from various devices and mechanisms, or a mixed gas containing hydrogen gas. It goes without saying that the present invention can be advantageously applied to any of the exhaust heat treatment system and method of exhaust hydrogen gas that uses the heat generated during processing.
その他、一々列挙はしないが、本発明は、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることは、言うまでもないところである。 In addition, although not enumerated one by one, the present invention can be carried out in a mode to which various changes, modifications, improvements, etc. are added based on the knowledge of those skilled in the art. It goes without saying that all are included in the scope of the present invention without departing from the spirit of the present invention.
10 燃料電池 12 高圧水素タンク
14 エアポンプ 20 アノード配管
21、88,92 開閉弁 22 カソード配管
28 水素オフガス処理装置 42 反応室
44 反応粒子 52 伝熱粒子
54 ガス排出口 60 ガス導入口
80 伝熱管 82 熱交換部
84 熱交換水導入部 86 熱交換水導出部
90 水道管 96 貯湯槽
DESCRIPTION OF
Claims (5)
ガス導入口とガス排出口とを有し、前記排出水素ガスと前記空気とが、該ガス導入口から導入されて、該ガス排出口に向かって内部を流通せしめられ得るように構成された反応室と、該反応室の内部に収容された、少なくとも一部分が前記触媒からなる反応粒子の多数と、該反応室の内部に、前記ガス導入口を通じて、前記排出水素ガスと前記空気とを吹き込んで、該反応室内の前記多数の反応粒子を流動化させることにより、 該反応室内に、該反応粒子の流動層を形成する流動層形成手段とを含み、該反応室内に形成された該反応粒子の流動層内で、前記排出水素ガスを触媒燃焼させるように構成された排出水素ガス処理装置と、
該排出水素ガス処理装置における前記反応室の内部に収容位置せしめられ、前記排出水素ガスの触媒燃焼により加熱された前記反応粒子や、該触媒燃焼により生ずる燃焼排ガスとの間で熱交換を行って、該反応粒子や該燃焼排ガスの熱を回収する熱交換媒体が、内部を流通せしめられ得るように構成された伝熱管と、
前記熱交換媒体を、前記伝熱管の一端側の開口部を通じて該伝熱管内に供給する熱交換媒体供給手段と、
前記伝熱管の前記一端側とは反対の端部側に設けられ、前記熱交換による熱の回収によって加温された前記熱交換媒体を、前記排出水素ガス処理装置における前記反応室の外部に導き出す熱交換媒体導出路と、
該熱交換媒体導出路にて前記反応室の外部に導出された前記熱交換媒体を利用するための熱交換媒体利用設備と、
を含んで構成したことを特徴とする排出水素ガスの燃焼熱利用システム。 A system for utilizing the heat generated when the exhausted hydrogen gas including hydrogen gas exhausted from various devices and mechanisms is brought into contact with the catalyst in the presence of air to cause catalytic combustion and processed,
A reaction having a gas inlet and a gas outlet, and configured such that the discharged hydrogen gas and the air can be introduced from the gas inlet and circulated inside the gas outlet. A chamber, a large number of reaction particles at least partially made of the catalyst, contained in the reaction chamber, and the exhaust hydrogen gas and the air are blown into the reaction chamber through the gas inlet. A fluidized bed forming means for forming a fluidized bed of the reaction particles in the reaction chamber by fluidizing the numerous reaction particles in the reaction chamber, and the reaction particles formed in the reaction chamber An exhaust hydrogen gas treatment device configured to catalytically combust the exhaust hydrogen gas in a fluidized bed;
Heat exchange is performed between the reaction particles heated by catalytic combustion of the exhaust hydrogen gas and the combustion exhaust gas generated by the catalyst combustion, which is placed inside the reaction chamber of the exhaust hydrogen gas treatment device. A heat transfer tube configured to allow a heat exchange medium for recovering the heat of the reaction particles and the combustion exhaust gas to be circulated therein;
Heat exchange medium supply means for supplying the heat exchange medium into the heat transfer tube through an opening on one end side of the heat transfer tube;
The heat exchange medium, which is provided on the end side opposite to the one end side of the heat transfer tube and is heated by collecting heat by the heat exchange, is led out of the reaction chamber in the exhaust hydrogen gas processing apparatus. A heat exchange medium outlet path;
A heat exchange medium utilization facility for utilizing the heat exchange medium led out of the reaction chamber in the heat exchange medium lead-out path;
An exhaust hydrogen gas combustion heat utilization system characterized by comprising
少なくとも一部分が前記触媒からなる反応粒子の多数が収容された反応室内に、伝熱管を収容位置せしめた状態で、前記排出水素ガスと前記空気とを吹き込むことにより、該反応室内の前記多数の反応粒子を流動化させて、該反応室内に、該反応粒子の流動層を形成すると共に、かかる流動層内で該排出水素ガスを触媒燃焼せしめて、処理する一方、前記伝熱管内に熱交換媒体を供給して、前記排出水素ガスの触媒燃焼により加熱された前記反応粒子と該熱交換媒体との間や、該触媒燃焼により生ずる燃焼排ガスと該熱交換媒体との間で熱交換を行って、該反応粒子や該燃焼排ガスの熱を回収した後、かかる熱交換による熱の回収によって加温された熱交換媒体を、該反応室の外部に導き出して、利用するようにしたことを特徴とする排出水素ガスの燃焼熱利用方法。 A method of utilizing the heat generated when the exhausted hydrogen gas including the hydrogen gas exhausted from various devices and mechanisms is brought into contact with the catalyst in the presence of air to cause catalytic combustion to be processed,
The exhausted hydrogen gas and the air are blown in a state in which a heat transfer tube is placed in a reaction chamber containing at least a part of the reaction particles made of the catalyst, so that the multiple reactions in the reaction chamber are performed. The particles are fluidized to form a fluidized bed of the reaction particles in the reaction chamber, and the exhausted hydrogen gas is catalytically combusted and processed in the fluidized bed, while a heat exchange medium is disposed in the heat transfer tube. To exchange heat between the reaction particles heated by catalytic combustion of the exhaust hydrogen gas and the heat exchange medium, or between combustion exhaust gas generated by the catalytic combustion and the heat exchange medium. The heat exchange medium heated by the heat recovery by the heat exchange after recovering the heat of the reaction particles and the combustion exhaust gas is led out of the reaction chamber and used. Discharged water Combustion heat utilization method for a gas.
The method for using combustion heat of exhaust hydrogen gas according to claim 4, wherein the heat exchange medium is heat exchange water.
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