JP2008056543A - Hydrogen manufacturing apparatus and fuel battery system - Google Patents
Hydrogen manufacturing apparatus and fuel battery system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008056543A JP2008056543A JP2006237334A JP2006237334A JP2008056543A JP 2008056543 A JP2008056543 A JP 2008056543A JP 2006237334 A JP2006237334 A JP 2006237334A JP 2006237334 A JP2006237334 A JP 2006237334A JP 2008056543 A JP2008056543 A JP 2008056543A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- mass
- partition
- evaporator
- combustion gas
- hydrogen
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
Description
本発明は、炭化水素等の原料を水蒸気と水蒸気改質反応させ、一酸化炭素をシフト反応により低減する変成器を備え水素リッチな改質ガスを生成する際に、水蒸気の発生を確実に行うとともに、変成器の触媒層を均一に加熱することを特徴とする水素生成装置及びこれを用いる燃料電池システムに関する。 The present invention reliably generates steam when a raw material such as hydrocarbon is subjected to steam reforming reaction with steam and a reformer that reduces carbon monoxide by a shift reaction is provided to generate hydrogen-rich reformed gas. In addition, the present invention relates to a hydrogen generator that uniformly heats the catalyst layer of the transformer, and a fuel cell system using the hydrogen generator.
燃料電池発電システム等において、炭化水素等を原料として使用し、この原料を水蒸気改質反応させることによって、水素を主成分とする改質ガスを生成する水素製造装置が使用されている。 In a fuel cell power generation system or the like, a hydrogen production apparatus that uses a hydrocarbon or the like as a raw material and generates a reformed gas containing hydrogen as a main component by causing the raw material to undergo a steam reforming reaction is used.
炭化水素等の原料を水蒸気改質する水素製造装置の一例を図1に示す。この水素製造装置は、改質触媒1aが充填された改質器1と、変成触媒6aが充填された変成器6と、酸化触媒9aが充填されたCO除去器9が同心円状に一体となった構造を特徴とする。水蒸気改質反応に必要な原料は原料供給器3から供給され、水供給部2より液体の状態で水が原料と共に蒸発器4aに供給され、燃焼器5で発生する高温の燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路内の燃焼ガスによって加熱され蒸発器4aに供給された水が水蒸気となる。この原料と水蒸気の混合ガスが改質器1に供給されると、水蒸気改質反応により、水素リッチな改質ガスとなって改質器1を通過する。この時、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、外部より上記水蒸気改質反応に必要な温度まで加熱する必要がある。そこでこの加熱源として燃焼器5を設けており、そこで燃焼したガスが燃焼ガス流路11による顕熱で改質器1を加熱している。上記改質ガスは、変成器6にて200℃〜400℃の温度範囲で変成反応により、上記改質ガス中に含まれる一酸化炭素を水素に変成させて、ある特定量まで低減させる。この上記変成反応は発熱反応であるため、燃料電池で発電している時、加熱は不要であるが、起動時に、変成反応に必要な温度になるまでヒータ6cを設けて加熱を行う場合もある。上記一酸化炭素を特定量まで低減させた改質ガスは変成器6を通過した後、CO除去器9にて空気供給部8より供給された空気と100℃〜150℃の温度範囲で酸化反応により、一酸化炭素を二酸化炭素に酸化し、ガス中の一酸化炭素濃度をさらに低減させている。この上記酸化反応は発熱反応であるため、燃料電池で発電している時、加熱は不要であるが、起動時に、酸化反応に必要な温度になるまでヒータ9cを設けて加熱を行う場合もある。
An example of a hydrogen production apparatus for steam reforming raw materials such as hydrocarbons is shown in FIG. In this hydrogen production apparatus, the
さらに上記水素製造装置の特徴として、各反応部1、6、9から発生する放熱を有効利用し、熱変換効率を向上させるために、各反応部1、6、9及び蒸発器4aが同心円上に多重円筒の一体型構造となっている。反応部1及び蒸発器4aを加熱するために、燃焼ガス流路11を内側に設けており、燃焼ガス流路11内の燃焼ガスと蒸発器4a内の水または水蒸気との熱交換性を高めるため、燃焼ガスの流れの向きと水または水蒸気の流れの向きとが対向している。また、蒸発器4aの外側に変成器4a及びCO除去器9が設けられており、変成器4aでの変成反応による発熱及び変成器4aから送出されCO除去器9に導入される水素含有ガスの熱も利用して蒸発している(例えば、特許文献1参照)。
しかし、上記従来の水素生成装置は、燃焼ガス流路11内の燃焼ガスの流れと蒸発器4a内の水もしくは水蒸気の流れは対向しているため、燃焼ガス流路11aの上流の燃焼ガスから蒸発器4aの下流側の水蒸器に過剰に熱が伝熱すると、蒸発器4aの上流側の水が蒸発するのに十分な熱が伝えられず、液水が蒸発器4aの流路を部分的に閉塞することになり、原料流量の流れに分布ができるので、改質器1に供給される原料流量が不均一となり、改質反応が不均一となり、所定の水素生成量が得られないという問題があった。
However, in the above conventional hydrogen generator, the flow of the combustion gas in the
また、変成反応による発熱する変成触媒6aの温度安定性を確保し、変成器6から送出された200℃以上の水素含有ガスをCO除去器9に導入される前に150℃程度の温度に迄、十分低下させなければ、CO除去器9が高温になりメタン化反応が進行して熱暴走を起こす可能性がある。
Further, the temperature stability of the shift catalyst 6a that generates heat due to the shift reaction is ensured, and the hydrogen-containing gas of 200 ° C. or more sent from the
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、原料を水蒸気改質反応により水素含有ガスにする改質器、変成器、CO除去器及び水蒸気改質を行うための水を蒸気にする蒸発器を有し、蒸発器が燃焼ガス流路と変成器との間に隔壁を介して設けられ、蒸発器内の水もしくは水蒸気の流れと燃焼ガス流路内の燃焼ガスが対向している多重円筒型水素生成装置において、蒸発器内の上流に液水がたまることなく十分に蒸発され、変成反応による発熱する変成触媒6aの温度安定性を確保し、CO除去器に導入される水素含有ガスの温度が十分低減されることが可能な水素生成装置、及びこれを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points. A reformer that converts a raw material into a hydrogen-containing gas by a steam reforming reaction, a shifter, a CO remover, and water for performing steam reforming are converted into steam. An evaporator is provided, and the evaporator is provided between the combustion gas flow path and the transformer via a partition wall, and the flow of water or water vapor in the evaporator and the combustion gas in the combustion gas flow path are opposed to each other. In the multi-cylindrical hydrogen generator, liquid water is sufficiently evaporated without accumulating upstream in the evaporator, ensuring the temperature stability of the shift catalyst 6a that generates heat due to shift reaction, and containing hydrogen introduced into the CO remover An object of the present invention is to provide a hydrogen generator capable of sufficiently reducing the temperature of a gas, and a fuel cell system including the same.
上記課題を解決するために、第1の本発明の水素生成装置は、原料及び水蒸気の改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、該改質器を加熱するための燃焼器と、該燃焼器より送出される燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路と、該燃焼ガス流路の外側に前記燃焼ガスからの熱により前記水蒸気を生成するための蒸発器と、前記蒸発器の外側に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シフト反応により低減する変成器と、前記変成器より送出される水素含有ガスの一酸化炭素を酸化反応により低願するためのCO除去器とを備え、前記燃焼ガス流路を流れる燃焼ガスの流れと前記蒸発器を流れる水蒸気の流れとが対向するよう構成される水素生成装置であって、前記燃焼ガス流路と前記蒸発器との間の第1の隔壁を構成する金属は、前記蒸発器と前記変成器との間の第2の隔壁を構成する金属よりも熱伝導度が低いことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a hydrogen generator of the first aspect of the present invention includes a reformer that generates a hydrogen-containing gas by a reforming reaction of a raw material and steam, and a combustor for heating the reformer. A combustion gas flow path through which combustion gas delivered from the combustor flows, an evaporator for generating the water vapor by heat from the combustion gas outside the combustion gas flow path, and outside the evaporator A converter for reducing carbon monoxide in the hydrogen-containing gas delivered from the reformer by a shift reaction, and a CO for applying for low carbon monoxide from the reformer by an oxidation reaction. A hydrogen generator configured to oppose a flow of combustion gas flowing through the combustion gas flow path and a flow of water vapor flowing through the evaporator, wherein the combustion gas flow path and the evaporator Gold constituting the first partition between Is characterized by a low thermal conductivity than the metal constituting the second partition between said transformer and said evaporator.
また、第2の本発明の水素生成装置は、第1の隔壁を構成する金属及び第2の隔壁を構成する金属の熱伝導率が、10[w/m℃]以上であり、第1の隔壁を構成する金属及び第2の隔壁を構成する金属の熱伝導度の差が2[w/m℃]以上であることを特徴とする。 Further, in the hydrogen generator of the second aspect of the present invention, the thermal conductivity of the metal constituting the first partition and the metal constituting the second partition is 10 [w / m ° C.] or more, The difference in thermal conductivity between the metal constituting the partition and the metal constituting the second partition is 2 [w / m ° C.] or more.
また、第3の本発明の水素生成装置は、第1の隔壁を構成する金属の熱伝導率が10[w/m℃]以上20[w/m℃]以下であり、第2の隔壁を構成する金属の熱伝導率が22[w/m℃]以上であることを特徴とする。 In the hydrogen generator of the third aspect of the present invention, the metal constituting the first partition has a thermal conductivity of 10 [w / m ° C.] or more and 20 [w / m ° C.] or less, and the second partition It is characterized in that the thermal conductivity of the constituent metal is 22 [w / m ° C.] or more.
また、第4の本発明の水素生成装置は、第1の隔壁を構成する金属が、オーステナイト系ステンレスであり、第2の隔壁を構成する金属が、フェライト系ステンレスであることを特徴とする。 In the hydrogen generating apparatus of the fourth aspect of the present invention, the metal constituting the first partition is austenitic stainless steel, and the metal constituting the second partition is ferrite stainless.
また、第5の本発明の水素生成装置は、前記第1の隔壁を構成する金属は、C:0.02〜0.10質量%、Si:0〜2.5質量%、Mn:0〜2.0質量%、P:0〜0.04質量%、S:0〜0.02質量%、Ni:7〜12重量%以下、Cr:15〜25質量%、残部が実質的にFeの組成をもち、前記第2の隔壁を構成する金属は、C:0〜0.02質量%、Si:0〜2.5質量%、Mn:0〜2.0質量%、P:0〜0.04質量%、S:0〜0.02質量%、Ni:0〜0.6質量%、Cr:15〜25質量%、残部が実質的にFeの組成であることを特徴とする。 In the hydrogen generator of the fifth aspect of the present invention, the metal constituting the first partition is C: 0.02 to 0.10% by mass, Si: 0 to 2.5% by mass, Mn: 0 to 2.0 mass%, P: 0 to 0.04 mass%, S: 0 to 0.02 mass%, Ni: 7 to 12 mass% or less, Cr: 15 to 25 mass%, the balance being substantially Fe The metal having the composition and constituting the second partition wall is C: 0 to 0.02 mass%, Si: 0 to 2.5 mass%, Mn: 0 to 2.0 mass%, P: 0 to 0. 0.04% by mass, S: 0 to 0.02% by mass, Ni: 0 to 0.6% by mass, Cr: 15 to 25% by mass, and the balance being substantially Fe composition.
また、第6の本発明の燃料電池システムは、上記第1〜第5の本発明の水素生成装置と、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ことを特徴そする。 A fuel cell system according to a sixth aspect of the present invention includes the hydrogen generators according to the first to fifth aspects of the present invention, and a fuel cell that generates power using a hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generator. Features.
本発明の水素生成装置によれば、蒸発器内の上流に液水がたまることなく十分に蒸発されるとともに、CO除去器に導入される水素含有ガスの温度が十分低減されることが可能となる。 According to the hydrogen generator of the present invention, liquid water is sufficiently evaporated without accumulating upstream in the evaporator, and the temperature of the hydrogen-containing gas introduced into the CO remover can be sufficiently reduced. Become.
図2は、本発明の実施の形態に係る水素生成装置の一例を示す概略図である。 FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of a hydrogen generator according to an embodiment of the present invention.
中心に燃焼器5を配置し、外側に向かって順次、燃焼ガス流路11、第1の隔壁21、蒸発器4a、第2の隔壁22、変成触媒6a及び酸化触媒9aが設けられている。第1の隔壁21は、第2の隔壁22よりも熱伝導度が低い金属材料で構成されている。水供給部2から供給された水と原料供給器3から供給された原料ガスは、蒸発器4aに送られ、水蒸気と原料ガスの混合気となり、蒸発器4aの下流側に配置された改質器1、変成器5、CO除去器9を通過し改質ガスとなって順次流通する。燃焼ガス流路11の燃焼ガスの流れ方向と、蒸発器4aの水の流れ方向は対向するようになっている。蒸発器4aには液相の水が供給され、対向流である燃焼ガス流から熱伝達され下流に向かって蒸発し水蒸気となり、原料ガスとの混合気となって改質触媒1aに供給される。
The
燃焼ガスから蒸発器4aへの熱伝達は第1の隔壁21を経て行われるが、第1の隔壁21の熱伝導率が小さいので、燃焼器5の出口から流入した燃焼ガス流路4a上流の高温の燃焼ガスからの伝熱量は、抑制され、下流側での燃焼ガスの温度が高い状態となり、蒸発器4aに流入した液相の水を十分に蒸発させることができる。したがって蒸発器4aに流入した液体が流路を閉塞し、原料ガスの流れに偏りができ、改質反応が不均一になることを防止でき、均一で安定な改質反応となり、燃料電池の運転を安定化させることができる。また、蒸発器4aの外側に変成器6びCO除去器9設けているので、蒸発器4aに流入された水が速やかに蒸発しない場合には、変成器6及びCO除去器9が液相の水によって冷却されるので温度低下し、触媒層の温度差が大きくなり、触媒反応は不十分となり改質ガス中の一酸化炭素を安定して低減できないが、蒸発器4aに流入した液相の水を速やかに蒸発することができるので、変成器6及びCO除去器9が部分的冷却されることによる温度分布も小さくすることができ、改質ガス中の一酸化炭素を安定して低減できる。
Heat transfer from the combustion gas to the
蒸発器4aの外側には第2の隔壁22が設けられ、第2の隔壁22の外側には変成触媒6aが設けられており、変成触媒6aの下流側に連通して酸化触媒9aが設けられている。変成器の反応はCOの水成シフト反応であり、変成触媒6aの入り口温度は略300℃、出口温度は略200℃であり、変成器6での変成反応が発熱反応であることから変成器6を放熱して温度の安定性を保つ必要がある。さらには、CO除去器9aの入り口温度は略150℃程度であり、変成器6から送出された200℃程度の温度を有する水素含有ガスの温度を150℃程度に下げる必要がある。ここで、変成器6の外側及び変成触媒6aの出口とCO除去器9aの入り口の間に改質ガスの温度を低下させる熱交換部を設けることで、所定の酸化入り口温度に低下させることができるが、熱交換部を新たに設ける必要があり装置をコンパクトにできないことになる。
A
そこで、本実施の形態のように変成器6の外側に蒸発器4aを設けることで、変成触媒熱は変成触媒6aから第2の隔壁22を経て蒸発器4aに伝熱されるので、第2の隔壁22の熱伝導率を大きくすることで、変成触媒6aから蒸発器4aへの伝熱量が大きくでき、変成触媒6aの出口温度を200℃程度の温度に保持することが可能になり、さらには、CO除去器6に導入される水素含有ガス温度を150℃程度まで低下させることが可能になり、CO除去器9でのCO低減を図ることができ、熱交換部を設ける必要もなく装置をコンパクトにできる。
Therefore, by providing the
なお、上記第1の隔壁21及び第2の隔壁22を構成する金属として、例えば、熱伝導率が、10[w/m℃]以上であり、第1の隔壁21を構成する金属及び第2の隔壁22を構成する金属の熱伝導度の差が2[w/m℃]以上であることが好ましく、より具体的には、第1の隔壁を構成する金属の熱伝導率が10[w/m℃]以上20[w/m℃]以下であり、前記第2の隔壁を構成する金属の熱伝導率が22[w/m℃]以上であることが好ましい。
In addition, as a metal which comprises the said
本実施の形態では、耐熱性及び耐食性も考慮し、第1の隔壁21にはオーステナイト系ステンレスで構成し、第2の隔壁22はフェライト系ステンレスで構成する。なお、上記それぞれの隔壁に使用する金属材料としては、第1の隔壁を構成する金属は、C:0.02〜0.10質量%、Si:0〜2.5質量%、Mn:0〜2.0質量%、P:0〜0.04質量%、S:0〜0.02質量%、Ni:7〜12重量%以下、Cr:15〜25質量%、残部が実質的にFeの組成をもち、第2の隔壁を構成する金属は、C:0〜0.02質量%、Si:0〜2.5質量%、Mn:0〜2.0質量%、P:0〜0.04質量%、S:0〜0.02質量%、Ni:0〜0.6質量%、Cr:15〜25質量%、残部が実質的にFeの組成を有するものであっても構わない。
In the present embodiment, in consideration of heat resistance and corrosion resistance, the
以上のように燃焼ガス流路11と蒸発器4aの間に設けた第1の隔壁21の熱伝導率は小さするとともに、蒸発器4aと変成触媒6aの間に設けた第2の隔壁22の熱伝導率は大きくすることで、蒸発器4a内の上流に液水がたまることなく十分に蒸発されるとともに、変成反応により発熱する変成触媒6aの温度安定性を保持し、CO除去器に導入される水素含有ガスの温度を十分低減することが可能となる。
As described above, the thermal conductivity of the
本発明にかかる水素生成装置は、蒸発器内の上流に液水がたまることなく十分に蒸発されるとともに、CO除去器に導入される水素含有ガスの温度が十分低減されることが可能となるので家庭用の燃料電池コジェネシステム用の水素生成装置等として有用である。 The hydrogen generator according to the present invention is sufficiently evaporated without accumulating liquid water upstream in the evaporator, and the temperature of the hydrogen-containing gas introduced into the CO remover can be sufficiently reduced. Therefore, it is useful as a hydrogen generator for a household fuel cell cogeneration system.
1 改質器
1a 改質触媒
1b 改質温度検出部
2 水供給器
3 原料供給器
4a 蒸発器
5 燃焼器
6 変成器
6a 変成触媒
6b 変成温度検出器
6c ヒータ
7 熱交換器
8 空気供給器
9 CO除去器
9a 酸化触媒
9b 温度検出器
9c ヒータ
10 燃焼用ファン
11 燃焼ガス流路
21 第1の隔壁
22 第2の隔壁
DESCRIPTION OF
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006237334A JP2008056543A (en) | 2006-09-01 | 2006-09-01 | Hydrogen manufacturing apparatus and fuel battery system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006237334A JP2008056543A (en) | 2006-09-01 | 2006-09-01 | Hydrogen manufacturing apparatus and fuel battery system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008056543A true JP2008056543A (en) | 2008-03-13 |
Family
ID=39239727
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006237334A Pending JP2008056543A (en) | 2006-09-01 | 2006-09-01 | Hydrogen manufacturing apparatus and fuel battery system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2008056543A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011006279A (en) * | 2009-06-25 | 2011-01-13 | Panasonic Corp | Hydrogen generation apparatus |
-
2006
- 2006-09-01 JP JP2006237334A patent/JP2008056543A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011006279A (en) * | 2009-06-25 | 2011-01-13 | Panasonic Corp | Hydrogen generation apparatus |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA2594394C (en) | Method of starting-up solid oxide fuel cell system | |
US7520907B2 (en) | Highly integrated fuel processor for distributed hydrogen production | |
KR100848047B1 (en) | Highly Efficient, Compact Reformer Unit for Generating Hydrogen from Gaseous Hydrocarbons in the Low Power Range | |
WO2005000737A1 (en) | Fuel reformer | |
JP4933818B2 (en) | Operation method of solid oxide fuel cell system | |
JP2004059415A (en) | Fuel reformer and fuel cell power generation system | |
US8795397B2 (en) | Reforming device with series-connected gas-liquid multiphase and dry-out heat exchangers | |
JP2005015292A (en) | Fuel reformer | |
JP3820765B2 (en) | Fuel reactor | |
JP2006076850A (en) | Apparatus and method for reforming, and fuel cell system | |
WO2005077820A1 (en) | Fuel reformer | |
JP2003187849A (en) | Solid polymer fuel cell power generator | |
JP4136624B2 (en) | Liquid fuel reforming method and apparatus | |
JP2017048079A (en) | Hydrogen generator and fuel cell system using the same | |
JP2008056543A (en) | Hydrogen manufacturing apparatus and fuel battery system | |
JP2001313053A (en) | Fuel cell system | |
JP2004115321A (en) | Reforming apparatus | |
JP2009173479A (en) | Heat exchanger and compound type fuel reactor | |
US9624105B1 (en) | Process for producing hydrogen with reduced corrosion | |
KR20160045738A (en) | Multitube reformer for a hydrocarbon- and alcohol-reforming system and hydrocarbon- and alcohol-reforming system comprising same, and associated method | |
JP2005507137A (en) | System and method for preparing fuel for a fuel processing system | |
JP2006282424A (en) | Hydrogen generator | |
JP4786162B2 (en) | Liquid fuel reforming system and method | |
JP5132183B2 (en) | Hydrogen production equipment | |
JP2006294464A (en) | Fuel cell power generation system |