JP2009067645A - Hydrogen manufacturing device and fuel cell system using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭化水素系燃料と水蒸気を反応させて水素を発生させる水素製造装置と、これを用いた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a hydrogen production apparatus that generates hydrogen by reacting a hydrocarbon fuel with water vapor, and a fuel cell system using the same.
燃料電池システムは、触媒の存在下で炭化水素系燃料に水蒸気を作用させて改質し、水素を製造する水素製造装置と、水素と空気とを反応させて発電を行う燃料電池とを有して構成される。このような燃料電池システムの燃料として、例えば都市ガス、天然ガス、LPガス、ガソリン、灯油などが使用されるが、都市ガスの主成分であるメタン(CH4)を例にとると、改質反応は式1によって示される。
CH4+H2O ⇔ CO+3H2・・(式1:水蒸気改質反応)
式1の反応により発生したCOは、同時に、式2に示すH2Oとの反応によって、さらにH2とCO2とに変換される。
CO+H2O ⇔ CO2+H2・・(式2:CO転化反応)
ところで、式1に示す改質反応は比較的大きな吸熱を伴う反応であるから、反応を継続させるためには、熱を連続的に供給する必要がある。例えば、改質触媒層の温度は600℃ないし800℃程度の高温に維持することが要求される。そこで、改質器の外側に電気ヒータやバーナ等を設け、外部から改質触媒層を加熱する外熱方式によるスチームリフォーミング(SR)水素製造装置が提案されている。
The fuel cell system includes a hydrogen production apparatus that produces hydrogen by reforming a hydrocarbon-based fuel with steam in the presence of a catalyst, and a fuel cell that generates electricity by reacting hydrogen and air. Configured. For example, city gas, natural gas, LP gas, gasoline, kerosene, etc. are used as the fuel for such a fuel cell system. For example, methane (CH 4 ), which is the main component of city gas, is used as a fuel. The reaction is shown by equation 1.
CH 4 + H 2 O⇔CO + 3H 2 .. (Formula 1: Steam reforming reaction)
CO generated by the reaction of Formula 1 is further converted into H 2 and CO 2 by the reaction with H 2 O shown in Formula 2 at the same time.
CO + H 2 O⇔CO 2 + H 2 .. (Formula 2: CO conversion reaction)
By the way, since the reforming reaction shown in Formula 1 is a reaction with a relatively large endotherm, it is necessary to continuously supply heat in order to continue the reaction. For example, the temperature of the reforming catalyst layer is required to be maintained at a high temperature of about 600 ° C. to 800 ° C. Therefore, an steam reforming (SR) hydrogen production apparatus using an external heating method in which an electric heater, a burner or the like is provided outside the reformer and the reforming catalyst layer is heated from the outside has been proposed.
例えば、特許文献1には、中空の改質容器内に同心状に配置される外筒と、この外筒の内側に同心状に配置される内筒と、内筒の内側に配置される輻射筒とを備え、外筒と内筒とこれらの一端を封止して形成される空間に改質触媒層を形成し、この改質触媒層に燃料供給管と改質ガス排出管とを二重管構造で連通させた改質器が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses an outer cylinder arranged concentrically in a hollow reforming container, an inner cylinder arranged concentrically inside the outer cylinder, and radiation arranged inside the inner cylinder. A reforming catalyst layer is formed in a space formed by sealing one end of the outer cylinder and the inner cylinder, and a fuel supply pipe and a reformed gas discharge pipe are connected to the reforming catalyst layer. A reformer communicated with a double pipe structure is disclosed.
この技術によれば、輻射筒内に設けられたバーナにより加熱された排ガスは、輻射筒内を流れた後、流れ方向を反転して内筒と外筒の周囲を一方向に流れ、その過程で改質触媒層を加熱することができる。一方、燃焼供給管と改質ガス排出管は二重管構造となっているため、低温の改質ガス燃料と高温の改質ガスとの間で熱交換を行うことができ、改質器のエネルギー効率を向上させることができる。 According to this technique, the exhaust gas heated by the burner provided in the radiant cylinder flows in the radiant cylinder, and then flows in one direction around the inner cylinder and the outer cylinder by reversing the flow direction. Thus, the reforming catalyst layer can be heated. On the other hand, since the combustion supply pipe and the reformed gas discharge pipe have a double-pipe structure, heat exchange can be performed between the low-temperature reformed gas fuel and the high-temperature reformed gas. Energy efficiency can be improved.
ところで、特許文献1のようなSR水素製造装置に対し、例えば、改質触媒の入り側に燃焼触媒を設け、改質反応器内に空気を導入して燃料の一部を触媒燃焼させ、この燃焼熱によって反応温度を維持する内熱方式によるオートサーマル(ATR)水素製造装置が提案されている。 By the way, with respect to the SR hydrogen production apparatus as in Patent Document 1, for example, a combustion catalyst is provided on the inlet side of the reforming catalyst, air is introduced into the reforming reactor, and a part of the fuel is catalytically combusted. There has been proposed an autothermal (ATR) hydrogen production apparatus using an internal heating system that maintains a reaction temperature by combustion heat.
ここで、両水素製造装置を比較してみると、まず、SR水素製造装置は、ATR水素製造装置と比べて改質ガス中に窒素などの希釈ガスの混入が発生せず水素濃度を高く維持できるため、燃料電池と連携させてシステムを構成した場合、発電効率を高く維持することができるが、その反面、外筒や内筒を介して改質触媒に熱を供給しなければならないため、低負荷時における安定運転や装置のコンパクト化が難しくなるという問題がある。 Here, when comparing both hydrogen production devices, first, the SR hydrogen production device maintains a high hydrogen concentration without introducing a dilution gas such as nitrogen into the reformed gas as compared with the ATR hydrogen production device. Therefore, when the system is configured in cooperation with the fuel cell, the power generation efficiency can be kept high, but on the other hand, heat must be supplied to the reforming catalyst via the outer cylinder and the inner cylinder. There is a problem that it is difficult to achieve stable operation at a low load and to make the device compact.
一方、ATR水素製造装置は、原燃料の一部を燃焼し、この燃焼熱により改質反応に必要な熱を得る方式のため、低負荷時の安定運転及び装置のコンパクト化を実現できるが、原燃料の一部を最初に燃焼させて消費すること、及び燃焼用空気中の窒素を改質ガス中に含み水素濃度が低くなることにより、SR水素製造装置を用いた燃料電池システムと比較して発電効率が低くなるという問題がある。 On the other hand, since the ATR hydrogen production system burns a part of the raw fuel and obtains heat necessary for the reforming reaction by this combustion heat, it can realize stable operation at low load and downsizing of the apparatus. Compared with the fuel cell system using the SR hydrogen production system, a part of the raw fuel is burned and consumed first, and nitrogen in the combustion air is contained in the reformed gas and the hydrogen concentration is lowered. Therefore, there is a problem that power generation efficiency is lowered.
本発明の第1の課題は、改質ガス中の水素濃度を高く維持するとともに、装置のコンパクト化を実現することにある。 The first object of the present invention is to maintain a high hydrogen concentration in the reformed gas and to realize a compact apparatus.
本発明の第2の課題は、改質ガス中の水素濃度を高く維持するとともに、装置のコンパクト化を図り、かつ、低負荷時の安定運転を実現することにある。 The second object of the present invention is to maintain a high hydrogen concentration in the reformed gas, to make the apparatus compact, and to realize a stable operation at a low load.
本発明の水素製造装置は、上記課題を解決するため、炭化水素系燃料と水蒸気とを加熱して改質ガスを生成する水素製造装置であって、両端が封止された中空筒状の改質容器と、この改質容器の内側に同心状に配置される外筒と、この外筒の内側に同心状に配置される内筒と、改質容器の一端面を貫通して内筒の内側に同心状に延在して設けられる中空の燃焼筒と、この燃焼筒の基端に接続されて燃焼筒内に燃焼ガスを供給する燃焼器とを有し、改質容器と外筒と内筒と燃焼筒とは互いに設定間隔をあけて設けられるようにする。そして、内筒は、燃焼管が挿通される側の一端が開放され、この一端と外筒の一端との隙間がリング状の第1の封止板により封止される一方、他端は燃焼筒の先端開口と間隔をあけて配置される第2の封止板により封止され、外筒の他端は、第2の封止板と間隔をあけて配置される第3の封止板により封止されてなり、内筒と外筒との隙間には、改質触媒が充填される空間部が形成されており、第1の封止板には改質触媒が充填される連絡管の一端が接続され、連絡管の他端には炭化水素系燃料と水蒸気を供給する原料供給手段が接続されてなり、第3の封止板には、空間部で生成された改質ガスを改質容器の外へ排出する改質ガス出口管が接続され、改質容器の他端面には、燃焼ガスを排出する燃焼ガス出口管が接続されてなることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a hydrogen production apparatus of the present invention is a hydrogen production apparatus that generates a reformed gas by heating a hydrocarbon-based fuel and water vapor, and is a hollow cylindrical modified with both ends sealed. A container, an outer cylinder arranged concentrically inside the reforming container, an inner cylinder arranged concentrically inside the outer cylinder, and an inner cylinder penetrating through one end surface of the reforming container A hollow combustion cylinder provided concentrically on the inside, and a combustor connected to a proximal end of the combustion cylinder for supplying combustion gas into the combustion cylinder, and a reforming vessel, an outer cylinder, The inner cylinder and the combustion cylinder are provided with a set interval therebetween. The inner cylinder is open at one end on the side through which the combustion tube is inserted, and the gap between the one end and one end of the outer cylinder is sealed by the ring-shaped first sealing plate, while the other end is burned. A third sealing plate is sealed by a second sealing plate arranged at a distance from the tip opening of the cylinder, and the other end of the outer cylinder is arranged at a distance from the second sealing plate. A space portion filled with the reforming catalyst is formed in the gap between the inner cylinder and the outer cylinder, and the first sealing plate is filled with the reforming catalyst. The other end of the connecting pipe is connected to a raw material supply means for supplying hydrocarbon fuel and water vapor, and the third sealing plate contains the reformed gas generated in the space. A reforming gas outlet pipe that discharges to the outside of the reforming container is connected, and a combustion gas outlet pipe that discharges combustion gas is connected to the other end surface of the reforming container. To.
すなわち、本発明は、炭化水素系燃料と水蒸気を改質触媒層に供給し、内筒と外筒と第1の封止板を介して改質触媒層に熱を供給することにより水蒸気改質反応を生じさせ、この反応により改質ガスを生成させるようにしている。これにより、改質ガス中には窒素などの希釈ガスが混入することがなく、改質ガス中の水素濃度を高く維持することができるため、燃料電池と連携したシステムにおいて発電効率を高く維持することができる。 That is, the present invention supplies a hydrocarbon-based fuel and steam to the reforming catalyst layer, and supplies steam to the reforming catalyst layer through the inner cylinder, the outer cylinder, and the first sealing plate, thereby steam reforming. A reaction is generated, and a reformed gas is generated by this reaction. As a result, the reformed gas is not mixed with a diluent gas such as nitrogen, and the hydrogen concentration in the reformed gas can be maintained high, so that the power generation efficiency is maintained high in the system linked with the fuel cell. be able to.
ここで、改質触媒層に熱を供給する燃焼ガスは、燃焼筒と内筒との間の隙間を流れた後に第1の封止板に沿って半径方向の外側に流れ、その後は外筒と改質容器との間の隙間を流れて燃焼ガス出口管より排出される。このように燃焼ガスの流路を形成し、改質触媒層を取り囲むように加熱することにより、熱放散により改質触媒層の温度が低下するのを抑制することができる。また、空間部に連通する連絡管内に改質触媒が充填されている場合、燃焼ガスを第1の封止板に沿って流すことにより連絡管内の改質触媒を効果的に加熱することができる。このような多重円筒構造の採用により、コンパクトな装置構成となり、しかも、改質触媒の加熱効率を向上させることができる。 Here, the combustion gas that supplies heat to the reforming catalyst layer flows through the gap between the combustion cylinder and the inner cylinder, then flows radially outward along the first sealing plate, and thereafter the outer cylinder It flows through the gap between the gas and the reforming vessel and is discharged from the combustion gas outlet pipe. By thus forming the combustion gas flow path and heating the reforming catalyst layer so as to surround it, it is possible to suppress the temperature of the reforming catalyst layer from being lowered due to heat dissipation. In addition, when the reforming catalyst is filled in the communication pipe communicating with the space, the reforming catalyst in the communication pipe can be effectively heated by flowing the combustion gas along the first sealing plate. . By adopting such a multi-cylindrical structure, a compact apparatus configuration can be obtained, and the heating efficiency of the reforming catalyst can be improved.
この場合において、連絡管は、第1の封止板に周方向で複数接続されているものとする。このようにすれば、改質触媒層には、炭化水素系原料と水蒸気とが連絡管を通じて周方向から供給されるため、改質触媒を有効利用できるとともに、改質効率を向上させることができる。 In this case, a plurality of connecting pipes are connected to the first sealing plate in the circumferential direction. In this way, since the hydrocarbon-based raw material and steam are supplied to the reforming catalyst layer from the circumferential direction through the connecting pipe, the reforming catalyst can be used effectively and the reforming efficiency can be improved. .
また、燃焼ガス出口管は、改質容器の他端面に周方向で複数接続されているものとする。このようにすれば、燃焼ガスの偏流を抑制することができるため、改質触媒層の加熱効率を向上させることができる。 Further, a plurality of combustion gas outlet pipes are connected in the circumferential direction to the other end surface of the reforming vessel. In this way, since the drift of the combustion gas can be suppressed, the heating efficiency of the reforming catalyst layer can be improved.
また、空間部の上方に配置されて改質ガスの温度を計測する温度センサと、燃焼筒内に配置されて筒内を流れる燃焼ガスを加熱する加熱手段と、温度センサの検出結果に基づいて加熱手段を起動させる起動手段とを備えるものとする。このようにすれば、例えば、温度センサの検出温度が低いときは加熱手段を起動させ、燃焼ガスの温度を上昇させることにより、改質効率の低下を抑制することができ、燃料電池の低負荷運転中や水素製造装置の起動時などにおいても改質温度の低下を抑制できるため、水素製造装置の安定運転を実現することができる。ここで、加熱手段としては、例えば、燃焼ノズルや燃焼触媒を用いることができる。燃焼ノズルとは、炭化水素系燃料やアノード排ガスなどを噴出させるノズルをいう。 Further, based on the detection result of the temperature sensor that is disposed above the space portion and measures the temperature of the reformed gas, the heating means that is disposed in the combustion cylinder and heats the combustion gas flowing in the cylinder, and Suppose that it has a starting means which starts a heating means. In this manner, for example, when the temperature detected by the temperature sensor is low, the heating means is activated to raise the temperature of the combustion gas, thereby suppressing a reduction in reforming efficiency, and reducing the load on the fuel cell. Since the reduction of the reforming temperature can be suppressed even during operation or when the hydrogen production apparatus is started, stable operation of the hydrogen production apparatus can be realized. Here, as the heating means, for example, a combustion nozzle or a combustion catalyst can be used. The combustion nozzle refers to a nozzle that ejects hydrocarbon fuel, anode exhaust gas, or the like.
また、原料供給手段は炭化水素系燃料と水蒸気と空気を供給するものであり、空間部の上方に配置されて改質ガスの温度を計測する温度センサと、連絡管に供給する炭化水素系燃料と水蒸気と空気の供給量をそれぞれ調節する調節手段と、温度センサの検出結果に基づいて調節手段により炭化水素系燃料と水蒸気と空気の供給量をそれぞれ制御する制御手段とを備えるものとする。 The raw material supply means supplies hydrocarbon fuel, water vapor, and air. The temperature sensor is disposed above the space and measures the temperature of the reformed gas, and the hydrocarbon fuel supplied to the connecting pipe. Adjustment means for adjusting the supply amounts of water, water vapor and air, and control means for controlling the supply amounts of hydrocarbon fuel, water vapor and air, respectively, by the adjustment means based on the detection result of the temperature sensor.
これによれば、例えば、温度センサの検出温度が設定温度よりも高い通常運転のときは、炭化水素系燃料と水蒸気を改質触媒層に供給し、外熱によって改質反応の熱を賄うSR水素製造装置として機能させ、温度センサの検出温度が設定温度よりも低いときは、炭化水素系燃料、水蒸気とともに空気を空間部に供給し、炭化水素系燃料の一部を触媒燃焼させることにより改質反応の熱を補うATR水素製造装置として機能させることができる。 According to this, for example, in a normal operation where the temperature detected by the temperature sensor is higher than the set temperature, the hydrocarbon fuel and steam are supplied to the reforming catalyst layer, and the heat of the reforming reaction is covered by external heat. When it functions as a hydrogen production device and the temperature detected by the temperature sensor is lower than the set temperature, it is improved by supplying air together with hydrocarbon fuel and water vapor to the space, and catalytically burning part of the hydrocarbon fuel. It can function as an ATR hydrogen production device that supplements the heat of quality reaction.
このため、通常運転時においては、改質ガス中に窒素などの希釈ガスが混入することがなく、水素濃度を高く維持することができるため、トータルの発電効率を高くすることができる。さらに、燃料電池の低負荷運転時などにおいても改質温度を維持することができるため、安定運転を実現することができる。また、炭化水素系燃料、水蒸気、空気の供給量、供給比を適正化することにより、改質反応をより安定化させることができる。 For this reason, during normal operation, dilution gas such as nitrogen is not mixed in the reformed gas, and the hydrogen concentration can be kept high, so that the total power generation efficiency can be increased. Furthermore, since the reforming temperature can be maintained even during low load operation of the fuel cell, stable operation can be realized. In addition, the reforming reaction can be further stabilized by optimizing the supply amount and supply ratio of hydrocarbon fuel, water vapor, and air.
また、外筒の外周面と改質容器の内周面との間の隙間には、原料供給手段の供給管内を流れる炭化水素系燃料と水蒸気を予熱する予熱手段を介装するようにする。このようにすれば、改質容器からの放熱の一部を炭化水素系燃料などの予熱に利用することができるため、水素製造装置の熱効率を向上させることができる。 Further, in the gap between the outer peripheral surface of the outer cylinder and the inner peripheral surface of the reforming vessel, a preheating means for preheating hydrocarbon fuel and water vapor flowing in the supply pipe of the raw material supply means is interposed. In this way, part of the heat released from the reforming vessel can be used for preheating hydrocarbon fuel and the like, so that the thermal efficiency of the hydrogen production apparatus can be improved.
このような構成の水素製造装置は、燃料電池と、燃料電池により発電された電力を変換するインバータと、燃料電池のアノード排ガスを含む燃料を燃焼させて熱回収する熱回収手段とを含む、燃料電池システムを構成することができる。 The hydrogen production apparatus having such a configuration includes a fuel cell, an inverter that converts electric power generated by the fuel cell, and a heat recovery unit that recovers heat by burning fuel including anode exhaust gas of the fuel cell, A battery system can be configured.
本発明によれば、改質ガス中の水素濃度を高く維持するとともに、装置のコンパクト化を実現することができる。 According to the present invention, the hydrogen concentration in the reformed gas can be maintained high and the apparatus can be made compact.
以下、本発明を適用してなる第1の実施の形態について図1を参照して説明する。図1は、本発明を適用してなる水素製造装置の構成を示す断面図である。 A first embodiment to which the present invention is applied will be described below with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a hydrogen production apparatus to which the present invention is applied.
本実施の形態の水素製造装置は、都市ガス、LPG、灯油などの炭化水素系の気体・液体燃料を原燃料とし、燃焼ガスにより熱を与えて改質触媒の存在下、原燃料と水蒸気とを反応させることにより、水素を含む改質ガスを生成させるものである。 The hydrogen production apparatus of the present embodiment uses a hydrocarbon-based gas / liquid fuel such as city gas, LPG, kerosene, etc. as raw fuel, and heat is supplied by the combustion gas, in the presence of the reforming catalyst, To generate a reformed gas containing hydrogen.
本実施の形態の水素製造装置は、図1に示すように、ケーシング1、外筒3、内筒5、燃焼管7、燃焼器9、原料連絡管11、原料ヘッダー13などで構成されており、両端が封止されたケーシング1の内側には、外筒3が同心状に配置され、外筒3の内側には内筒5が同心状に配置され、内筒5の内側には燃焼管7が同心状に配置された多重円筒構造となっている。ケーシング1、外筒3、内筒5、燃焼管7は、互いに設定間隔をあけて配置されている。外筒3や内筒5などの各部材は耐熱合金により形成されている。
As shown in FIG. 1, the hydrogen production apparatus of the present embodiment includes a casing 1, an
内筒5は、燃焼管が挿通される側(原料供給側)の一端が開放され、その一端と外筒3の一端との隙間がリング状の円盤又は鏡板のプレート15により封止される一方、他端は燃焼管7の先端開口と設定間隔をあけて配置される円盤又は半球、半楕円の鏡板のプレート17により封止されている。外筒3の他端は、プレート17と間隔をあけて配置されるプレート19により封止されている。プレート15,17,19は耐熱合金で形成されている。
One end of the
外筒3と内筒5に挟まれる空間には、改質触媒21が充填される空間部23が形成されており、例えば、空間部23の上方、つまりプレート17,19及び外筒3により囲まれた空間は、改質触媒21が充填されない改質ガスの集合部となっている。また、空間部23の原料供給側に位置するプレート15には周方向で複数の貫通孔が形成されており、この貫通孔には原料連絡管11の一端が接続されている。原料連絡管11の他端には、原料供給管25より供給された炭化水素系燃料と水蒸気を分散、混合する原料ヘッダー13が接続されている。原料連絡管11は、原料ヘッダー13との接続口付近に、改質触媒の落下防止となるパンチングプレート31が設けられている。
A
一方、プレート19の中央付近には貫通孔が形成されており、この貫通孔には、空間部23で生成された改質ガスをケーシング1の外へ排出する改質ガス出口ノズル27が接続されている。また、プレート19の外側のケーシング1の側面には貫通孔が形成されており、この貫通孔には、燃焼ガスを排出する燃焼ガス出口ノズル29が接続されている。
On the other hand, a through hole is formed near the center of the
原料供給管25は、炭化水素系燃料、水蒸気の供給管により構成されており、図示しない制御装置により各供給管から原料ヘッダー13に供給される供給量が制御されるようになっている。
The raw
燃焼器9には、燃焼用燃料と燃焼用空気の供給管路が接続されており、ここで燃焼用燃料を燃焼させて生成された燃焼ガスは、燃焼管7を通じてケーシング1内に供給されるようになっている。さらに、本実施の形態では、例えば、燃料電池システムにおいて燃料電池のアノードから排出されるアノード排ガスが燃焼器9に供給されるようになっている。
空間部23に充填される改質触媒は、ニッケルや貴金属などの触媒成分をアルミナなどのセラミック材に直接担持、又は表面にコーティングし、所定の大きさに形成したものが使用され、このようにして形成された改質触媒が空間部23に複数充填されることにより改質触媒層が形成される。
As the reforming catalyst filled in the
次に、本実施の形態の水素製造装置の動作について説明する。燃焼器9から排出された燃焼ガスは、燃焼管7内を通過した後、プレート17に衝突して流れ方向が反転し、燃焼管7と内筒5との間の隙間を空間部23のガス流れ方向と逆向きに流れ、輻射、対流伝熱により内筒5の内周側から改質触媒層を加熱する。内筒5の開口を出た燃焼ガスは、プレート15と原料ヘッダー13とケーシング1に囲まれた空間(バッファ)に導かれる。
Next, operation | movement of the hydrogen production apparatus of this Embodiment is demonstrated. After the combustion gas discharged from the
この空間は、熱容量が比較的大きく、例えば、背圧が1kPa以下に設定されている。燃焼ガスはこの空間内をプレート15に沿って半径方向外向きに放射状に流れ、その途中で原料連絡管11に充填される改質触媒、プレート15の内側に充填される改質触媒をそれぞれ加熱する。
This space has a relatively large heat capacity, for example, a back pressure of 1 kPa or less. The combustion gas flows radially outward in the space along the
そして、燃焼ガスは、外筒3とケーシング1との間の隙間を空間部23のガス流れ方向と同じ向きに流れ、外筒3を外周側から包み込み、改質触媒層を加熱することにより、熱放散による改質触媒層の温度低下を抑制する。外筒3とケーシング1との間の隙間を通過した燃焼ガスは、燃焼ガス出口ノズル29より排出される。
Then, the combustion gas flows through the gap between the
一方、原料供給管25を通じて原料ヘッダー13に供給された炭化水素系燃料と水蒸気は、ここにおいて分散、混合された後、原料連絡管11を通って空間部23の改質触媒層に導かれる。燃焼ガスの熱により周囲から加熱された改質触媒層に炭化水素系燃料と水蒸気が供給されると、水蒸気改質反応が進行し、改質ガスが生成される。ここで生成された改質ガスは、改質触媒層を通過した後、集合部を経て改質ガス出口ノズル27からケーシング1の外側へ排出される。
On the other hand, the hydrocarbon fuel and water vapor supplied to the
このように本実施の形態では、水素製造装置を多重円筒構造としているため、装置のコンパクト化を実現することができる。また、外筒3、内筒5、プレート15の外側に燃焼ガスを流し、改質触媒層を包み込むように熱を供給する構成としているから、熱放散による改質触媒層の温度の低下を抑制することができ、改質効率を高く維持することができる。
Thus, in this embodiment, since the hydrogen production apparatus has a multi-cylindrical structure, the apparatus can be made compact. In addition, since the combustion gas flows outside the
ここで、燃焼ガスが熱を内筒5側から供給する場合と外筒3側から供給する場合とでは、後者の方が、燃焼ガス温度が低いことから、改質触媒層の断面方向の温度は内筒5から外筒3へ向かって低下することが考えられる。このため、内筒5と外筒3との間隙、つまり改質触媒層の幅を所定の幅(例えば、20mm以下)に設定することにより、温度分布を抑制することができる。
Here, in the case where the combustion gas supplies heat from the
次に、本発明を適用してなる第2の実施の形態について図2を参照して説明する。図2は、本発明を適用してなる水素製造装置の構成を示す断面図である。なお、以下に説明する実施の形態において、図1と同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。 Next, a second embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a hydrogen production apparatus to which the present invention is applied. In the embodiment described below, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
本実施の形態は、燃焼ガス出口ノズル29を複数設置している点で、第1の実施の形態と相違する。ここで、好ましくは、燃焼ガス出口ノズル29をケーシングの一端面に周方向で等間隔に複数設置するようにする。このようにすれば、燃焼ガスの偏流を抑制できるため、改質触媒層の加熱効率を向上させることができる。
This embodiment is different from the first embodiment in that a plurality of combustion
次に、本発明を適用してなる第3の実施の形態について図3を参照して説明する。図3は、本発明を適用してなる水素製造装置の構成を示す断面図である。 Next, a third embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a hydrogen production apparatus to which the present invention is applied.
本実施の形態は、空間部23の上方に改質ガスの温度を計測する熱電対33を配置し、熱電対33の計測信号を制御装置35へ送信可能としていること、及び、改質触媒としてニッケル系改質触媒の代わりに燃焼・改質特性の両方を持ち合わせた改質触媒を充填し、空間部23へ炭化水素系燃料、水蒸気とともに空気を供給可能としている点で、第1の実施の形態と相違する。ここで、空気の供給量は、炭化水素系燃料や水蒸気と同様、制御装置35により調整可能となっている。
In the present embodiment, a
水素製造装置の起動時はアノード排ガスが燃焼器9に供給されず、また、燃料電池の低負荷時は燃焼排ガスの流速、温度が低いため、燃焼器9からケーシング1内に供給される燃焼ガスの温度が通常運転時よりも低くなり、改質触媒層の反応温度が維持できない場合がある。このような場合、制御装置35は、熱電対33の計測信号により改質温度の低下を検知すると、炭化水素系燃料と水蒸気に加えて、空気を所定の流量比で改質触媒層に供給するように制御する。
The anode exhaust gas is not supplied to the
これによれば、炭化水素系燃料の一部を空気により燃焼させ、その時に発生する熱により改質触媒層を加熱することができるため、水蒸気改質反応を進行させ、水素を含有する改質ガスを生成させることができる。これにより、燃料電池の低負荷運転時などにおいても、改質温度の低下を抑制することができ、安定運転を実現することができる。 According to this, a part of the hydrocarbon-based fuel can be combusted with air, and the reforming catalyst layer can be heated by the heat generated at that time. Gas can be generated. Thereby, even at the time of low load operation of the fuel cell, a reduction in reforming temperature can be suppressed, and stable operation can be realized.
すなわち、本実施の形態の水素製造装置は、例えば、温度センサの検出温度が設定温度よりも高い通常運転のときは、外熱によって改質反応の熱を賄うSR水素製造装置として機能し、温度センサの検出温度が設定温度よりも低いときは、炭化水素系燃料の一部を触媒燃焼させることにより改質反応の熱を補うATR水素製造装置として機能することから、両方の長所を生かした運転を実現できる。 That is, the hydrogen production apparatus of the present embodiment functions as an SR hydrogen production apparatus that covers the heat of the reforming reaction by external heat, for example, during normal operation where the temperature detected by the temperature sensor is higher than the set temperature. When the temperature detected by the sensor is lower than the set temperature, it functions as an ATR hydrogen production device that compensates for the heat of the reforming reaction by catalytic combustion of a portion of the hydrocarbon-based fuel. Can be realized.
また、本実施の形態では、制御装置35により炭化水素系燃料、水蒸気、空気の流量比を制御するようにしている。具体的に、S/C(改質蒸気のモル数/原料中の炭素原子のモル数)=2.0〜3.5、O2/C(空気中の酸素のモル数/原料中の炭素原子のモル数)=0〜0.4の範囲になるように水素製造装置の運転を行う。これによれば、改質触媒層の反応温度の維持とカーボンの析出を防止することができる。
In the present embodiment, the
次に、本発明を適用してなる第4の実施の形態について図4を参照して説明する。図4は、本発明を適用してなる水素製造装置の構成を示す断面図である。 Next, a fourth embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a hydrogen production apparatus to which the present invention is applied.
本実施の形態では、燃焼管7の管内の上流側から中間部の間に燃焼触媒37を設置し、制御装置35は熱電対33の計測信号に基づいて燃焼触媒37の加熱の有無を制御するようにしている点で、第3の実施の形態と相違する。
In the present embodiment, the
このようにすれば、改質ガスの温度が低下する燃料電池の低負荷運転時、水素製造装置の起動時において、燃焼触媒を起動させ、改質触媒層を内側から直接的に加熱するとともに、加熱された燃焼ガスを通流させて外側からも間接的に加熱することができるため、改質効率の低下を抑制することができる。なお、燃焼触媒37に代えて、例えば、燃焼用燃料を噴出する燃焼ノズルなど、他の加熱手段を設置するようにしてもよい。
In this way, at the time of low load operation of the fuel cell in which the temperature of the reformed gas is lowered, when the hydrogen production apparatus is started, the combustion catalyst is started and the reforming catalyst layer is directly heated from the inside, Since the heated combustion gas can be passed through and heated indirectly from the outside, a reduction in reforming efficiency can be suppressed. Instead of the
次に、本発明を適用してなる第5の実施の形態について図5を参照して説明する。図5は、本発明を適用してなる水素製造装置の構成を示す断面図である。 Next, a fifth embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a hydrogen production apparatus to which the present invention is applied.
本実施の形態では、外筒3とケーシング1との間の燃焼ガス流路に炭化水素系燃料と水蒸気と空気を加熱する気化器39が設置されている点で、第4の実施の形態と相違する。
In the present embodiment, a
これによれば、ケーシング1からの放熱の一部を炭化水素系燃料や水蒸気などの予熱に利用し、好ましくは気化させることにより、ケーシング1からの放熱を抑制し、熱効率を向上させることができる。ここで、気化器39は、外筒3の外周面に沿って配置され、燃焼ガスの熱を炭化水素系燃料などの流路に伝達する構成のものであれば、特に限定されない。
According to this, a part of the heat radiation from the casing 1 is used for preheating such as hydrocarbon fuel and water vapor, and preferably vaporized, thereby suppressing the heat radiation from the casing 1 and improving the thermal efficiency. . Here, the
次に、本発明を適用してなる第6の実施の形態について図6を参照して説明する。図6は、本発明を適用してなる水素製造装置を用いた燃料電池システムの構成図である。 Next, a sixth embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a configuration diagram of a fuel cell system using a hydrogen production apparatus to which the present invention is applied.
本実施の形態は、第5の実施の形態の水素製造装置41に、COシフト部43、CO選択酸化部45、固体高分子形燃料電池(PEFC)47、インバータ49、貯湯槽51などを加えてPEFCシステムとしたものである。水素製造装置41から排出された改質ガスは改質ガス用熱交換器53、COシフト部43、CO選択酸化部45の順に導かれ、CO濃度が10ppm以下に低減された後、固体高分子形燃料電池47へ供給される。
In the present embodiment, a CO shift unit 43, a CO
ガス圧縮機55により都市ガス57は都市ガス供給配管59を経由して、空気ポンプ61により空気63は空気供給配管65を経由して、水ポンプ67により水69は水供給配管71を経由して、それぞれ補助燃焼室73に供給され、都市ガス57及び空気63の予熱、水69の気化が行われる。
The
都市ガス供給配管59には脱硫器75が設置され、都市ガス中の付臭剤が除去される。COシフト部43とCO選択酸化部45との間の配管には、酸化用空気ポンプ77を用いて酸化用空気79が酸化用空気配管81により供給される。COシフト部43では、冷却水83がCOシフト部の触媒用熱交換器85へ供給されることにより温度調節が行われる。CO選択酸化部45では、冷却水87がCO選択酸化部の触媒用熱交換器89へ供給されることにより温度調整が行われる。
A
固体高分子形燃料電池47では、アノード91へ供給した改質ガス中に含まれる水素とカソード93へ供給したカソード用空気95中に含まれる酸素が電極反応することにより発電し、インバータ49を介して電力97として取り出される。電極反応で発電に利用されなかった水素は発熱し、この熱は電池排熱として凝縮水の潜熱とともに電池部冷却水99が回収される。熱回収した電池部冷却水99は、貯湯槽51へ導かれて給湯101として利用される。貯湯槽51には水道水103が供給される。電極反応に利用されなかった水素を含むガスはアノード排ガス排出管105からアノード排ガスとして抜き出され、水素製造装置41、補助燃焼室73へ導かれる。
In the polymer electrolyte fuel cell 47, the hydrogen contained in the reformed gas supplied to the anode 91 and the oxygen contained in the
補助燃焼室73において、アノード排ガスの燃焼は、アノード排ガス燃焼用空気107を用いて行う。アノード排ガスの発熱量が少ない場合、改質部助燃用都市ガス圧縮機109を用いて改質部助燃用都市ガス111を改質部助燃用都市ガス供給配管113から補助燃焼室73へ供給する。
In the auxiliary combustion chamber 73, the anode exhaust gas is burned using the anode exhaust
給湯の追い焚きをする場合、給湯部助燃用都市ガス供給管115を通じて給湯部助燃用都市ガス117が追焚器119へ供給される。アノード排ガスは、補助燃焼室73において燃焼され、燃焼排ガス121となって補助燃焼室73から排出される。以上の動作を行うため、制御装置121により各機器の動作が制御される。
In the case of replenishing hot water, the hot water supply portion supporting
1 ケーシング
3 外筒
5 内筒
7 燃焼管
9 燃焼器
11 原料連絡管
13 原料ヘッダー
15,17,19 プレート
21 改質触媒
23 空間部
25 原料供給管
27 改質ガス出口ノズル
29 燃焼ガス出口ノズル
31 パンチングプレート
35 制御装置
37 燃焼触媒
39 気化器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (7)
両端が封止された中空筒状の改質容器と、該改質容器の内側に同心状に配置される外筒と、該外筒の内側に同心状に配置される内筒と、前記改質容器の一端面を貫通して前記内筒の内側に同心状に延在して設けられる中空の燃焼筒と、該燃焼筒の基端に接続されて前記燃焼筒内に燃焼ガスを供給する燃焼器とを有し、前記改質容器と前記外筒と前記内筒と前記燃焼筒とは互いに設定間隔をあけて設けられてなり、
前記内筒は、前記燃焼管が挿通される側の一端が開放され、該一端と前記外筒の一端との隙間がリング状の第1の封止板により封止される一方、他端は前記燃焼筒の先端開口と間隔をあけて配置される第2の封止板により封止され、前記外筒の他端は、前記第2の封止板と間隔をあけて配置される第3の封止板により封止されてなり、
前記内筒と前記外筒との隙間には、前記改質触媒が充填される空間部が形成されており、前記第1の封止板には前記改質触媒が充填される連絡管の一端が接続され、該連絡管の他端には前記炭化水素系燃料と前記水蒸気を供給する原料供給手段が接続されてなり、
前記第3の封止板には、前記空間部で生成された前記改質ガスを前記改質容器の外へ排出する改質ガス出口管が接続され、前記改質容器の他端面には、前記燃焼ガスを排出する燃焼ガス出口管が接続されてなる水素製造装置。 A hydrogen production apparatus that generates a reformed gas by heating a hydrocarbon fuel and steam,
A hollow cylindrical reforming container sealed at both ends, an outer cylinder disposed concentrically inside the reforming container, an inner cylinder disposed concentrically inside the outer cylinder, and the modified A hollow combustion cylinder provided concentrically on the inner side of the inner cylinder through one end surface of the quality vessel, and connected to the proximal end of the combustion cylinder to supply combustion gas into the combustion cylinder Having a combustor, the reforming vessel, the outer cylinder, the inner cylinder and the combustion cylinder are provided at a set interval from each other,
The inner cylinder is open at one end on the side through which the combustion tube is inserted, and a gap between the one end and one end of the outer cylinder is sealed by a ring-shaped first sealing plate, while the other end is Sealed by a second sealing plate disposed at a distance from the tip opening of the combustion cylinder, and the other end of the outer cylinder is disposed at a distance from the second sealing plate. It is sealed with a sealing plate of
A space for filling the reforming catalyst is formed in a gap between the inner cylinder and the outer cylinder, and one end of a communication pipe in which the first sealing plate is filled with the reforming catalyst. The other end of the connecting pipe is connected to a raw material supply means for supplying the hydrocarbon fuel and the water vapor,
The third sealing plate is connected to a reformed gas outlet pipe for discharging the reformed gas generated in the space portion out of the reforming vessel, and the other end surface of the reforming vessel is A hydrogen production apparatus to which a combustion gas outlet pipe for discharging the combustion gas is connected.
前記空間部の上方に配置されて前記改質ガスの温度を計測する温度センサと、前記連絡管に供給する炭化水素系燃料と水蒸気と空気の供給量をそれぞれ調節する調節手段と、前記温度センサの検出結果に基づいて前記調節手段により前記炭化水素系燃料と水蒸気と空気の供給量をそれぞれ制御する制御手段とを備えてなる請求項1乃至3のいずれかに記載の水素製造装置。 The raw material supply means supplies hydrocarbon fuel, water vapor and air,
A temperature sensor disposed above the space for measuring the temperature of the reformed gas; an adjusting means for adjusting supply amounts of hydrocarbon-based fuel, water vapor and air supplied to the connecting pipe; and the temperature sensor. 4. The hydrogen production apparatus according to claim 1, further comprising: a control unit that controls the supply amounts of the hydrocarbon-based fuel, water vapor, and air by the adjusting unit based on the detection result.
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