JP2009091187A - Hydrogen producing apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen producing apparatus capable of improving the removal efficiency of carbon monoxide by enhancing the reaction efficiency of a catalytic reaction for removing carbon monoxide. <P>SOLUTION: The hydrogen producing apparatus is provided with a CO removing part 15 for removing carbon monoxide contained in a reformed gas from a reformer 13, a lower part channel S4 for cooling the CO removing part 15 by reforming water introduced into the reformer 13 for steam reforming, thermocouples 61, 62 provided in the CO removing part 15 and a reforming water control part 65 for controlling the flow rate of reforming water W flowing a cooling line S4 based on the temperature detected by the thermocouples 61, 62. The carbon monoxide removing efficiency is improved by controlling the flow rate of the reforming water based on the temperature detected by the thermocouples 61, 62 to easily keep the CO removing part 15 at the optimum temperature. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、水素リッチな改質ガスを生成する水素製造装置に関する。   The present invention relates to a hydrogen production apparatus that generates a hydrogen-rich reformed gas.

特許文献1には、灯油やガソリンなどの水素製造用原料を水蒸気改質して改質ガスを生成し、生成した改質ガスを燃料電池スタックに供給する水素製造装置が開示されている。この種の水素製造装置は、改質触媒を収容する改質器を備えている。改質器内には、燃料ガスと水蒸気とが導入される。改質器内の改質触媒は、バーナなどによって所定の温度まで加熱される。燃料ガス及び水蒸気は、所定の温度まで加熱された改質触媒によって水蒸気改質が促進される。改質器で生成された改質ガス中には、被毒によって発電効率を低下させる一酸化炭素が含まれている。そのため、水素製造装置には、水性シフト反応によって一酸化炭素を低減する変成器と、選択酸化反応によって一酸化炭素を更に低減する選択酸化器とが設けられている。水性シフト反応や選択酸化反応は発熱反応であり、変成器や選択酸化器が高温に成りすぎると反応効率が低下する。そのため、変成器や選択酸化器は冷却水によって適宜冷却されている。
特開2004−175621号公報
Patent Document 1 discloses a hydrogen production apparatus that generates a reformed gas by steam reforming a raw material for hydrogen production such as kerosene or gasoline, and supplies the produced reformed gas to a fuel cell stack. This type of hydrogen production apparatus includes a reformer that houses a reforming catalyst. Fuel gas and water vapor are introduced into the reformer. The reforming catalyst in the reformer is heated to a predetermined temperature by a burner or the like. The steam reforming of the fuel gas and steam is promoted by the reforming catalyst heated to a predetermined temperature. The reformed gas produced by the reformer contains carbon monoxide that reduces power generation efficiency due to poisoning. Therefore, the hydrogen production apparatus is provided with a converter that reduces carbon monoxide by an aqueous shift reaction and a selective oxidizer that further reduces carbon monoxide by a selective oxidation reaction. The aqueous shift reaction and the selective oxidation reaction are exothermic reactions, and the reaction efficiency decreases when the transformer or the selective oxidizer becomes too high in temperature. Therefore, the transformer and the selective oxidizer are appropriately cooled with cooling water.
JP 2004-175621 A

しかしながら、従来の水素製造装置では、変成器や選択酸化器を最適な温度に保つための制御が不十分であり、水性シフト反応や選択酸化反応といった触媒反応の反応効率の低下につながり易く、一酸化炭素の除去が不十分になる虞があった。   However, in the conventional hydrogen production apparatus, the control for maintaining the transformer and the selective oxidizer at an optimum temperature is insufficient, and the reaction efficiency of the catalytic reaction such as the aqueous shift reaction and the selective oxidation reaction tends to be reduced. There was a risk that the removal of carbon oxide would be insufficient.

本発明は、以上の課題を解決することを目的としており、一酸化炭素を除去する触媒反応の反応効率を向上させて一酸化炭素の除去効率を向上させることができる水素製造装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve the above problems, and to provide a hydrogen production apparatus capable of improving the reaction efficiency of a catalytic reaction for removing carbon monoxide and improving the removal efficiency of carbon monoxide. With the goal.

本発明に係る水素製造装置は、水素製造用原料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質部と、改質部からの改質ガスに含まれる一酸化炭素を水性シフト反応により除去するシフト部と、シフト部からの改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化する選択酸化部と、改質のために改質部に導入する改質用水によってシフト部及び選択酸化部を冷却する冷却ラインと、シフト部の温度を検出する第1のセンサ部と、選択酸化部の温度を検出する第2のセンサ部と、第1のセンサ部及び第2のセンサ部によって検出された温度に基づいて、冷却ラインを流動する改質用水の流量を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。   A hydrogen production apparatus according to the present invention includes a reforming unit that reforms a raw material for hydrogen production to generate a hydrogen-rich reformed gas, and an aqueous shift reaction of carbon monoxide contained in the reformed gas from the reforming unit. The shift unit removed by the step, the selective oxidation unit that selectively oxidizes carbon monoxide contained in the reformed gas from the shift unit, and the shift unit and the selective oxidation unit by the reforming water introduced into the reforming unit for reforming Detected by a cooling line for cooling the first sensor unit, a first sensor unit for detecting the temperature of the shift unit, a second sensor unit for detecting the temperature of the selective oxidation unit, and the first sensor unit and the second sensor unit. And a control unit for controlling the flow rate of the reforming water flowing in the cooling line based on the temperature.

この水素製造装置では、冷却ラインを流動する改質用水によってシフト部及び選択酸化部を冷却し、シフト部及び選択酸化部との熱交換によって加熱された改質用水を改質部に導入できるために効率が良い。さらに、制御部は、第1のセンサ部及び第2のセンサ部によって検出される温度を介してシフト部及び選択酸化部の温度を監視しており、この温度に基づいて、改質用水の流量を制御するため、シフト部及び選択酸化部を最適な温度に維持し易い。その結果として、水性シフト反応や選択酸化反応の反応効率を向上させて一酸化炭素の除去効率を向上させることができる。   In this hydrogen production apparatus, the shift unit and the selective oxidation unit can be cooled by the reforming water flowing in the cooling line, and the reforming water heated by heat exchange with the shift unit and the selective oxidation unit can be introduced into the reforming unit. Efficient. Further, the control unit monitors the temperatures of the shift unit and the selective oxidation unit via the temperatures detected by the first sensor unit and the second sensor unit, and based on this temperature, the flow rate of the reforming water Therefore, it is easy to maintain the shift unit and the selective oxidation unit at an optimum temperature. As a result, the efficiency of removing carbon monoxide can be improved by improving the reaction efficiency of the aqueous shift reaction and the selective oxidation reaction.

さらに、改質部に供給される水素製造用原料の供給量は、改質ガスの所望の生成量に応じて決定され、改質部に供給される改質用水の基準供給量は、水素製造用原料の供給量に応じて決定され、制御部は、第1のセンサ部によって検出された温度が第1の閾値以上のとき、または第2のセンサ部によって検出された温度が第2の閾値以上のときには、改質用水の基準供給量に加えて余剰分の改質用水を供給するように、改質用水の流量を制御すると好適である。余剰分の改質用水は改質部で反応せずに通過してしまうため、改質部での反応に対する影響は少なく、さらに、改質用水の基準供給量を安定して維持できるため、改質ガスの生成効率を低下させることなくシフト部及び選択酸化部を効果的に冷却できる。   Furthermore, the supply amount of the raw material for hydrogen production supplied to the reforming unit is determined according to the desired generation amount of the reformed gas, and the reference supply amount of reforming water supplied to the reforming unit is the hydrogen production The control unit determines whether the temperature detected by the first sensor unit is equal to or higher than the first threshold value, or the temperature detected by the second sensor unit is the second threshold value. In the above case, it is preferable to control the flow rate of the reforming water so that an excessive amount of the reforming water is supplied in addition to the reference supply amount of the reforming water. The surplus reforming water passes without reacting in the reforming section, so there is little influence on the reaction in the reforming section, and the standard supply amount of reforming water can be stably maintained. The shift portion and the selective oxidation portion can be effectively cooled without reducing the production efficiency of the quality gas.

さらに、シフト部は、高温シフト部と、高温シフト部よりも低温での水性シフト反応に適していると共に、高温シフト部よりも改質ガスの流れの下流側に配置された低温シフト部とを有し、第1のセンサ部は、低温シフト部の入口に配置されていると好適である。改質部からの改質ガスは高温状態でシフト部に導入され、シフト部を通過する過程で徐々に温度が下がる。したがって、高温シフト部を改質ガスの流れの上流側に配置し、低温シフト部を下流側に配置することで、水性シフト反応を効率良く行うことができる。さらに、低温シフト部では、入口の温度が最も高くなり、第1のセンサ部を低温シフト部の入口に配置することで、低温シフト部全体の温度を最適な温度に維持し易くなる。その結果として、低温シフト部での水性シフト反応の反応効率を向上できる。   Further, the shift unit includes a high-temperature shift unit and a low-temperature shift unit that is suitable for an aqueous shift reaction at a lower temperature than the high-temperature shift unit, and is disposed downstream of the reformed gas flow from the high-temperature shift unit. The first sensor unit is preferably arranged at the inlet of the low temperature shift unit. The reformed gas from the reforming section is introduced into the shift section at a high temperature, and the temperature gradually decreases while passing through the shift section. Therefore, the aqueous shift reaction can be efficiently performed by disposing the high temperature shift portion on the upstream side of the reformed gas flow and disposing the low temperature shift portion on the downstream side. Furthermore, in the low temperature shift part, the temperature of the inlet becomes the highest, and by arranging the first sensor part at the inlet of the low temperature shift part, the temperature of the entire low temperature shift part can be easily maintained at an optimum temperature. As a result, the reaction efficiency of the aqueous shift reaction in the low temperature shift part can be improved.

さらに、冷却ラインは、選択酸化部に伝熱可能に接続された第1のラインと、シフト部に伝熱可能に接続された第2のラインと、を有し、第1のラインは、第2のラインよりも改質用水の流れの上流側に配置されていると好適である。第1のラインを流れる改質用水は、主として選択酸化部との間で熱交換され、その改質用水の一部は水蒸気になって第2のラインに導入される。したがって、低温の水のみでシフト部を急激に冷却する場合に比べてシフト部での温度分布のばらつきは抑制される。   Further, the cooling line includes a first line connected to the selective oxidation unit so as to be capable of transferring heat, and a second line connected to the shift unit so as to be able to transfer heat, wherein the first line includes: It is preferable that it is arranged on the upstream side of the flow of reforming water with respect to the second line. The reforming water flowing in the first line is mainly heat-exchanged with the selective oxidation unit, and a part of the reforming water is converted into water vapor and introduced into the second line. Therefore, variation in temperature distribution in the shift portion is suppressed as compared with the case where the shift portion is rapidly cooled only with low-temperature water.

さらに、冷却ラインに設けられた水温検出センサを備え、制御部は、第1のセンサ部及び第2のセンサ部によって検出された温度に加え、水温検出センサによって検出された温度に基づいて、冷却ラインを流動する改質用水の流量を制御すると好適である。水温検出センサによって、冷却ラインを流れる改質用水の温度を監視できる。そして、制御部は、改質用水の温度に基づいて、改質用水の流量を制御するため、シフト部や選択酸化部の温度上昇をより確実に抑えることができる。その結果として、一酸化炭素の除去効率を向上させることができる。   Furthermore, a water temperature detection sensor provided in the cooling line is provided, and the control unit cools based on the temperature detected by the water temperature detection sensor in addition to the temperature detected by the first sensor unit and the second sensor unit. It is preferable to control the flow rate of the reforming water flowing in the line. The temperature of the reforming water flowing through the cooling line can be monitored by the water temperature detection sensor. And since a control part controls the flow volume of reforming water based on the temperature of reforming water, it can suppress more reliably the temperature rise of a shift part or a selective oxidation part. As a result, the removal efficiency of carbon monoxide can be improved.

本発明によれば、一酸化炭素を除去するための反応効率を向上させて一酸化炭素の除去効率を向上させることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the reaction efficiency for removing carbon monoxide can be improved, and the removal efficiency of carbon monoxide can be improved.

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or equivalent elements will be denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.

図1は本発明に係る水素製造装置を適用した燃料電池システムの概略を示す図である。燃料電池システム1は、水素製造用原料として液体原料を用いて発電を行うものであり、例えば家庭用の電力供給源として採用される。ここでは、液体原料としては、入手が容易であり且つ独立して貯蔵可能であるという観点から灯油を用いている。   FIG. 1 is a diagram showing an outline of a fuel cell system to which a hydrogen production apparatus according to the present invention is applied. The fuel cell system 1 generates power using a liquid raw material as a raw material for hydrogen production, and is employed as, for example, a household power supply source. Here, kerosene is used as the liquid raw material from the viewpoint that it is easily available and can be stored independently.

図1に示されるように、燃料電池システム1は、脱硫器2、第1実施形態に係る水素製造装置(以下、「FPS」という)3A、固体高分子形燃料電池(以下、「PEFC」という)スタック4、インバータ5、及びこれらを収容する筐体6を備えている。   As shown in FIG. 1, a fuel cell system 1 includes a desulfurizer 2, a hydrogen production apparatus (hereinafter referred to as “FPS”) 3A according to the first embodiment, a solid polymer fuel cell (hereinafter referred to as “PEFC”). ) A stack 4, an inverter 5, and a housing 6 for housing them are provided.

脱硫器2は、外部から導入された液体原料を脱硫するものである。この脱硫器2には、ヒータ(不図示)が設けられており、これにより、脱硫器2は、例えば130℃〜140℃まで加熱されるようになっている。   The desulfurizer 2 desulfurizes a liquid raw material introduced from the outside. The desulfurizer 2 is provided with a heater (not shown), whereby the desulfurizer 2 is heated to, for example, 130 ° C. to 140 ° C.

FPS3Aは、熱源としてのバーナ9を備える燃焼筒11と、燃焼筒11を囲むように配置され(図2参照)、液体原料を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器(改質部)13と、改質器13から流出する改質ガス中の一酸化炭素を除去する変成器41と選択酸化器44とを備えている。変成器41は上流側に配置され、選択酸化器44は下流側に配置されており、変成器41及び選択酸化器44によってCO除去部15が構成される。   The FPS 3A is disposed so as to surround the combustion cylinder 11 including a burner 9 as a heat source (see FIG. 2), and a reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by steam reforming the liquid material. (Reforming section) 13, a transformer 41 for removing carbon monoxide in the reformed gas flowing out from the reformer 13, and a selective oxidizer 44 are provided. The transformer 41 is arranged on the upstream side, the selective oxidizer 44 is arranged on the downstream side, and the CO removing unit 15 is configured by the transformer 41 and the selective oxidizer 44.

図2に示されるように、改質器13は、燃焼筒11の外側で、燃焼筒11と同心に配置された筒状の内胴部17と、内胴部17の外側で、内胴部17と同心に配置された筒状の外胴部19と、を備え、内胴部17及び外胴部19の上部には、液体原料が気化した原料ガスと蒸気化した改質用水とが導入される導入部21が設けられている。なお、燃焼筒11と内胴部17との間には、燃焼筒11からの排ガスG2が上昇する排ガス流路S1が形成されている。排ガスG2は、内胴部17の下部近傍で最も高温であり、排ガス流路S1を上昇する際に改質器13と熱交換されて徐々に冷却される。   As shown in FIG. 2, the reformer 13 includes a cylindrical inner trunk portion 17 disposed concentrically with the combustion cylinder 11 outside the combustion cylinder 11, and an inner trunk section outside the inner trunk section 17. 17 and a cylindrical outer body portion 19 arranged concentrically with each other. In the upper portion of the inner body portion 17 and the outer body portion 19, the raw material gas vaporized from the liquid raw material and the reforming water vaporized are introduced. An introduction part 21 is provided. An exhaust gas flow path S1 in which the exhaust gas G2 from the combustion cylinder 11 rises is formed between the combustion cylinder 11 and the inner trunk portion 17. The exhaust gas G2 has the highest temperature in the vicinity of the lower portion of the inner trunk portion 17, and is heat-exchanged with the reformer 13 and gradually cooled when ascending the exhaust gas passage S1.

外胴部19の下部には、上部よりも径が小さくなっている縮径筒部19aが形成されている。内胴部17と外胴部19との間には、原料ガスと水蒸気との水蒸気改質反応を促進して改質ガスG1を生成する改質触媒C1が収容され、縮径筒部19aの下端には、改質触媒C1を支持する環状の多孔板19bが設けられている。改質触媒C1は、貴金属系水蒸気改質触媒であり、ルテニウムを用いている。改質触媒C1の触媒反応に適した温度は550°C〜800°Cである。   A reduced diameter cylindrical portion 19 a having a diameter smaller than that of the upper portion is formed at the lower portion of the outer body portion 19. A reforming catalyst C1 that promotes a steam reforming reaction between the raw material gas and the steam to generate the reformed gas G1 is accommodated between the inner barrel portion 17 and the outer barrel portion 19. An annular perforated plate 19b that supports the reforming catalyst C1 is provided at the lower end. The reforming catalyst C1 is a noble metal steam reforming catalyst and uses ruthenium. The temperature suitable for the catalytic reaction of the reforming catalyst C1 is 550 ° C to 800 ° C.

改質器13内で生成された改質ガスG1は、多孔板19bを抜けて下方に流出する。縮径筒部19a、縮径筒部19aに対面する内筒部17の下部筒部17a及び多孔板19bによって改質ガスの流出部23が形成されている。   The reformed gas G1 generated in the reformer 13 passes through the perforated plate 19b and flows downward. A reformed gas outflow portion 23 is formed by the reduced diameter cylindrical portion 19a, the lower cylindrical portion 17a of the inner cylindrical portion 17 facing the reduced diameter cylindrical portion 19a, and the perforated plate 19b.

流出部23の縮径筒部19aの外側には、筒状の仕切壁27が配置されている。仕切壁27は、流出部23の下方に配置された円形のガイド板28の縁に固定されており、ガイド板28は内胴部17の下端に固定されている。仕切壁27の外側には、円筒状の伝熱壁部29が配置され、伝熱壁部29は、改質器13の外胴部19に固定されている。   A cylindrical partition wall 27 is disposed outside the reduced diameter cylindrical portion 19 a of the outflow portion 23. The partition wall 27 is fixed to the edge of a circular guide plate 28 disposed below the outflow portion 23, and the guide plate 28 is fixed to the lower end of the inner trunk portion 17. A cylindrical heat transfer wall portion 29 is disposed outside the partition wall 27, and the heat transfer wall portion 29 is fixed to the outer body portion 19 of the reformer 13.

ガイド板28及び仕切壁27によって改質ガスG1の迂回路S2が形成される。すなわち、流出部23から流出した改質ガスG1は、ガイド板28に衝突して流れる方向が変わり、仕切壁27に案内されながら縮径筒部19aの外周面19cに沿って上昇する。その後、改質ガスG1は、仕切壁27の上端を抜けて折り返し、伝熱壁部29の内周面29aに沿って下降する。迂回路S2を流動する改質ガスG1は、仕切壁27に沿って上昇する際に、外胴部19を介して改質触媒C1と熱交換し、改質触媒C1の温度低下を防止する。   By the guide plate 28 and the partition wall 27, a detour S2 of the reformed gas G1 is formed. That is, the reformed gas G1 flowing out from the outflow portion 23 collides with the guide plate 28, changes its flowing direction, and rises along the outer peripheral surface 19c of the reduced diameter cylindrical portion 19a while being guided by the partition wall 27. Thereafter, the reformed gas G1 returns through the upper end of the partition wall 27 and descends along the inner peripheral surface 29a of the heat transfer wall portion 29. When the reformed gas G1 flowing in the detour S2 rises along the partition wall 27, the reformed gas G1 exchanges heat with the reforming catalyst C1 via the outer body portion 19 to prevent the temperature of the reforming catalyst C1 from decreasing.

伝熱壁部29の外側には、伝熱壁部29と同心に配置された筒状の上部水路壁35が設けられている。伝熱壁部29と上部水路壁35との間には、水蒸気改質のための改質用水が流動する上部水路S3が形成される。上部水路S3は、伝熱壁部29を介して改質器13に熱交換(伝熱)可能に接続されている。改質用水Wは、上部水路S3を上昇し、改質器13を介してバーナ9の熱によって加熱され、高温の水蒸気として改質器13の導入部21に供給される。なお、改質器13から流出して迂回路S2を流れる改質ガスG1は、伝熱壁部29を介して改質用水Wとの間で熱交換され、冷却される。   A cylindrical upper water channel wall 35 disposed concentrically with the heat transfer wall 29 is provided outside the heat transfer wall 29. Between the heat transfer wall portion 29 and the upper water channel wall 35, an upper water channel S3 is formed in which reforming water for steam reforming flows. The upper water channel S3 is connected to the reformer 13 via the heat transfer wall 29 so as to be capable of heat exchange (heat transfer). The reforming water W rises in the upper water channel S3, is heated by the heat of the burner 9 through the reformer 13, and is supplied to the introduction portion 21 of the reformer 13 as high-temperature steam. The reformed gas G1 flowing out of the reformer 13 and flowing through the bypass S2 is heat-exchanged with the reforming water W via the heat transfer wall 29 and cooled.

また、FPS3Aは、改質器13の下方に隣接して配置されると共に、改質器13からの改質ガスG1に含まれている一酸化炭素を除去するCO除去部15を備えている。CO除去部15は、水性シフト反応によって改質ガスG1から一酸化炭素を低減する変成器(シフト部)41と、変成器41からの改質ガスG1と酸素含有ガスとを混合する混合チャンバ42と、混合チャンバ42からの改質ガスG1(混合ガス)を冷却する冷却チャンバ部43と、冷却チャンバ部43で冷却された改質ガスG1(混合ガス)中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化器(選択酸化部)44とを備えている。CO除去部15について、更に詳しく説明する。   The FPS 3 </ b> A is disposed adjacent to the lower side of the reformer 13 and includes a CO removing unit 15 that removes carbon monoxide contained in the reformed gas G <b> 1 from the reformer 13. The CO removing unit 15 includes a transformer (shift unit) 41 that reduces carbon monoxide from the reformed gas G1 by an aqueous shift reaction, and a mixing chamber 42 that mixes the reformed gas G1 from the transformer 41 and the oxygen-containing gas. A cooling chamber section 43 that cools the reformed gas G1 (mixed gas) from the mixing chamber 42, and a selection that selectively oxidizes carbon monoxide in the reformed gas G1 (mixed gas) cooled in the cooling chamber section 43. An oxidizer (selective oxidation unit) 44 is provided. The CO removal unit 15 will be described in more detail.

CO除去部15は、略円柱状の第1領域A1と、第1領域A1の外周側に位置し、第1領域A1と同心の環状領域である第2領域A2と、第2領域A2の外周側に位置し、第1領域A1と同心の環状領域である第3領域A3を備える。第3領域A3は、有底円筒状の伝熱筒54によって囲まれている。   The CO removal unit 15 is a substantially cylindrical first region A1, an outer periphery of the first region A1, a second region A2 that is an annular region concentric with the first region A1, and an outer periphery of the second region A2. 3rd area | region A3 which is located in the side and is a cyclic | annular area | region concentric with 1st area | region A1 is provided. The third region A3 is surrounded by a bottomed cylindrical heat transfer cylinder 54.

改質器13からの改質ガスG1は、まず、第2領域A2を通って下降した後、内側の第1領域A1を上昇する。第1領域A1の上部には、第2領域A2を跨ぐようにして第1領域A1と第3領域A3とを連絡する連絡流路Rが形成されており、第1領域A1の上部に達した改質ガスG1は、連絡流路Rを通って第3領域A3に達する。その後、改質ガスG1は、第3領域A3を下降する。以下、改質ガスG1の流れに沿って第2領域A2、第1領域A1及び第3領域A3の順番で説明する。   The reformed gas G1 from the reformer 13 first descends through the second region A2, and then ascends the inner first region A1. A communication channel R that connects the first region A1 and the third region A3 so as to straddle the second region A2 is formed above the first region A1, and reaches the upper portion of the first region A1. The reformed gas G1 reaches the third region A3 through the communication channel R. Thereafter, the reformed gas G1 descends in the third region A3. Hereinafter, the second region A2, the first region A1, and the third region A3 will be described in the order along the flow of the reformed gas G1.

第2領域A2において、改質ガスG1の流れを基準にした場合の上流側には、環状の高温シフト部47が配置され、下流側には、環状の低温シフト部49が配置されている。改質器13からの改質ガスG1は、600°C以上の非常に高い温度状態であり、高温シフト部47には、高温での水性シフト反応の促進に有利な高温シフト触媒(「HTS」ともいう)C2が収容されている。高温シフト触媒C2としては、Fe−Crの混合酸化物を用いる。高温シフト触媒C2の触媒反応の好適温度は、300°C〜500°Cである。   In the second region A2, an annular high temperature shift section 47 is disposed on the upstream side when the flow of the reformed gas G1 is used as a reference, and an annular low temperature shift section 49 is disposed on the downstream side. The reformed gas G1 from the reformer 13 is in a very high temperature state of 600 ° C. or higher, and the high temperature shift section 47 has a high temperature shift catalyst (“HTS”) advantageous for promoting an aqueous shift reaction at a high temperature. C2) is also housed. As the high temperature shift catalyst C2, a mixed oxide of Fe—Cr is used. A suitable temperature for the catalytic reaction of the high temperature shift catalyst C2 is 300 ° C to 500 ° C.

低温シフト部49には、第1シフト触媒よりも低い温度での水性シフト反応の促進に適した低温シフト触媒(「LTS」ともいう)C3が収容されている。低温シフト触媒C3としては、Zn−Cuの混合酸化物を用いる。低温シフト触媒C3の触媒反応の好適温度は、200°C程度である。   The low temperature shift portion 49 accommodates a low temperature shift catalyst (also referred to as “LTS”) C3 suitable for promoting the aqueous shift reaction at a temperature lower than that of the first shift catalyst. As the low temperature shift catalyst C3, a mixed oxide of Zn—Cu is used. A suitable temperature for the catalytic reaction of the low temperature shift catalyst C3 is about 200 ° C.

高温シフト部47及び低温シフト部49によって変成器41が構成される。変成器41による水性シフト反応により、改質ガスG1中に含まれる一酸化炭素濃度は1%程度にまで低減される。特に、改質器13からの改質ガスG1は高温状態で変成器41に導入され、変成器41を通過する過程で徐々に温度が下がる。したがって、高温シフト部47を改質ガスG1の流れの上流側に配置し、低温シフト部49を下流側に配置することで、水性シフト反応を効率良く行うことができる。   The high temperature shift unit 47 and the low temperature shift unit 49 constitute a transformer 41. By the aqueous shift reaction by the transformer 41, the concentration of carbon monoxide contained in the reformed gas G1 is reduced to about 1%. In particular, the reformed gas G1 from the reformer 13 is introduced into the transformer 41 at a high temperature, and the temperature gradually decreases in the process of passing through the transformer 41. Therefore, the aqueous shift reaction can be efficiently performed by disposing the high temperature shift unit 47 on the upstream side of the flow of the reformed gas G1 and disposing the low temperature shift unit 49 on the downstream side.

変成器41を下方に抜けた改質ガスG1は、内側の第1領域A1に流入する。第1領域A1には、改質ガスG1が上昇する中央流路51と、中央流路51の上端に接続された混合チャンバ42とが設けられている。混合チャンバ42は、改質ガスG1と酸素含有ガスとを混合する。混合チャンバ42には、第2領域A2の高温シフト部47を貫通する連絡管52が接続されており、連絡管52によって、第1領域A1と第3領域A3とを連絡する連絡流路Rが形成されている。   The reformed gas G1 that has flowed downward from the transformer 41 flows into the inner first region A1. The first region A1 is provided with a central flow path 51 through which the reformed gas G1 rises and a mixing chamber 42 connected to the upper end of the central flow path 51. The mixing chamber 42 mixes the reformed gas G1 and the oxygen-containing gas. The mixing chamber 42 is connected to a connecting pipe 52 that passes through the high temperature shift portion 47 in the second area A2, and the connecting pipe 52 has a connecting flow path R that connects the first area A1 and the third area A3. Is formed.

第3領域A3には、連絡管52に接続された環状の冷却チャンバ部43と、冷却チャンバ部43の下方に配置された環状の選択酸化器44とが設けられている。選択酸化器44には、選択酸化反応を促進する選択酸化触媒C4が収容されている。選択酸化触媒C4としては、鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、銅、銀、金などを含有する触媒を用いる。選択酸化触媒C4の触媒反応の好適温度は、150°C〜160°Cである。選択酸化器44では、改質ガスG1(混合ガス)中の一酸化炭素濃度は、10ppm以下にまで低減される。選択酸化器44の下部には、一酸化炭素が低減された後の改質ガスG1が流出する改質ガス流出部53が設けられている。改質ガス流出部53は、PEFCスタック4に連絡する改質ガス供給ラインL3(図1参照)に接続されている。   In the third region A3, an annular cooling chamber portion 43 connected to the communication pipe 52 and an annular selective oxidizer 44 disposed below the cooling chamber portion 43 are provided. The selective oxidizer 44 accommodates a selective oxidation catalyst C4 that promotes a selective oxidation reaction. As the selective oxidation catalyst C4, a catalyst containing iron, cobalt, nickel, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum, copper, silver, gold or the like is used. A suitable temperature for the catalytic reaction of the selective oxidation catalyst C4 is 150 ° C to 160 ° C. In the selective oxidizer 44, the carbon monoxide concentration in the reformed gas G1 (mixed gas) is reduced to 10 ppm or less. A reformed gas outflow portion 53 through which the reformed gas G1 after the reduction of carbon monoxide flows out is provided below the selective oxidizer 44. The reformed gas outlet 53 is connected to a reformed gas supply line L3 (see FIG. 1) that communicates with the PEFC stack 4.

CO除去部15は、第3領域A3を囲む円筒状の伝熱筒54を有し、伝熱筒54の外側には、伝熱筒54と同心の筒状の下部水路壁55が配置されている。伝熱筒54と下部水路壁55との間には、水蒸気改質に用いられる改質用水Wが流動する下部水路(冷却ライン)S4が形成されている。下部水路S4は、選択酸化器44と伝熱可能に接続された第1のラインS4aと、冷却チャンバ部43を介して高温シフト部47に伝熱可能に接続された第2のラインS4bとを有する。改質用水Wの流れを基準にした場合に第1のラインS4aは上流側に配置されており、第2のラインS4bは下流側に配置されている。第2のラインS4bの下部には、改質用水導入部55aが設けられている。   The CO removing unit 15 has a cylindrical heat transfer tube 54 surrounding the third region A3, and a cylindrical lower channel wall 55 concentric with the heat transfer tube 54 is disposed outside the heat transfer tube 54. Yes. A lower water channel (cooling line) S4 through which the reforming water W used for steam reforming flows is formed between the heat transfer cylinder 54 and the lower water channel wall 55. The lower water channel S4 includes a first line S4a connected to the selective oxidizer 44 so as to be able to transfer heat, and a second line S4b connected to the high temperature shift unit 47 via the cooling chamber 43 so as to be able to transfer heat. Have. When the flow of the reforming water W is used as a reference, the first line S4a is disposed on the upstream side, and the second line S4b is disposed on the downstream side. A reforming water introduction part 55a is provided below the second line S4b.

常温で改質用水導入部55aに導入された改質用水は、第1のラインS4aを流れる際に選択酸化器44と熱交換される(図4参照)。選択酸化器44では発熱反応が生じるが、選択酸化器44は、改質用水Wによって冷却されることで好適な温度に維持される。一方で、第1のラインS4aを流れる改質用水Wは、選択酸化器44で加熱されることで一部が蒸気化して第2のラインS4bに流入する。   The reforming water introduced into the reforming water introduction unit 55a at room temperature is heat-exchanged with the selective oxidizer 44 when flowing through the first line S4a (see FIG. 4). Although the selective oxidizer 44 generates an exothermic reaction, the selective oxidizer 44 is maintained at a suitable temperature by being cooled by the reforming water W. On the other hand, the reforming water W flowing through the first line S4a is partially heated by being heated by the selective oxidizer 44 and flows into the second line S4b.

変成器41でも発熱反応が生じる。変成器41の高温シフト部47は、第2のラインS4bを流れる改質用水Wとの間で熱交換され、好適な温度に維持される。第1のラインS4aから第2のラインS4bに流入した改質用水Wの一部は水蒸気になっている。したがって、低温の水のみで高温シフト部47を急激に冷却する場合に比べて高温シフト部47での温度分布のばらつきは抑制される。なお、低温シフト部49は、選択酸化器44を介して間接的に改質用水Wで冷却され、好適な温度に維持される。   An exothermic reaction also occurs in the transformer 41. The high temperature shift portion 47 of the transformer 41 is heat-exchanged with the reforming water W flowing through the second line S4b, and is maintained at a suitable temperature. A part of the reforming water W that has flowed into the second line S4b from the first line S4a is steam. Therefore, variation in temperature distribution in the high temperature shift portion 47 is suppressed as compared with the case where the high temperature shift portion 47 is rapidly cooled only by low temperature water. The low temperature shift section 49 is indirectly cooled with the reforming water W via the selective oxidizer 44 and maintained at a suitable temperature.

下部水路S4は、連絡水路S5を介して下流側に配置された上部水路S3に接続されている。連絡水路S5は、改質器13とCO除去部15とを連絡する改質ガス連絡路S6に熱交換可能に接触している。改質ガス連絡路S6を流下する改質ガスG1は、600°C以上にもなっている。連絡水路S5を流動する改質用水は、高温シフト部47の高温シフト触媒C2に適した温度にまで改質ガスG1を冷却する。連絡水路S5を通過した改質用水Wは、上部水路S3で更に加熱され、高温状態のまま改質器13の導入部21に導入される。   The lower water channel S4 is connected to the upper water channel S3 disposed on the downstream side via the communication water channel S5. The communication channel S5 is in contact with the reformed gas communication channel S6 that communicates between the reformer 13 and the CO removing unit 15 so as to allow heat exchange. The reformed gas G1 flowing down the reformed gas communication path S6 is 600 ° C. or higher. The reforming water flowing through the communication channel S5 cools the reformed gas G1 to a temperature suitable for the high temperature shift catalyst C2 of the high temperature shift unit 47. The reforming water W that has passed through the communication channel S5 is further heated in the upper channel S3, and is introduced into the introduction part 21 of the reformer 13 in a high temperature state.

改質用水Wは、CO除去部15及び改質器13によって加熱され、高温の水蒸気として改質器13の導入部21に導入されるので、改質用水Wを加熱するための他の熱源、例えばヒータは不要である。さらに、下部水路S4を流れる改質用水WによってCO除去部15を冷却できるので、CO除去部15を冷却するための他の手段が不要であり、エネルギー効率が高い。   Since the reforming water W is heated by the CO removing unit 15 and the reformer 13 and is introduced into the introduction unit 21 of the reformer 13 as high-temperature steam, another heat source for heating the reforming water W, For example, a heater is unnecessary. Furthermore, since the CO removal unit 15 can be cooled by the reforming water W flowing through the lower water channel S4, other means for cooling the CO removal unit 15 are unnecessary, and energy efficiency is high.

下部水路S4には、改質用水導入部55aを介して改質用水供給ラインL21が接続されており、改質用水供給ラインL21には水タンク20(図1参照)が接続され、水タンク20には改質用水補充ラインL22が接続されている。改質用水供給ラインL21上には、改質器13に改質用水Wを送り込む移送ポンプ43が設けられている。   A reforming water supply line L21 is connected to the lower water channel S4 via a reforming water introduction section 55a, and a water tank 20 (see FIG. 1) is connected to the reforming water supply line L21. A reforming water replenishment line L22 is connected to. A transfer pump 43 for feeding the reforming water W to the reformer 13 is provided on the reforming water supply line L21.

変成器41には温度を検出するための第1の熱電対(第1のセンサ部)61が設けられている。また、選択酸化器44には温度を検出するための第2の熱電対(第2のセンサ部)62が設けられている。また、下部水路S4には温度を検出するための第3の熱電対(水温検出センサ)63が設けられている。第1の熱電対61、第2の熱電対62及び第3の熱電対63は、改質用水制御部(制御部)65に電気信号を入力可能に接続されている。改質用水制御部65は、改質用水供給手段である移送ポンプ43に信号送受信可能に接続されており、移送ポンプ43を駆動制御する。   The transformer 41 is provided with a first thermocouple (first sensor unit) 61 for detecting the temperature. The selective oxidizer 44 is provided with a second thermocouple (second sensor unit) 62 for detecting the temperature. The lower water channel S4 is provided with a third thermocouple (water temperature detection sensor) 63 for detecting the temperature. The first thermocouple 61, the second thermocouple 62, and the third thermocouple 63 are connected to the reforming water control unit (control unit) 65 so that an electric signal can be input. The reforming water control unit 65 is connected to a transfer pump 43 that is a reforming water supply means so as to be able to transmit and receive signals, and drives and controls the transfer pump 43.

改質用水制御部65は、第1の熱電対61、第2の熱電対62及び第3の熱電対63によって検出された温度によって、移送ポンプ43による改質用水Wの流量を制御し、変成器41、選択酸化器44の温度を各触媒反応に適した温度になるように制御している。その結果として、一酸化炭素の除去を促進する触媒反応の反応効率を向上させて一酸化炭素の除去効率を向上させることができる。   The reforming water control unit 65 controls the flow rate of the reforming water W by the transfer pump 43 based on the temperatures detected by the first thermocouple 61, the second thermocouple 62, and the third thermocouple 63, and transforms them. The temperature of the vessel 41 and the selective oxidizer 44 is controlled to be a temperature suitable for each catalytic reaction. As a result, the removal efficiency of carbon monoxide can be improved by improving the reaction efficiency of the catalytic reaction that promotes the removal of carbon monoxide.

特に、改質用水制御部65は、第1の熱電対61によって変成器41の温度を監視でき、第2の熱電対62によって選択酸化器44の温度を監視できるので、変成器41や選択酸化器44を最適な温度に維持し易い。その結果として、水性シフト反応や選択酸化反応の反応効率を向上させて一酸化炭素の除去効率を向上させることができる。   In particular, the reforming water control unit 65 can monitor the temperature of the transformer 41 by the first thermocouple 61 and can monitor the temperature of the selective oxidizer 44 by the second thermocouple 62. It is easy to maintain the vessel 44 at an optimum temperature. As a result, the efficiency of removing carbon monoxide can be improved by improving the reaction efficiency of the aqueous shift reaction and the selective oxidation reaction.

また、図2に示されるように、第1の熱電対61は、低温シフト部49の入口に配置されている。低温シフト部49の温度は入口で最も高くなるため、低温シフト部49全体の温度を高温シフト部47よりも低い最適な温度に維持し易くなる。その結果として、低温シフト部49での水性シフト反応の反応効率を向上でき、一酸化炭素の除去効率を向上させることができる。また、第2の熱電対62は、選択酸化器44の入口に配置されている。選択酸化器44の温度は、選択酸化器44の入口で最も高くなる。選択酸化器44の入口に第2の熱電対62を配置することで、選択酸化器44での選択酸化反応の反応効率を向上でき、一酸化炭素の除去効率を向上させることができる。   Further, as shown in FIG. 2, the first thermocouple 61 is disposed at the inlet of the low temperature shift unit 49. Since the temperature of the low temperature shift unit 49 is highest at the entrance, the temperature of the entire low temperature shift unit 49 can be easily maintained at an optimal temperature lower than that of the high temperature shift unit 47. As a result, the reaction efficiency of the aqueous shift reaction in the low temperature shift part 49 can be improved, and the removal efficiency of carbon monoxide can be improved. The second thermocouple 62 is disposed at the inlet of the selective oxidizer 44. The temperature of the selective oxidizer 44 is highest at the inlet of the selective oxidizer 44. By disposing the second thermocouple 62 at the inlet of the selective oxidizer 44, the reaction efficiency of the selective oxidation reaction in the selective oxidizer 44 can be improved, and the removal efficiency of carbon monoxide can be improved.

また、第3の熱電対63によって下部水路S4を流れる改質用水の温度を監視できる。したがって、改質用水制御部65は、改質用水Wの温度に基づいて、改質用水Wの流量を制御でき、変成器41や選択酸化器44の温度上昇をより確実に抑えることができる。その結果として、一酸化炭素の除去効率を向上させることができる。特に、第3の熱電対63は下部水路S4の第2のラインS4bに配置されており、選択酸化器44に加熱された後の改質用水Wの温度を監視できる。その結果として、選択酸化器44に対する冷却効果が十分であったか否かを精度良く監視でき、選択酸化の反応効率を向上でき、一酸化炭素の除去効率を向上させることができる。   Further, the temperature of the reforming water flowing through the lower water channel S4 can be monitored by the third thermocouple 63. Therefore, the reforming water control unit 65 can control the flow rate of the reforming water W based on the temperature of the reforming water W, and can more reliably suppress the temperature rise of the transformer 41 and the selective oxidizer 44. As a result, the removal efficiency of carbon monoxide can be improved. In particular, the third thermocouple 63 is disposed in the second line S4b of the lower water channel S4, and the temperature of the reforming water W after being heated by the selective oxidizer 44 can be monitored. As a result, it can be accurately monitored whether the cooling effect on the selective oxidizer 44 is sufficient, the reaction efficiency of selective oxidation can be improved, and the removal efficiency of carbon monoxide can be improved.

図1に示されるように、PEFCスタック4は、複数の電池セル(不図示)が積み重ねられて構成されており、FPS3Aで得られた改質ガスG1を用いて発電してDC電流を出力する。電池セルは、アノードと、カソードと、アノード及びカソード間に配置された電解質である高分子のイオン交換膜とを有しており、アノードに改質ガスG1を導入させると共に、カソードに空気を導入させることで、各電池セルにおいて電気化学的な発電反応が行われることになる。   As shown in FIG. 1, the PEFC stack 4 is configured by stacking a plurality of battery cells (not shown), and generates power using the reformed gas G1 obtained by the FPS 3A and outputs a DC current. . The battery cell has an anode, a cathode, and a polymer ion exchange membrane that is an electrolyte disposed between the anode and the cathode. The reformed gas G1 is introduced into the anode and air is introduced into the cathode. By doing so, an electrochemical power generation reaction is performed in each battery cell.

インバータ5は、出力されたDC電流をAC電流に変換する。筐体6は、その内部に脱硫器2、FPS3A、PEFCスタック4及びインバータ5をモジュール化して収容する。   The inverter 5 converts the output DC current into AC current. The housing 6 accommodates the desulfurizer 2, the FPS 3A, the PEFC stack 4, and the inverter 5 in a module.

また、燃料電池システム1は、液体原料を筐体6の外部からFPS3Aに導入するための液体原料ラインL1を備えている。液体原料ラインL1上には、脱硫器2が設けられている。液体原料ラインL1の脱硫器2よりも下流側は分岐しており、一方は、液体原料を改質器13に導入する液体原料ラインL11となり、他方は、液体原料をバーナ9に供給する液体原料ラインL12となっている。   The fuel cell system 1 also includes a liquid source line L1 for introducing the liquid source from the outside of the housing 6 into the FPS 3A. A desulfurizer 2 is provided on the liquid raw material line L1. The downstream side of the liquid raw material line L1 from the desulfurizer 2 is branched, one is a liquid raw material line L11 for introducing the liquid raw material into the reformer 13, and the other is the liquid raw material for supplying the liquid raw material to the burner 9. It is line L12.

次に、CO除去部15を冷却するための改質用水の流量制御について図3を参照して説明する。図3は、改質用水の流量制御を行う動作手順を示すフローチャートである。なお、図3では、ステップをSとして略記している。   Next, the flow control of the reforming water for cooling the CO removing unit 15 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a flowchart showing an operation procedure for controlling the flow rate of reforming water. In FIG. 3, step is abbreviated as S.

改質用水制御部65は、第1の熱電対61によって検出された変成器41の温度Ts、第2の熱電対62によって検出された選択酸化器44の温度Tp、第3の熱電対63によって検出された改質用水Wの温度Twをそれぞれ取得する(ステップS1)。   The reforming water control unit 65 includes the temperature Ts of the transformer 41 detected by the first thermocouple 61, the temperature Tp of the selective oxidizer 44 detected by the second thermocouple 62, and the third thermocouple 63. Each of the detected temperatures Tw of the reforming water W is acquired (step S1).

改質用水制御部65は、改質用水Wの温度Twが所定の閾値(第3の閾値)TW0未満であるか否か(ステップS2)、選択酸化器44の温度Tpが所定の閾値(第2の閾値)TP0未満であるか否か(ステップS3)、変成器41の温度Tsが所定の閾値(第1の閾値)TS0未満であるか否か(ステップS4)を判断し、総ての温度Tw,Tp,Tsがそれぞれ閾値TW0,TP0,TS0未満の場合には、ステップS1に戻って各温度Tw,Tp,Tsを再度取得する。 The reforming water control unit 65 determines whether or not the temperature Tw of the reforming water W is lower than a predetermined threshold (third threshold) T W0 (step S2), and the temperature Tp of the selective oxidizer 44 is a predetermined threshold ( It is determined whether or not (second threshold value) T P0 or less (step S3), and whether or not the temperature Ts of the transformer 41 is lower than a predetermined threshold value (first threshold value) T S0 (step S4). all temperature Tw, Tp, if Ts is less than the threshold value T W0, T P0, T S0 respectively, each temperature Tw returns to step S1, Tp, acquires Ts again.

一方で、改質用水制御部65は、各温度Tw,Tp,Tsのうち、いずれか一つでも閾値TW0,TP0,TS0以上のときには、移送ポンプ43の駆動を制御し、改質用水Wの流量を基準供給量に加えて例えばP%だけ余剰分の改質用水Wが改質器13に供給されるようにして、その状態をT秒だけ維持する(ステップS5)。改質用水Wの基準供給量は、液体原料の供給量に応じて決定され、液体原料の供給量は、FPS3Aでの改質ガスG1の所望の生成量に応じて決定される。T秒の経過後、改質用水制御部65は、移送ポンプ43の駆動を制御し、改質用水Wの流量を規定量に戻し、その状態でT秒だけ維持し(ステップS6)、その後にステップS1に戻って各温度Ts,Tp,Twを取得して後続の各処理を繰り返し実行する。 On the other hand, the reforming water control unit 65 controls the drive of the transfer pump 43 when any one of the temperatures Tw, Tp, and Ts is equal to or higher than the threshold values T W0 , T P0 , and T S0. reforming water W flow by e.g. P% in addition to the standard supply quantity of surplus water W is to be supplied to the reformer 13, the state is maintained T 1 seconds only (step S5). The reference supply amount of the reforming water W is determined according to the supply amount of the liquid raw material, and the supply amount of the liquid raw material is determined according to the desired generation amount of the reformed gas G1 in the FPS 3A. After the elapse of T 1 second, the reforming water control unit 65 controls the drive of the transfer pump 43, returns the flow rate of the reforming water W to the specified amount, and maintains that state for T 2 seconds (step S6). Thereafter, the process returns to step S1 to acquire each temperature Ts, Tp, Tw and repeatedly execute each subsequent process.

以上のFPS3Aによれば、下部水路S4を流れる改質用水Wによって変成器41及び選択酸化器44を冷却し、変成器41及び選択酸化器44との熱交換によって加熱された改質用水Wを改質器13に導入できるために効率が良い。さらに、改質用水制御部65は、第1の熱電対61及び第2の熱電対62によって検出される温度Ts,Tpを介して変成器41及び選択酸化器44の温度を監視しており、この温度Ts,Tpに基づいて、改質用水Wの流量を制御するため、変成器41及び選択酸化器44を最適な温度に維持し易い。その結果として、一酸化炭素を除去する触媒反応の反応効率を向上させて一酸化炭素の除去効率を向上させることができる。   According to the above FPS 3A, the reformer 41 and the selective oxidizer 44 are cooled by the reforming water W flowing through the lower water channel S4, and the reforming water W heated by heat exchange with the transformer 41 and the selective oxidizer 44 is used. Since it can be introduced into the reformer 13, it is efficient. Further, the reforming water control unit 65 monitors the temperatures of the transformer 41 and the selective oxidizer 44 via the temperatures Ts and Tp detected by the first thermocouple 61 and the second thermocouple 62, Since the flow rate of the reforming water W is controlled based on the temperatures Ts and Tp, it is easy to maintain the transformer 41 and the selective oxidizer 44 at optimum temperatures. As a result, the reaction efficiency of the catalytic reaction for removing carbon monoxide can be improved, and the removal efficiency of carbon monoxide can be improved.

さらに、本実施形態では、各温度Tw,Tp,Tsのうち、いずれか一つでも閾値TW0,TP0,TS0以上のときには、改質用水Wの流量を基準供給量に加えて例えばP%だけ余剰分の改質用水Wが改質器13に供給されるようにして、CO除去部15を冷却する。この余剰分の改質用水Wは改質器13で反応せずに通過してしまうため、改質器13での反応に対する影響は少なく、さらに、改質用水Wの基準供給量を安定して維持できるため、CO除去部15を効率的に冷却できる。 Furthermore, in the present embodiment, when any one of the temperatures Tw, Tp, Ts is equal to or higher than the threshold values T W0 , T P0 , T S0 , the flow rate of the reforming water W is added to the reference supply amount, for example, P The CO removal unit 15 is cooled such that the surplus reforming water W by% is supplied to the reformer 13. Since this surplus reforming water W passes through the reformer 13 without reacting, there is little influence on the reaction in the reformer 13, and the reference supply amount of the reforming water W is stabilized. Since it can maintain, the CO removal part 15 can be cooled efficiently.

(第2実施形態)
次に、図5を参照して、第2実施形態に係る水素製造装置(FPS)3Bについて説明する。なお、FPS3Bは、第1実施形態に係るFPS3Aに比べて第1の熱電対(第1のセンサ部)71及び第2の熱電対(第2のセンサ部)72の配置が異なる。従って、FPS3Bに関して、FPS3Aとの相違点を中心に説明し、同様の要素や構造については、同一の符号を記して説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, a hydrogen production apparatus (FPS) 3B according to the second embodiment will be described with reference to FIG. The FPS 3B differs from the FPS 3A according to the first embodiment in the arrangement of the first thermocouple (first sensor unit) 71 and the second thermocouple (second sensor unit) 72. Accordingly, the FPS 3B will be described with a focus on differences from the FPS 3A, and the same elements and structures will be denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.

低温シフト部49の温度を検出するための第1の熱電対71は、低温シフト部49の入口ではなく、低温シフト部49の上下方向の中央付近に配置されている。また、選択酸化器44の温度を検出するための第2の熱電対72は、選択酸化器44の入口ではなく、入口よりも僅かに下がった位置に設けられている。   The first thermocouple 71 for detecting the temperature of the low temperature shift unit 49 is disposed not near the inlet of the low temperature shift unit 49 but near the center in the vertical direction of the low temperature shift unit 49. Further, the second thermocouple 72 for detecting the temperature of the selective oxidizer 44 is provided not at the inlet of the selective oxidizer 44 but at a position slightly lower than the inlet.

以上の、FPS3Bの改質用水制御部65は、第1の熱電対71、第2の熱電対72及び第1実施形態と同様の第3の熱電対63によって検出される温度を介してCO除去部15の温度を監視しており、この温度に基づいて、改質用水Wの流量を制御するため、CO除去部15を好適な温度に維持し易く、一酸化炭素を除去する触媒反応の反応効率を向上させて一酸化炭素の除去効率を向上させることができる。   The above FPS3B reforming water control unit 65 removes CO via the temperature detected by the first thermocouple 71, the second thermocouple 72, and the third thermocouple 63 similar to the first embodiment. Since the temperature of the unit 15 is monitored and the flow rate of the reforming water W is controlled based on this temperature, the reaction of the catalytic reaction that easily maintains the CO removing unit 15 at a suitable temperature and removes carbon monoxide. Efficiency can be improved and carbon monoxide removal efficiency can be improved.

(第3実施形態)
次に、図7を参照して、第3実施形態に係る水素製造装置(FPS)3Cについて説明する。なお、FPS3Cは、第1実施形態に係るFPS3Aに比べて第2の熱電対(第2のセンサ部)81及び第3の熱電対(水温検出センサ)82の配置が異なる。従って、FPS3Cに関して、FPS3Aとの相違点を中心に説明し、同様の要素や構造については、同一の符号を記して説明を省略する。
(Third embodiment)
Next, a hydrogen production apparatus (FPS) 3C according to the third embodiment will be described with reference to FIG. In addition, FPS3C differs in arrangement | positioning of the 2nd thermocouple (2nd sensor part) 81 and the 3rd thermocouple (water temperature detection sensor) 82 compared with FPS3A which concerns on 1st Embodiment. Therefore, FPS3C will be described with a focus on differences from FPS3A, and the same elements and structures will be denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.

選択酸化器44の温度を検出するための第2の熱電対81は、選択酸化器44の入口ではなく、選択酸化器44の出口に配置されている。また、改質用水Wの温度を検出するための第3の熱電対(水温検出センサ)82は、下部水路S4の第1のラインS4aに設けられている。   The second thermocouple 81 for detecting the temperature of the selective oxidizer 44 is arranged not at the inlet of the selective oxidizer 44 but at the outlet of the selective oxidizer 44. Further, a third thermocouple (water temperature detection sensor) 82 for detecting the temperature of the reforming water W is provided in the first line S4a of the lower water channel S4.

以上の、FPS3Cの改質用水制御部65は、第1実施形態と同様の第1の熱電対61、及び第2の熱電対81と第3の熱電対82とによって検出される温度を介してCO除去部15の温度を監視しており、この温度に基づいて、改質用水Wの流量を制御するため、CO除去部15を好適な温度に維持し易く、一酸化炭素を除去する触媒反応の反応効率を向上させて一酸化炭素の除去効率を向上させることができる。   The reforming water control unit 65 of the FPS 3C described above has the same temperature as that detected by the first thermocouple 61, the second thermocouple 81, and the third thermocouple 82 as in the first embodiment. Since the temperature of the CO removal unit 15 is monitored and the flow rate of the reforming water W is controlled based on this temperature, it is easy to maintain the CO removal unit 15 at a suitable temperature, and the catalytic reaction that removes carbon monoxide. Thus, the carbon monoxide removal efficiency can be improved.

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。   The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment.

例えば、上記実施形態では、液体原料として灯油を用いたが、ガソリン、ナフサ、軽油、メタノール、エタノール、DME(ジメチルエーテル)、バイオマスを利用したバイオ燃料を用いてもよい。なお、この場合には、脱硫器(脱硫方法)及び改質器(改質方法)は、用いる液体原料の特性に応じたものとされる。   For example, in the above embodiment, kerosene is used as the liquid raw material, but gasoline, naphtha, light oil, methanol, ethanol, DME (dimethyl ether), and biofuel using biomass may be used. In this case, the desulfurizer (desulfurization method) and the reformer (reformation method) are adapted to the characteristics of the liquid raw material to be used.

改質触媒に用いられる貴金属系水蒸気改質触媒としては、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのVII属金属を用いることもできる。また、高温シフト触媒としては、Zn−Cuの混合酸化物を用いたり、白金、ルテニウム、イリジウムなどの貴金属を含有する触媒を用いたりしても良い。また、低温シフト触媒としては、Fe−Crの混合酸化物を用いたり、白金、ルテニウム、イリジウムなどの貴金属を含有する触媒を用いたりしても良い。   As the noble metal-based steam reforming catalyst used for the reforming catalyst, a Group VII metal such as nickel, cobalt, iron, ruthenium, rhodium, iridium and platinum can be used. As the high temperature shift catalyst, a mixed oxide of Zn—Cu may be used, or a catalyst containing a noble metal such as platinum, ruthenium, or iridium may be used. Further, as the low temperature shift catalyst, a mixed oxide of Fe—Cr may be used, or a catalyst containing a noble metal such as platinum, ruthenium, or iridium may be used.

本発明の第1実施形態に係る水素製造装置を適用した燃料電池システムの概略を示す図である。It is a figure showing the outline of the fuel cell system to which the hydrogen production device concerning a 1st embodiment of the present invention is applied. 第1実施形態に係る水素製造装置の概略を示す図である。It is a figure showing the outline of the hydrogen production device concerning a 1st embodiment. 改質用水の流量制御の動作手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement procedure of the flow control of reforming water. 改質用水とCO除去部との間の熱交換の流れを模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the flow of the heat exchange between the water for reforming, and a CO removal part. 第2実施形態に係る水素製造装置の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the hydrogen production apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第3実施形態に係る水素製造装置の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the hydrogen production apparatus which concerns on 3rd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

3A,3B,3C…水素製造装置、13…改質器(改質部)、41…変成器(シフト部)、44…選択酸化器(選択酸化部)、47…高温シフト部、49…低温シフト部、61,71…第1の熱電対(第1のセンサ部)、62,72,81…第2の熱電対(第2のセンサ部)、63,82…第3の熱電対(水温検出センサ)、65…改質用水制御部(制御部)、G1…改質ガス、W…改質用水、S4…下部水路(冷却ライン)。   3A, 3B, 3C ... Hydrogen production equipment, 13 ... Reformer (reforming section), 41 ... Transformer (shift section), 44 ... Selective oxidizer (selective oxidation section), 47 ... High temperature shift section, 49 ... Low temperature Shift unit, 61, 71 ... first thermocouple (first sensor unit), 62, 72, 81 ... second thermocouple (second sensor unit), 63, 82 ... third thermocouple (water temperature) Detection sensor), 65 ... reforming water control unit (control unit), G1 ... reforming gas, W ... reforming water, S4 ... lower water channel (cooling line).

Claims (5)

水素製造用原料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質部と、
前記改質部からの前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を水性シフト反応により除去するシフト部と、
前記シフト部からの前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化する選択酸化部と、
前記改質のために前記改質部に導入する改質用水によって前記シフト部及び前記選択酸化部を冷却する冷却ラインと、
前記シフト部の温度を検出する第1のセンサ部と、
前記選択酸化部の温度を検出する第2のセンサ部と、
前記第1のセンサ部及び前記第2のセンサ部によって検出された温度に基づいて、前記冷却ラインを流動する前記改質用水の流量を制御する制御部と、を備えることを特徴とする水素製造装置。
A reforming unit that reforms a raw material for hydrogen production to generate a hydrogen-rich reformed gas;
A shift unit for removing carbon monoxide contained in the reformed gas from the reforming unit by an aqueous shift reaction;
A selective oxidation unit that selectively oxidizes carbon monoxide contained in the reformed gas from the shift unit;
A cooling line for cooling the shift unit and the selective oxidation unit with reforming water introduced into the reforming unit for the reforming;
A first sensor unit for detecting the temperature of the shift unit;
A second sensor unit for detecting the temperature of the selective oxidation unit;
A hydrogen production system comprising: a control unit that controls a flow rate of the reforming water flowing through the cooling line based on temperatures detected by the first sensor unit and the second sensor unit. apparatus.
前記改質部に供給される前記水素製造用原料の供給量は、前記改質ガスの所望の生成量に応じて決定され、
前記改質部に供給される前記改質用水の基準供給量は、前記水素製造用原料の供給量に応じて決定され、
前記制御部は、前記第1のセンサ部によって検出された温度が第1の閾値以上のとき、または第2のセンサ部によって検出された温度が第2の閾値以上のときには、前記改質用水の基準供給量に加えて余剰分の前記改質用水を供給するように、前記改質用水の流量を制御することを特徴とする請求項1記載の水素製造装置。
The supply amount of the raw material for hydrogen production supplied to the reforming unit is determined according to a desired generation amount of the reformed gas,
The reference supply amount of the reforming water supplied to the reforming unit is determined according to the supply amount of the raw material for hydrogen production,
When the temperature detected by the first sensor unit is equal to or higher than the first threshold value, or when the temperature detected by the second sensor unit is equal to or higher than the second threshold value, the control unit 2. The hydrogen production apparatus according to claim 1, wherein a flow rate of the reforming water is controlled so as to supply a surplus of the reforming water in addition to a reference supply amount.
前記シフト部は、高温シフト部と、前記高温シフト部よりも低温での水性シフト反応に適していると共に、前記高温シフト部よりも前記改質ガスの流れの下流側に配置された低温シフト部とを有し、
前記第1のセンサ部は、前記低温シフト部の入口に配置されていることを特徴とする請求項1または2記載の水素製造装置。
The shift unit is suitable for an aqueous shift reaction at a lower temperature than the high temperature shift unit and a low temperature shift unit disposed downstream of the reformed gas flow than the high temperature shift unit. And
The hydrogen production apparatus according to claim 1, wherein the first sensor unit is disposed at an inlet of the low temperature shift unit.
前記冷却ラインは、前記選択酸化部に伝熱可能に接続された第1のラインと、前記シフト部に伝熱可能に接続された第2のラインと、を有し、
前記第1のラインは、前記第2のラインよりも前記改質用水の流れの上流側に配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載の水素製造装置。
The cooling line includes a first line connected to the selective oxidation unit so as to be able to transfer heat, and a second line connected to the shift unit so as to be able to transfer heat,
The hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the first line is disposed upstream of the flow of the reforming water with respect to the second line.
前記冷却ラインに設けられた水温検出センサを更に備え、
前記制御部は、前記第1のセンサ部及び前記第2のセンサ部によって検出された温度に加え、前記水温検出センサによって検出された温度に基づいて、前記冷却ラインを流動する改質用水の流量を制御することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項記載の水素製造装置。
A water temperature detection sensor provided in the cooling line;
The control unit has a flow rate of reforming water flowing through the cooling line based on the temperature detected by the water temperature detection sensor in addition to the temperature detected by the first sensor unit and the second sensor unit. The hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the hydrogen production apparatus is controlled.
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