JP2009096706A - Reforming apparatus for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、原燃料を、燃料電池システムにおいて使用される改質ガスに改質する燃料電池用改質装置に関する。 The present invention relates to a reformer for a fuel cell that reforms raw fuel into a reformed gas used in a fuel cell system.
固体高分子形燃料電池は、水素が有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を発生する。実用的には、固体高分子形燃料電池の燃料となる水素は、比較的容易かつ安価に入手可能な天然ガス、ナフサ等の炭化水素系ガスまたはメタノール等のアルコール類の原燃料ガスと水蒸気とを混合して、改質器で改質することで得ている。改質により得られた水素ガスは燃料電池の燃料極に供給され、発電に用いられる。 A polymer electrolyte fuel cell generates electric power by converting chemical energy of hydrogen into electric energy. Practically, hydrogen used as a fuel for a polymer electrolyte fuel cell is a natural gas, a hydrocarbon gas such as naphtha, or a raw fuel gas of alcohols such as methanol and water vapor, which can be obtained relatively easily and inexpensively. Are mixed and reformed by a reformer. Hydrogen gas obtained by reforming is supplied to the fuel electrode of the fuel cell and used for power generation.
一般に、改質器は、水蒸気による原燃料ガスの改質反応に必要な熱を供給するためのバーナを備える。バーナで燃料を燃焼させて生じた燃焼ガスを、燃焼筒から改質反応部の近傍に設けられた経路に導くことにより、燃焼ガスの熱エネルギーが改質反応に利用される(例えば、特許文献1、2参照)。 Generally, the reformer includes a burner for supplying heat necessary for the reforming reaction of the raw fuel gas with steam. The combustion gas generated by burning the fuel with the burner is guided from the combustion cylinder to a path provided in the vicinity of the reforming reaction section, whereby the thermal energy of the combustion gas is used for the reforming reaction (for example, Patent Documents). 1 and 2).
また、原燃料ガスとして用いられる都市ガスやプロパンガスは、ガス漏れを感知しやすいように付臭剤として有機硫黄成分が添加されている。有機硫黄成分を含んだ都市ガスやプロパンガス等がそのまま改質器に供給されると、改質器の触媒に有機硫黄成分が付着し、硫黄被毒により改質器の改質性能が低下することになる。そのため、脱硫器を備えた改質装置が考案されている(例えば、特許文献3、4参照)
しかしながら、特許文献1、2記載の改質器は、バーナで燃料を燃焼して発生した燃焼排ガスを改質部の内側に流すことで、燃焼排ガスの熱エネルギーを高温の水蒸気の生成や改質部の昇温に用いているため、改質部を燃焼排ガス流路の外側に配置しなければならない。また、改質部により生成された改質ガスに含まれている一酸化炭素を低減するための一酸化炭素変成部や一酸化炭素除去部が、改質部を備えている流路の更に外側に配置されているため、流路が複雑となっている。その結果、改質部の径が大径化してしまうとともに、改質装置全体の複雑化、大型化を招く一因となっている。また、このような改質器に脱硫機能を追加しようとする場合、その構造は更に複雑なものとなる。 However, the reformers described in Patent Documents 1 and 2 flow the combustion exhaust gas generated by burning the fuel with a burner inside the reforming section, thereby generating the thermal energy of the combustion exhaust gas and generating or reforming high-temperature steam. Therefore, the reforming section must be arranged outside the combustion exhaust gas passage. In addition, a carbon monoxide shifter and a carbon monoxide remover for reducing carbon monoxide contained in the reformed gas generated by the reformer are further outside the flow path including the reformer. Therefore, the flow path is complicated. As a result, the diameter of the reforming part is increased, and this is a cause of increasing the complexity and size of the entire reformer. Moreover, when it is going to add a desulfurization function to such a reformer, the structure becomes further complicated.
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡易な構成の燃料電池用改質装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a fuel cell reforming device having a simple configuration.
上記課題を解決するために、本発明のある態様の燃料電池用改質装置は、原燃料を水素リッチな改質ガスに改質する燃料電池用改質装置であって、原燃料から硫黄成分を除去する脱硫部と、脱硫部で硫黄成分が除去された原燃料から改質ガスを生成する改質部と、改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減するシフト変成部と、シフト変成部を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化して低減する選択酸化部と、改質部とシフト変成部と選択酸化部とをこの順番に直線状に収納するとともに、更に脱硫部を収納する改質反応筒と、原燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼手段と、改質反応筒の外周に配置され、該改質反応筒より径が大きい外筒と、改質反応筒と外筒との間に形成され、改質反応筒を加熱するために燃焼排ガスが通過する加熱流路と、を備える。 In order to solve the above problems, a reformer for a fuel cell according to an aspect of the present invention is a reformer for a fuel cell that reforms a raw fuel into a hydrogen-rich reformed gas. A desulfurization section that removes sulfur, a reforming section that generates reformed gas from raw fuel from which sulfur components have been removed in the desulfurizing section, a shift shift section that reduces carbon monoxide contained in the reformed gas by a shift reaction, The selective oxidation unit that selectively oxidizes and reduces carbon monoxide contained in the reformed gas that has passed through the shift conversion unit, and the reforming unit, the shift conversion unit, and the selective oxidation unit are linearly stored in this order, Furthermore, a reforming reaction cylinder that houses the desulfurization section, a combustion means that burns raw fuel to generate combustion exhaust gas, an outer cylinder that is disposed on the outer periphery of the reforming reaction cylinder, and has a larger diameter than the reforming reaction cylinder, Formed between the reforming reaction cylinder and the outer cylinder to heat the reforming reaction cylinder And a heating channel which flue gas passes.
この態様によると、改質部とシフト変成部と選択酸化部とがこの順番に一つの改質反応筒に収納されているとともに、更に脱硫部も収納されているため、複雑な形状の流路を形成することなく、改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減するとともに、硫黄成分も除去すことができる。 According to this aspect, the reforming section, the shift shift conversion section, and the selective oxidation section are housed in this order in one reforming reaction cylinder, and the desulfurization section is also housed. The carbon monoxide contained in the reformed gas can be reduced and the sulfur component can also be removed without forming.
本発明によれば、燃料電池用改質装置の構成を簡易にすることができる。 According to the present invention, the configuration of the fuel cell reforming apparatus can be simplified.
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の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の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、説明の都合上、図の上下左右と対応させて各部材間の位置関係を説明するが、あくまでも相対的な位置関係でありこれに限定されるものではない。例えば、上下を反転した態様にすることも可能である。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate. Further, for convenience of explanation, the positional relationship between the respective members will be described in correspondence with the upper, lower, left, and right sides of the drawing, but it is a relative positional relationship to the last and is not limited thereto. For example, it is also possible to have an aspect that is upside down.
(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施の形態に係る燃料電池用改質装置10の構成を示す断面図である。燃料電池用改質装置10は、原燃料であるメタンやプロパン、ブタン等を水蒸気改質により水素リッチな改質ガスを生成する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a fuel
燃料電池用改質装置10は、原燃料から改質ガスを生成する改質部12と、改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減するシフト変成部14と、シフト変成部14を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化反応により選択酸化し低減する選択酸化部16と、改質部12とシフト変成部14と選択酸化部16とをこの順番に直線状に収納するとともに、更に脱硫部160を収納する改質反応筒18と、原燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼手段としてのバーナ20と、改質反応筒18の外周に同軸に配置され、改質反応筒18より径が大きい外筒22と、を備える。外筒22の周囲は、複数の配管が外部と連通している箇所を除いて断熱材24で覆われている。
The
バーナ20は、空気取入口26から取り入れた空気と燃料取入口28から取り入れた原燃料オフガスとを混合して燃焼させる。バーナ20で原燃料ガスが燃焼することによって、1200〜1300℃の高温の燃焼排ガスが発生する。バーナ20は、改質反応筒18の改質部12側の端部に形成された燃焼室30に配置されているとともに、外筒22の下部に固定されている。これにより、バーナ20で生成された燃焼排ガスの熱をすぐに改質部12における改質反応に用いることができるので、熱効率を向上することができる。
The
改質反応筒18と外筒22との間には、改質反応筒18を加熱するために前述の燃焼排ガスが通過する加熱流路32が形成されている。
Between the reforming
改質部12は、改質反応筒18の底部に設けられている改質反応筒18より外径の小さいケース34と、ケース34の下方に収納された、ニッケルやルテニウム等の金属粒子をアルミナに担持した改質触媒を含む触媒層36とを有する。ケース34の上面には、原燃料と水蒸気とが混合された状態で流入する開口部38が形成されている。また、ケース34は、触媒層36の側面から改質ガスが通過できるように、側面に通気口が設けられている。
The reforming
原燃料は、改質反応筒18、外筒22、断熱材24とを貫通する原燃料供給路40を経由して燃料電池用改質装置10の外部から改質部12の触媒層36に供給される。この際、原燃料は、加熱流路32を流れる燃料排ガスや改質反応筒18の内部の改質ガスにより昇温されるとともに、改質ガスの温度を低下させる。
The raw fuel is supplied to the
また、原燃料供給路40は、改質反応筒18の内部を通過するとともに脱硫部160が途中に接続されている。脱硫部160は、硫黄などの不純物を含む原燃料を触媒の存在下で水素と反応させて硫黄成分を除去する、いわゆる水素化脱硫方式(水添脱硫方式ともいう)の装置である。原燃料供給路40には、燃料電池で使用されなかった水素リッチなガスや改質ガスの一部を脱硫部160に戻すための戻りライン(不図示)が脱硫部160の上流側に接続されている。
The raw
脱硫部160は、供給される原燃料ガスと、通常その原燃料ガスの10vol%の量のH2ガスを含むリサイクルガスとの合流ガスを脱硫する。水添脱硫触媒としてはCo−Mo系やNi−Mo系が用いられ、吸着剤としては酸化亜鉛系触媒が用いられる。この水添・吸着脱硫反応(RCH2SH+H2→RCH3+H2S ZnO+H2S→ZnS+H2O)によって、原燃料ガスは、含まれる硫黄成分の濃度が20〜50ppb程度まで脱硫される。
The
また、有機硫黄のうちRSHやCOSは、条件(例えば、250〜400℃)によっては酸化亜鉛系触媒でも吸着されるが、一般にはCo−MoまたはNi−Mo系の水添脱硫触媒上で一度H2Sに変化した後にZnOで吸着されるのが普通である。触媒としては、例えば、Cu−Zn系の触媒、Ni−Zn系の触媒等を、その動作温度やコスト等を考慮して適宜選択してもよい。本実施の形態に係る脱硫部160における脱硫反応温度は350℃〜400℃である。
Further, among organic sulfur, RSH and COS are adsorbed by a zinc oxide-based catalyst depending on conditions (for example, 250 to 400 ° C.), but in general, once on a Co—Mo or Ni—Mo based hydrodesulfurization catalyst. Usually it is adsorbed with ZnO after changing to H2S. As the catalyst, for example, a Cu—Zn-based catalyst, a Ni—Zn-based catalyst, or the like may be appropriately selected in consideration of its operating temperature, cost, and the like. The desulfurization reaction temperature in the
また、改質部12における改質反応に必要な水蒸気は、水蒸気供給路42を経由して燃料電池用改質装置10の外部から供給された改質水から生成される。外部から供給された液体である改質水は、燃焼排ガスや改質反応筒18の内部で昇温されている改質ガスにより気化され、水蒸気として触媒層36に供給されるとともに、シフト変成部14や選択酸化部16の温度を低下させる。
Further, the steam necessary for the reforming reaction in the reforming
本実施の形態に係る燃料電池用改質装置10において、原燃料供給路40は、水蒸気供給路42と、水蒸気供給路42において通過する水が気化される箇所より下流側の合流部44で合流している。換言すると、原燃料供給路40と水蒸気供給路42とは、脱硫部160の下流側で合流している。これにより、水蒸気供給路42を通過する水や水蒸気が脱硫部160に混入することが防止され、脱硫部160の脱硫性能の低下が抑制される。水蒸気供給路42は、外筒22および改質反応筒18の内部において、その一部が螺旋状に巻かれたコイル形状を有しており、表面積が増すことで水が気化しやすくなっているため、合流部44より上流側の少なくともコイルの下端では水蒸気が生成されている。
In the
本実施の形態に係る燃料電池用改質装置10のように、燃焼排ガスの加熱による原燃料の昇温と水の気化とが別々の原燃料供給路40および水蒸気供給路42で行われた後に原燃料と水蒸気とが合流することで、各供給路における原燃料の昇温や水の気化による水蒸気の供給の制御が容易となる。
As in the fuel
シフト変成部14は、例えば、酸化銅や酸化亜鉛のペレットからなる触媒層46と、触媒層46を担持するとともに下方から上方へ改質ガスが透過するように孔が形成されている仕切り板48とを有する。シフト変成部14は、触媒層46の働きにより改質ガスに含まれる水蒸気を用いたシフト反応により一酸化炭素を低減することができる。
The
選択酸化部16は、例えば、アルミナで担持した一酸化炭素選択酸化触媒からなる触媒層50と、触媒層50を担持するとともに下方から上方へ改質ガスが透過するように孔が形成されている仕切り板52とを有する。選択酸化部16では、触媒層50の働きにより酸素で一酸化炭素を酸化し二酸化炭素にすることで、一酸化炭素の濃度が更に低減される。
For example, the
シフト変成部14と選択酸化部16との間の領域には、選択酸化部16で消費される酸素を供給するために、燃料電池用改質装置10の外部と連通している空気供給路54の先端部56が配置されている。これにより、先端部56から流入する空気は、シフト変成部14で一酸化炭素が低減された改質ガスとともに上昇し、選択酸化部16における反応に寄与する。
An air supply path 54 that communicates with the outside of the fuel
選択酸化部16の上方の、改質反応筒18の上面には、開口部58が形成されている。開口部58には、一酸化炭素が十分低減された改質ガスを不図示の燃料電池の燃料極へ送出する改質ガス送出管60が接続されている。
An
次に、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置10の動作について説明する。バーナ20で生成された燃焼排ガスは、改質反応筒18の下面を加熱した後に加熱流路32を上昇しながら改質反応筒18を側面から加熱する。この際、触媒層36は、改質反応筒18を介して改質反応に必要な温度、例えば、600〜700℃の範囲に加熱される。また、水蒸気供給路42は、直接的または改質反応筒18を介して間接的に燃料排ガスにより加熱され、内部を通る改質水が気化される。一方、燃料排ガスは、加熱流路32を上昇するに従い水蒸気供給路42により冷却され徐々に温度が低下する。なお、加熱流路32を通過した燃焼排ガスは、外筒22の上部に形成された排出口62から外部へ排出される。
Next, the operation of the fuel
水蒸気供給路42で気化された水蒸気と原燃料供給路40で昇温された原燃料とは合流部44で混合され、ケース34の内部を下方に送り出される。水蒸気を含む原燃料ガスは、触媒層36の内部を通過する際に燃焼排ガスの熱により徐々に加熱され、改質反応により水素リッチな改質ガスに変化する。
The water vapor evaporated in the water
原燃料ガスを改質することにより得られた改質ガスは、供給される原燃料ガスの流れによって改質反応筒18の内部を上昇し、シフト変成部14に到達する。ここで、改質部12における改質反応は吸熱反応であるため、水蒸気供給路42の熱回収により温度が低下した改質ガスがシフト変成部14に到達することになる。シフト変成部14におけるシフト反応は、例えば、200〜300℃の範囲で行われ、水蒸気供給路42の熱回収で熱バランスをとっているので、特段の温度制御をしなくても適度な温度を維持することが可能である。これにより、改質ガスはシフト変成部14において一酸化炭素が低減される。
The reformed gas obtained by reforming the raw fuel gas rises inside the reforming
なお、シフト変成部14における温度が適温とならない装置の場合、バーナ20での原燃料の燃料量を調整したり、シフト変成部14近傍の水蒸気供給路42のコイルの巻き数を増減させたりすることで調整可能である。
In the case of an apparatus in which the temperature at the
シフト変成部14で一酸化炭素が低減された改質ガスは更に、供給される原燃料ガスの流れによって改質反応筒18の内部を整流板64に流れを規制されながら上昇し、選択酸化部16に到達する。その際、空気供給路54から供給された空気も改質反応筒18内を上昇し、選択酸化部16に到達する。
The reformed gas whose carbon monoxide has been reduced in the
選択酸化部16は、水蒸気供給路42の流入口66近傍に配置されているため、改質ガスの温度は改質水による冷却によりシフト変成部14における改質ガスの温度より低温となっている。選択酸化部16における選択酸化反応は、シフト変成部14におけるシフト反応より低温な、例えば、70〜200℃の範囲で行われ、水蒸気供給路42の熱回収で熱バランスをとっているので、特段の温度制御をしなくても改質ガスを適度な温度に維持することが可能である。これにより、改質ガスは選択酸化部16において更に一酸化炭素が低減される。
Since the
上述のように、燃料電池用改質装置10は、改質部12とシフト変成部14と選択酸化部16とがこの順番に一つの改質反応筒18に収納されているとともに、更に脱硫部160も収納されているため、複雑な形状の流路を形成することなく、改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減するとともに、硫黄成分も除去することができる。しかも、脱硫部を装置の外部に設ける場合と比較して、改質反応筒の内部に脱硫器を備えることで装置全体をコンパクトにすることができる。また、改質反応筒18と外筒22との間の加熱流路32を燃焼排ガスが通過するので、改質反応筒18の内部の改質部12における改質反応に必要な熱を供給することができ、ヒータ等の加熱手段が不要となる。また、改質反応筒18と外筒22との間を加熱流路32とすることで、折り返しや多くの筒を要する流路を必要とせずに簡素な構成で燃料電池用改質装置10を実現することができる。
As described above, in the fuel
換言すると、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置10においては、折り返しや多くの筒を要する流路が設けられていないため、部品点数の低減や製造工程の簡素化によりコストが低減される。また、外筒22の外周部を断熱材24で覆うことで装置全体の断熱性を容易に確保することができるので、断熱材24を装着する際の工程を簡素化することができる。
In other words, the fuel
また、加熱流路32は、燃焼排ガスが改質部12側から選択酸化部16側に向かって通過するように形成されているので、燃焼排ガスは、改質反応筒18や水蒸気供給路42と熱交換をしながら徐々に温度が低下する。そのため、燃焼排ガスは、反応温度が高い改質部から反応温度の低い選択酸化部へと適度に温度が低下しながら加熱流路32の内部を通過することになる。そのため、流路の折り返しや新たな加熱手段を設けずに加熱流路32を直線的に形成することが可能となる。
In addition, the
また、燃料電池用改質装置10は、改質反応筒18と外筒22との間の加熱流路32を燃焼排ガスが通過することで脱硫部160における脱硫反応に必要な熱が供給されるので、脱硫部160を装置の外部に設けた場合と比較してヒータ等の加熱手段が不要となり、装置全体の熱効率が向上する。また、脱硫部160を装置の外部に設ける場合と比較して、原燃料供給路40の流路を短くすることができる。
Further, the fuel
また、図1に示すように、脱硫部160は、改質部12とシフト変成部14との間に設けられている。これにより、改質部12を加熱した燃焼排ガスや、改質ガスにより脱硫反応に必要な熱が供給される。そのため、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置10は、装置の動作時における定常温度まで脱硫部を効率よく昇温することができる。
Further, as shown in FIG. 1, the
(第2の実施の形態)
図2は、第2の実施の形態に係る燃料電池用改質装置110の構成を示す断面図である。本実施の形態に係る燃料電池用改質装置110は、脱硫部162が、改質反応筒18の軸方向の位置がシフト変成部164と重なる位置に配置されている。これにより、改質反応筒18の縦方向がコンパクトになり、燃料電池用改質装置110を小型化することができる。また、シフト変成部164は、環状に形成されており、脱硫部162は、シフト変成部164の内周部に設けられている。これにより、燃料電池用改質装置110は、起動時にシフト変成部164の温度を効率よく昇温することができる。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the fuel
また、本実施の形態に係る脱硫部162は、脱硫反応温度が200℃〜300℃程度になるように設定されているとよい。一般的に、シフト変成部164におけるシフト反応温度は200℃〜300℃程度となっている。また、脱硫部162における硫黄成分は数ppm程度であるため、脱硫反応による発熱も僅かである。そのため、シフト反応により発熱する触媒層46を水で冷却しながら熱バランスをとっているシフト変成部164と脱硫部162とが接するよう構成することで、脱硫部162をシフト反応温度と同程度の200℃〜300℃の温度に維持することが容易となる。
Moreover, the
(第3の実施の形態)
上述の各実施の形態に係る燃料電池用改質装置では、水蒸気供給路42が改質反応筒18の内部を通過するとともにシフト変成部14の触媒層46や選択酸化部16の触媒層50を貫通するように設けられている。そのため、水蒸気供給路42が触媒層50に直接接触している部分では触媒温度が必要以上に低下し、反応が充分行われない可能性がある。そこで、本実施の形態では、水蒸気供給路の配置を工夫することで触媒層の温度が必要以上に低下することを防止している。
(Third embodiment)
In the fuel cell reforming apparatus according to each of the above-described embodiments, the
図3は、第3の実施の形態に係る燃料電池用改質装置210の構成を示す断面図である。燃料電池用改質装置210は、第1の実施の形態に係る燃料電池用改質装置10と比較して、水蒸気供給路142が加熱流路32の内部に設けられている点が大きく異なる。このような構成により、シフト変成部14の触媒層46や選択酸化部16の触媒層50は、改質反応筒18を介して水蒸気供給路142により間接的に冷却されるため、各触媒層の一部の温度が極端に低下することが抑制される。その結果、例えば、選択酸化部16において一酸化炭素が十分に反応せずに未反応の一酸化炭素が燃料電池の燃料極へ送出されることが抑制される。また、水蒸気供給路142は、改質反応筒18に接触するように設けられていてもよい。これにより、燃焼排ガスからの熱回収だけでなく、触媒層46,50における反応熱をより多く回収するとともに、触媒層46,50をより冷却することが可能となる。また、改質反応筒18内部の改質ガスをより冷却することも可能となる。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the fuel
また、上述の各実施の形態に係る燃料電池用改質装置のように、選択酸化部16の触媒層50が円柱形状の場合、触媒層50の直径が大きくなったとき、触媒層の中心部分の除熱が充分に行われない可能性がある。このような場合、触媒層50の中心部分が高温となり正常で効率のよい反応が困難となる。特に、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置210のように水蒸気供給路142を改質反応筒18の外側に配置した場合、除熱が不十分となる傾向が強い。そのため、例えば、選択酸化部16の触媒層50の温度が適正な温度範囲を超えると、改質ガス中の水素を酸化する副反応が生じてしまう可能性がある。
Further, when the
そこで、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置210においては、選択酸化部16の触媒層150は、リング状に形成されている。これにより、触媒層50は、適正な温度範囲の制御が困難な中心部が中空となっているため、望ましくない副反応の発生が抑制される。
Therefore, in the fuel
(第4の実施の形態)
図4は、第4の実施の形態に係る燃料電池用改質装置310の構成を示す断面図である。前述のように選択酸化部における触媒反応は、適正な温度範囲で行われる必要がある。通常、選択酸化部の触媒層においては改質ガスが流入する入口側で最も反応が起こるため、触媒層の温度も入口側が高く出口側が低くなる傾向がある。そのため、選択酸化部の触媒層に流入する改質ガスの温度が高すぎると、触媒層の入口近傍における反応温度が適正な温度範囲を超えて高くなる可能性がある。
(Fourth embodiment)
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a fuel
そこで、燃料電池用改質装置310において、選択酸化部116は、折り返し流路118と折り返し流路118の途中に設けられたリング状の触媒層250とを有する。折り返し流路118は、シフト変成部14を通過した改質ガスが改質反応筒18の内面に沿って燃焼室30側と反対側へ向かう第1流路120と、第1流路120を通過した改質ガスが燃焼室30側に向かうように内側に折り返された第2流路122とからなる。また、触媒層250は、第2流路122に設けられている。
In view of this, in the fuel
これにより、改質ガスは、触媒層250の入口側に到達する前に、第1流路120においてその外周に配置されている水蒸気供給路142を流れる低温の改質水によって熱が奪われる。したがって、触媒層250の入口側における反応温度を適正な温度範囲まで低減することが可能となる。また、水蒸気供給路142は、第1流路120に接触するように設けられていてもよい。これにより、触媒層250の入口側に流入する改質ガスの温度をより低減することが可能となる。
Thus, before the reformed gas reaches the inlet side of the
また、第1流路120と第2流路122は並んで配置されているため、触媒層250における反応熱を改質ガスを介して回収することも可能である。また、改質ガスは、第2流路において触媒層250を燃焼室30側に向かって流れるため、触媒層250の出口側における反応熱が少ない場合でも第1流路120に流入する改質ガスにより温度の低下を抑制することができる。その結果、触媒層250において入口側の反応温度より低くくなる傾向の出口側の反応温度の低下が抑制され、触媒層250全体が触媒反応に適正な温度範囲に維持される。
In addition, since the
ここで、触媒層250の反応温度は、100〜200℃の範囲に維持されているとよい。好ましくは、120〜180℃の範囲に維持されているとよい。より好ましくは、130〜170℃の範囲に維持されているとよい。温度が低すぎる領域では反応が不十分となる。また、温度が高すぎる領域では必要のない副反応が先行してしまう。
Here, the reaction temperature of the
なお、本実施の形態のように折り返し流路118を設けることで、選択酸化部116の触媒層250の入口側を、選択酸化部116のシフト変成部14より離れた側に配置することが可能となる。したがって、シフト変成部14と選択酸化部116との距離を長くしなくても、換言すれば改質反応筒18の長手方向を伸ばさなくても、実質的にシフト変成部14を通過した改質ガスが選択酸化部116の触媒層250に到達するまでの距離が長くなるため、触媒層250の入口側に到達する改質ガスの温度を下げることができる。その結果、燃料電池用改質装置310の長手方向をコンパクトにすることが可能となる。
Note that, by providing the folded
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、これは例示であり、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。 The present invention has been described with reference to each of the above-described embodiments. However, this is an exemplification, and the present invention is not limited to each of the above-described embodiments, and the configuration of each embodiment is appropriately set. Combinations and substitutions are also included in the present invention. Various modifications such as design changes can be added to each embodiment based on the knowledge of those skilled in the art, and the embodiments to which such modifications are added are also included in the scope of the present invention. sell.
上述の燃料電池用改質装置は、ガスと水との熱交換部において、ガス側の伝熱を促進させるために、ガス側通路にアルミナボールやマクマホンパッキン等の拡散により伝熱性を上げる物を充填してもよい。例えば、改質部12とシフト変成部14との間、シフト変成部14と選択酸化部16(116)との間、選択酸化部16(116)の上部、水蒸気供給路42の入口側における燃焼排ガスとの熱交換部、等に伝熱促進物が充填されていてもよい。
In the fuel cell reforming apparatus described above, in the heat exchange section between gas and water, in order to promote heat transfer on the gas side, an object that increases heat transfer by diffusion of alumina balls, McMahon packing, etc. in the gas side passage. It may be filled. For example, combustion between the reforming
上述の燃料電池用改質装置110は、脱硫部162がシフト変成部164の内周部に設けられているが、シフト変成部164が脱硫部162の内周部に設けられていてもよい。これにより、燃料電池用改質装置110は、起動時に脱硫部162の温度を効率よく昇温することができる。
In the fuel
また、上述の燃料電池用改質装置に用いられる原燃料としては、例示されているメタンやプロパン、ブタン等に限られるものではない。例えば、天然ガス、プロパン・ブタンを主成分とするLPG、ナフサ、灯油等の炭化水素や、メタノール、エタノール等のアルコール類や、ジメチルエーテル等のエーテル類、等を、原燃料として用いてもよい。 The raw fuel used in the above-described fuel cell reforming apparatus is not limited to the exemplified methane, propane, butane and the like. For example, natural gas, hydrocarbons such as LPG mainly composed of propane / butane, naphtha and kerosene, alcohols such as methanol and ethanol, ethers such as dimethyl ether, and the like may be used as the raw fuel.
10 燃料電池用改質装置、 12 改質部、 14 シフト変成部、 16 選択酸化部、 18 改質反応筒、 20 バーナ、 22 外筒、 32 加熱流路、 40 原燃料供給路、 42 水蒸気供給路、 110 燃料電池用改質装置、 160 脱硫部、 162 脱硫部、 164 シフト変成部。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
原燃料から硫黄成分を除去する脱硫部と、
脱硫部で硫黄成分が除去された原燃料から改質ガスを生成する改質部と、
前記改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減するシフト変成部と、
前記シフト変成部を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化して低減する選択酸化部と、
前記改質部と前記シフト変成部と前記選択酸化部とをこの順番に直線状に収納するとともに、更に脱硫部を収納する改質反応筒と、
原燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼手段と、
前記改質反応筒の外周に配置され、該改質反応筒より径が大きい外筒と、
前記改質反応筒と前記外筒との間に形成され、前記改質反応筒を加熱するために前記燃焼排ガスが通過する加熱流路と、
を備えることを特徴とする燃料電池用改質装置。 A reformer for a fuel cell that reforms raw fuel into hydrogen-rich reformed gas,
A desulfurization section for removing sulfur components from raw fuel;
A reforming unit that generates reformed gas from raw fuel from which sulfur components have been removed in the desulfurization unit;
A shift shifter that reduces carbon monoxide contained in the reformed gas by a shift reaction;
A selective oxidation unit that selectively oxidizes and reduces carbon monoxide contained in the reformed gas that has passed through the shift transformation unit;
The reforming unit, the shift shift conversion unit, and the selective oxidation unit are stored linearly in this order, and a reforming reaction cylinder that further stores a desulfurization unit,
Combustion means for combusting raw fuel to produce combustion exhaust gas;
An outer cylinder disposed on the outer periphery of the reforming reaction cylinder and having a larger diameter than the reforming reaction cylinder;
A heating passage formed between the reforming reaction cylinder and the outer cylinder, through which the combustion exhaust gas passes to heat the reforming reaction cylinder;
A reformer for a fuel cell, comprising:
前記改質反応筒の内部を通過するとともに前記脱硫部が途中に接続されており、前記改質部に昇温された原燃料を供給するために前記燃焼排ガスによる加熱により原燃料が昇温される原燃料供給路と、を更に備え、
前記脱硫部は、水素との反応で硫黄を除去する水添脱硫触媒を有し、
前記原燃料供給路は、前記水蒸気供給路と、前記脱硫部の下流側で合流していることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の燃料電池用改質装置。 A water vapor supply path through which water is vaporized by heating with the flue gas to supply water vapor to the reforming section;
The desulfurization section is connected in the middle while passing through the inside of the reforming reaction cylinder, and the raw fuel is heated by heating with the combustion exhaust gas to supply the heated raw fuel to the reforming section. A raw fuel supply path
The desulfurization part has a hydrodesulfurization catalyst that removes sulfur by reaction with hydrogen,
The reformer for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the raw fuel supply path joins the water vapor supply path on the downstream side of the desulfurization section.
前記シフト変成部を通過した改質ガスが前記改質反応筒の内面に沿って燃焼室側と反対側へ向かう第1流路と、該第1流路を通過した改質ガスが燃焼室側に向かうように内側に折り返された第2流路とを含む折り返し流路と、
前記第2流路に設けられている触媒層と、
を有することを特徴とする請求項4乃至6のいずれかに記載の燃料電池用改質装置。 The selective oxidation unit is
A first flow path in which the reformed gas that has passed through the shift shift section is directed along the inner surface of the reforming reaction tube toward the opposite side of the combustion chamber, and the reformed gas that has passed through the first flow path is on the combustion chamber side A folded flow path including a second flow path folded inwardly toward
A catalyst layer provided in the second flow path;
The fuel cell reformer according to any one of claims 4 to 6, characterized by comprising:
前記脱硫部は、前記シフト変成部の内周部に設けられていることを特徴とする請求項10に記載の燃料電池用改質装置。 The shift metamorphic part is formed in an annular shape,
The reformer for a fuel cell according to claim 10, wherein the desulfurization unit is provided on an inner periphery of the shift transformation unit.
前記シフト変成部は、前記脱硫部の内周部に設けられていることを特徴とする請求項10に記載の燃料電池用改質装置。 The desulfurization part is formed in an annular shape,
The reformer for a fuel cell according to claim 10, wherein the shift metamorphic section is provided in an inner peripheral portion of the desulfurization section.
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