JP2009249209A - Apparatus for treating fuel - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、有機化合物を含む原料と水とを水蒸気改質反応させ、水素含有ガスを生成させる燃料処理装置に関する。 The present invention relates to a fuel processing apparatus that generates a hydrogen-containing gas by subjecting a raw material containing an organic compound and water to a steam reforming reaction.
燃料電池にはアノードガスとして水素含有ガスが用いられるが、水素含有ガスのインフラが整備されていない。そこで、一般的に、都市ガス等の既存のインフラから供給される原料から水素含有ガスを生成させる燃料処理装置が併設される。 Fuel cells use hydrogen-containing gas as the anode gas, but the infrastructure for hydrogen-containing gas has not been developed. Therefore, in general, a fuel processing apparatus that generates a hydrogen-containing gas from a raw material supplied from an existing infrastructure such as city gas is additionally provided.
その燃料処理装置は、水蒸気改質反応によって原料及び水から水素含有ガスを生成させる改質触媒が設けられる改質器と、水蒸気改質反応に要する熱を改質器に供給する加熱器を有する。そして、天然ガス、LPG、ナフサ、ガソリン、灯油等の炭化水素系、メタノール等のアルコール系の原料と水とがそれぞれ外部のインフラから改質器に供給され、改質器が加熱器によって水蒸気改質反応に適する温度(改質反応温度)にまで加熱され、水素含有ガスが改質器から送出されるように構成されている。 The fuel processing apparatus includes a reformer provided with a reforming catalyst that generates a hydrogen-containing gas from raw material and water by a steam reforming reaction, and a heater that supplies heat required for the steam reforming reaction to the reformer. . Then, hydrocarbons such as natural gas, LPG, naphtha, gasoline, kerosene, and alcohol-based raw materials such as methanol and water are supplied from the external infrastructure to the reformer, and the reformer is steam-reformed by the heater. Heating is performed to a temperature suitable for a quality reaction (reforming reaction temperature), and a hydrogen-containing gas is delivered from the reformer.
一般的に、上述の加熱器には、燃焼ガスによって加熱する方法となる、天然ガス、LPG、ナフサ、ガソリン、灯油等の炭化水素系、メタノール等のアルコール系の燃料、あるいは燃料電池での発電に利用されなかったアノードオフガスをバーナで燃焼させる燃焼部が用いられる。また、バーナの周囲に燃焼筒を設けて、バーナで形成される火炎が改質触媒の入った容器に直接触れないように構成される。すなわち、燃焼筒と改質器を同心円状に設置し、燃焼ガスを燃焼筒の先端から流出させるとともに、その燃焼ガスの流れを折り返すことで、燃焼筒と改質器との間とで構成される間隙を通して流す構成がとられるが多い。 In general, the above-mentioned heater is a method of heating with combustion gas, hydrocarbon gas such as natural gas, LPG, naphtha, gasoline, kerosene, alcohol fuel such as methanol, or power generation in a fuel cell. A combustion section is used in which the anode off gas that has not been used for the combustion is burned by a burner. Further, a combustion cylinder is provided around the burner so that the flame formed by the burner does not directly touch the container containing the reforming catalyst. That is, it is configured between the combustion cylinder and the reformer by installing the combustion cylinder and the reformer concentrically, allowing the combustion gas to flow out from the tip of the combustion cylinder and turning back the flow of the combustion gas. In many cases, it is configured to flow through a gap.
燃焼筒と改質器を同心円状に設置する場合、周囲方向に燃焼ガスを均一に流通させるため、燃焼筒や改質器を真円に近い形状に作成することと、燃焼筒と改質器との間隙を周方向すべてにおいて均一にすることが望ましい。しかしながら、上述のように真円に作成すること、および間隙を均一にすることは困難であり、燃焼筒から出た燃焼ガスが燃焼筒と改質器との間隙を流れる周方向の分布を均一にすることは難しい。そのため、改質触媒での温度分布が周方向でバラつくので、反応に適切な状態に加熱するまでに多くの熱が必要となり、熱効率を低下させる原因となる。 When installing the combustion cylinder and reformer concentrically, in order to distribute the combustion gas uniformly in the circumferential direction, create the combustion cylinder and reformer in a shape close to a perfect circle, and the combustion cylinder and reformer. It is desirable to make the gap between and uniform in all circumferential directions. However, it is difficult to create a perfect circle and make the gap uniform as described above, and the distribution in the circumferential direction in which the combustion gas emitted from the combustion cylinder flows through the gap between the combustion cylinder and the reformer is uniform. It is difficult to make. Therefore, since the temperature distribution in the reforming catalyst varies in the circumferential direction, a large amount of heat is required before heating to a state suitable for the reaction, which causes a decrease in thermal efficiency.
そこで、改質触媒における温度分布のバラつきを低減するために、燃焼筒の径を先端部分に向かって段階的に小さくする構成が提案されている(例えば、特許文献1参照)。また、燃焼筒と改質触媒の入った筒(改質器)との空間に螺旋状の羽根を設ける構成も提案されている(例えば、特許文献2参照)。
しかしながら、燃焼筒の径を先端部分に向かって段階的に小さくする構成は、その加工に熟練を要し、加工費も高くなる。また、螺旋状の羽根を設ける構成も、その加工に熟練を要し、加工費も高くなる。 However, the configuration in which the diameter of the combustion cylinder is reduced stepwise toward the tip portion requires skill in the processing and increases the processing cost. Further, the configuration in which the spiral blades are provided requires skill in the processing, and the processing cost increases.
本発明は、上記のような課題を解決するもので、簡単な構成で、水素含有ガスを生成させる燃料処理装置を提供とすることを目的としている。 The present invention solves the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel processing apparatus that generates a hydrogen-containing gas with a simple configuration.
上記課題を解決するため、本発明の燃料処理装置は、 燃料の燃焼により燃焼ガスを生成させる燃焼部と、略円筒の形状であって、一方の開口部分の先端に径方向内側に向かって邪魔板が設けられ、他方の開口部分から内側に燃焼ガスを流入させて、邪魔板が設けられる開口部分を通して燃焼ガスを内側から外側へ流出させる燃焼筒と、有機化合物を含む原料と水とを水蒸気改質反応させる改質触媒を有し、内壁面と燃焼筒との間の空間で燃焼ガスの流通経路を構成するように設けられる改質器とを備える構成とする。 In order to solve the above-described problems, a fuel processing device according to the present invention has a combustion portion that generates combustion gas by combustion of fuel and a substantially cylindrical shape, and is obstructed radially inward at the tip of one opening portion. A combustion tube that is provided with a plate, allows combustion gas to flow inward from the other opening portion, and flows out from the inside to the outside through the opening portion provided with the baffle plate, and the raw material containing the organic compound and water are steamed It has a reforming catalyst that has a reforming reaction, and includes a reformer that is provided so as to constitute a flow path of the combustion gas in a space between the inner wall surface and the combustion cylinder.
本発明の燃料処理装置によれば、燃焼筒の加工を容易して、低コストで構成することを可能にする。また、加工精度を向上させることができるので、改質器における改質触媒の周方向への加熱ムラを低減でき、熱効率の高い燃料処理装置を提供することができる。 According to the fuel processing apparatus of the present invention, it is possible to easily process the combustion cylinder and to configure it at a low cost. In addition, since the processing accuracy can be improved, uneven heating of the reforming catalyst in the circumferential direction in the reformer can be reduced, and a fuel processing device with high thermal efficiency can be provided.
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における燃料処理装置1の概略構成を示す模式図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a
燃料処理装置1は、燃焼部であるバーナ103と、改質器203とで構成されている。
The
バーナ103には、燃料供給経路101と空気供給経路102とが接続されている。燃料供給経路101から燃焼用の燃料、空気供給経路102から燃焼に必要な空気がバーナ103に供給され、バーナ103で燃焼させることで火炎および燃焼ガスが生成される。また、燃焼筒104が、バーナ103で生成される火炎を覆うように配置されている。なお、燃焼筒104には、バーナと対向する開口部分の先端に、径方向内側に向かい中心部分に出口穴となる出口部106を有する邪魔板105が設けられ、出口部106の孔径が、燃焼筒104の外径より小さい孔径となるように構成されている。
A
改質器203には、改質反応に用いられる原料を供給する原料供給経路201、改質反応に用いられる水を供給する水供給経路202が接続されている。また、内筒205、中筒206、外筒207を備え、内筒205と中筒206とで構成される空間に改質触媒204が納められている。また、中筒206と外筒207とで構成される空間は、改質触媒204後の改質ガス(水素含有ガス)を通過させる空間となっている。なお、改質触媒204としては、例えばアルミナ等の触媒担体に、ニッケル、ルテニウム等の金属を担持したものを用いることができる。なお、内筒205、中筒206および外筒207は、それぞれが適切に接合され改質器が構成されている(その詳細な説明は、省略する)。
The
また、改質器203は、内筒205、中筒206、外筒207が燃焼筒104を略中心として配置されており、燃焼筒104と内筒205との間の空間で、燃焼ガスの燃焼ガス流通経路107が構成されている。さらに、外筒207の外側には、改質器203を覆うように燃焼ガスカバー208が設けられており、外筒207と燃焼ガスカバー208との間の空間でも、燃焼ガスの燃焼ガス流通経路107が構成されている。
In the
次に、本発明の実施の形態1における燃料処理装置1の特徴的な動作について説明する
。なお、燃料処理装置としての一般的な動作についての説明は、省略する。
Next, a characteristic operation of the
改質反応に必要な熱量を供給するため、バーナ103で燃料を燃焼させ、改質器203を加熱する。燃料は、天然ガス、LPG、ナフサ、ガソリン、灯油等の炭化水素等、及びメタノール等のアルコール等(または燃料電池での発電に利用されなかったアノードオフガス等)が用いられる。燃焼に必要な空気は、燃焼が安定する空気比(例えば、空気過剰率λで1.5)で供給される。火炎が、燃焼筒104の内側で形成され、燃料の燃焼により発生する燃焼ガスが、邪魔板105の出口部106から出て、燃焼ガス流通経路107を通り、燃料処理装置1から排出される。改質器203に納められた改質触媒204は、主に内筒を通して燃焼ガスから熱を受け取り、加熱される。この時、改質触媒204の原料ガス流れに対して最下流の任意の部分に設けられる温度検出部(詳細は図示せず)での検出温度が、約650℃となるように、燃料および空気の供給量を調節して加熱を行い、改質器203に供給される原料と水との水蒸気改質反応を進行させて、水素を含んだ改質ガス(水素含有ガス)を生成させる。
In order to supply the amount of heat necessary for the reforming reaction, fuel is burned by the
次に、燃焼筒104に邪魔板105を設ける構成で得られる効果について説明する。
Next, effects obtained by the configuration in which the
図2は、燃料処理装置1において、図1に示すように燃焼筒104に邪魔板105を設ける構成と、燃焼筒104に邪魔板105を設けない構成(図1に示す燃焼筒104から邪魔板105を除いた構成、詳細は図示せず)において、改質触媒204の任意の位置の温度を測定する温度検出部(詳細は図示せず)が約650℃となる任意の条件で、改質触媒204の周方向の温度分布の最大温度分布幅を触媒高さ方向に測定した結果を示す。なお、改質触媒204において原料が流れる方向の一番下流側を基準面(0mm)とし、周方向に対して角度90度の間隔毎に高さ方向の温度を測定し、改質触媒204の基準面からの距離に対して最大温度幅を整理した結果である。
2 shows a configuration in which the
邪魔板105を設ける構成は、邪魔板105を設けない構成と比較して、最大温度分布幅を小さくできることがわかる。これは、燃焼筒104後の燃焼ガスが、燃焼筒104と内筒205との間の空間で構成される燃焼ガス流通経路107において径方向へ均一に流通して、改質触媒204を加熱しているからである。さらに詳しくは、邪魔板105を設ける構成では、邪魔板105を設けない構成と比較して、燃焼ガスが燃焼筒104の内側から外側へ流れ出す時の抵抗が大きくなるので、邪魔板105近傍で燃焼ガスの流れを滞りさせ、燃焼ガスを燃焼筒104内の出口部106近傍で対流しやすくさせる。さらに、出口部106の孔径を、燃焼筒104の外径より小さい孔径とすることで、燃焼ガスの流れを整流させる効果も得られて、燃焼ガスを燃焼筒104の周方向に対して均一に流通させることができるので、改質触媒204を均一に加熱することができる。一方、邪魔板105を設けない構成では、例えば、火炎がバーナ103の中心からずれて形成されてしまった場合、燃焼ガスは、燃焼筒104内の周方向に対して偏って流れ、偏ったまま燃焼筒104の内側から外側へ流れ出し、燃焼筒104と内筒205との間の空間で構成される燃焼ガス流通経路107も偏ったまま流れることになる。その結果、改質触媒204を不均一に加熱して、図2に示したように周方向に対して、最大温度分布幅も大きくなる。
It can be seen that the configuration in which the
なお、改質触媒204を周方向に対して均一に加熱した場合、以下の効果も得ることができる。
In addition, when the reforming
改質触媒204の加熱状態は、例えば、本実施の形態1のように改質触媒204中の任意の位置に温度検出部を設け、温度検出部で検出される温度が650℃になるように、燃料および空気の供給量を調節することでバーナ103の燃焼状態を調整して制御する。燃焼ガスの流れが燃焼筒104と内筒205との間の空間で構成される燃焼ガス流通経路107の周方向に対して不均一である場合、周方向に対しての改質触媒204の温度も不均
一になる。例えば、温度検出部を改質触媒204の原料ガス流れに対して最下流に位置する部分に設けた場合、図2に示すように、最大温度分布幅が80℃になる場合があると想定される。すなわち、温度検出部で検出される温度を650℃になるように加熱状態を制御しても、対向する位置の改質触媒の温度が730℃になっている可能性がある。前記の場合、改質触媒204を必要以上に加熱することになり、熱効率を低下させることにつながる。また、温度検出部の対向する位置の改質触媒204の温度が570℃になる可能性もある。前記の場合、改質反応が十分に進行せず、必要な水素量を確保できないことにつながる。それに対して、燃焼ガスの流れが周方向に対して均一な場合には、改質触媒204を周方向に対して均一に加熱できるので、バーナ103で燃焼させる燃料の量を少なくすることができ、水素含有ガスを効率よく生成することができるので、熱効率を向上させる効果も得ることができる。
As for the heating state of the reforming
さらに、以下に示す加工方法を用いることで、簡便に本実施の形態1に示す燃料処理装置1の燃焼筒104を作成することができる。
Furthermore, by using the processing method described below, the
まず、燃焼筒104を円筒型に作成する。次に、その燃焼筒104の開口部分の先端に、中心部分に出口部106を設けた円盤型の邪魔板105を設置し、周囲を溶接し作成する。この加工方法では、熟練を要しないので、加工費を抑制することが可能である。また、簡便であるため、寸法管理も容易で、作成時のばらつきも抑制できるので、邪魔板105の出口部106を燃焼筒104の中心部分に確実に設置でき、燃焼ガスを周方向に対して均一に流通させることを確実にすることができる。
First, the
以上、本実施の形態1のように燃料処理装置1を構成するにより、簡便な構成で、改質触媒の周方向の温度分布を抑制し、かつ熱効率を向上させることのできる装置を提供することができる。
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2における燃料処理装置2の構成を説明する。
As described above, by configuring the
(Embodiment 2)
Next, the structure of the
図3に、本発明の実施の形態2における燃料処理装置2の概略構成図を示す。本実施の形態2の燃料処理装置2は、実施の形態1の燃料処理装置1とほぼ同じ構成となるので、相違点のみを説明する。相違点は、邪魔板105の構成であり、実施の形態1の燃料処理装置1の邪魔板105に対して、実施の形態2の燃料処理装置2の邪魔板105では、出口部106に絞り加工を施し、燃焼筒104の外側に向かって、出口部ガイド109を設けた点となる。
In FIG. 3, the schematic block diagram of the
運転時、バーナ103によって形成される火炎により高温にさらされている燃焼筒104は、装置停止時には、その高温状態から冷却されることになり、熱ひずみを生じる。熱ひずみは、装置の起動停止を繰り返す毎に生じることになり、起動停止の回数が多くなるほど変形を起こす可能性が大きくなる。この熱ひずみで邪魔板105が変形すると、出口部106が変形する、出口部106の中心がずれる等、燃焼ガスの流れの偏りを発生させる原因となり、改質触媒204を均一に加熱できなくなることがあるので、邪魔板105の変形を抑制することが重要となる。
During operation, the
そこで、本実施の形態2では、図3に示すように、邪魔板105の出口部106に、絞り加工を施して出口部ガイド109を構成する。この出口部ガイド109により、邪魔板105が熱ひずみに対して強い構造にすることができる。すなわち、邪魔板105の出口部106に絞り加工を施して出口部ガイド109を設けた構成では、燃焼筒104の内側での燃焼ガスを対流させることができるとともに、起動停止を繰り返す長期間の使用時にも、燃焼ガスの周方向への流通の均一性を確保することを可能とする。
Therefore, in the second embodiment, as illustrated in FIG. 3, the
なお、出口部ガイド109の構造は上記の構造に限らず、図4に示すように、出口部ガイド109を燃焼筒104の内側に折り返した構成、図5に示すように、出口部ガイド109を逆テーパー状に施した構成にしてもよい。出口部ガイド109を燃焼筒104の内側に折り返した構成、逆テーパー状に施した構成では、燃焼筒104の内側から外側へ燃焼ガスが流れる時の抵抗を高くできるので、燃焼ガスの対流をさらに引き起こす効果を得ることができる。その結果、燃焼筒104と内筒205との間の空間で構成される燃焼ガス流通経路107で、より均一に燃焼ガスを流すことができ、改質触媒204をさらに均一に加熱することを可能とする。
The structure of the
本発明は、有機化合物を含む原料と水とを水蒸気改質反応させ、水素含有ガスを生成させる、高い熱効率と耐久性が求められる燃料処理装置に有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful for a fuel processing apparatus that is required to have a high thermal efficiency and durability, in which a raw material containing an organic compound and water are subjected to a steam reforming reaction to generate a hydrogen-containing gas.
1、2 燃料処理装置
101 燃料供給経路
102 空気供給経路
103 バーナ
104 燃焼筒
105 邪魔板
106 出口部
107 燃焼ガス流通経路
108 燃焼ガス出口穴
109 出口部ガイド
201 原料供給経路
202 水供給経路
203 改質器
204 改質触媒
205 内筒
206 中筒
207 外筒
208 燃焼ガスカバー
DESCRIPTION OF
Claims (4)
略円筒の形状であって、一方の開口部分の先端に径方向内側に向かって邪魔板が設けられ、他方の開口部分から内側に前記燃焼ガスを流入させて、前記邪魔板が設けられる開口部分を通して前記燃焼ガスを内側から外側へ流出させる、燃焼筒と、
有機化合物を含む原料と水とを水蒸気改質反応させる改質触媒を有し、内壁面と前記燃焼筒との間の空間で前記燃焼ガスの流通経路を構成するように設けられる改質器とを備える燃料処理装置。 A combustion section for generating combustion gas by combustion of fuel;
An opening portion in which a baffle plate is provided radially inward at the tip of one opening portion, and the baffle plate is provided by allowing the combustion gas to flow inward from the other opening portion. Through which the combustion gas flows out from the inside to the outside,
A reformer provided with a reforming catalyst for performing a steam reforming reaction between a raw material containing an organic compound and water, and configured to constitute a flow path of the combustion gas in a space between an inner wall surface and the combustion cylinder; A fuel processing apparatus comprising:
請求項1記載の燃料処理装置 The fuel processing apparatus according to claim 1, wherein the baffle plate has an outlet portion that becomes an outlet hole for the combustion gas and opens with a diameter smaller than the outer diameter of the combustion cylinder.
請求項1記載の燃料処理装置。 The fuel processing apparatus according to claim 1, wherein the baffle plate is configured by drawing a distal end portion radially inward.
請求項3記載の燃料処理装置。 The fuel processing apparatus according to claim 3, wherein the baffle plate is formed by further drawing back inward in the length direction.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008096843A JP2009249209A (en) | 2008-04-03 | 2008-04-03 | Apparatus for treating fuel |
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JP (1) | JP2009249209A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPWO2015115071A1 (en) * | 2014-01-28 | 2017-03-23 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Hydrogen generator |
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2008
- 2008-04-03 JP JP2008096843A patent/JP2009249209A/en active Pending
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JPWO2015115071A1 (en) * | 2014-01-28 | 2017-03-23 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Hydrogen generator |
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