JP2013212968A - Hydrogen generator - Google Patents

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Yutaka Yoshida
豊 吉田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a problem that it is necessary to make the shortest part of an opening hole of a tray to be less than 1 mm for using a catalyst of φ1 to φ1.5, and meanwhile, when a tray is to be fabricated by press working with the assumption of mass production, a hole with a size less than plate thickness cannot be opened and consequently the plate thickness is obliged to be less than 1 mm, and when the plate thickness of the tray is set to be less than 1 mm, the tray falls into a state of insufficient strength and is transformed durably, and the catalyst falls, and concern for a stop of operation due to passage occlusion is caused.SOLUTION: A first supporting plate 51 which has small plate thickness and in which a hole with a size smaller than that of a catalyst can be made, and a second supporting plate 52 which has large plate thickness for keeping the strength while holding a gap between each other, are installed. The catalyst is prevented from falling by the first supporting plate 51, and strength as the tray can be kept by the second supporting plate 52.

Description

本発明は、炭化水素化合物を原料として水素を含む燃料ガスを生成し、燃料電池に燃料ガスを供給する水素生成装置に関するものである。   The present invention relates to a hydrogen generator that generates a fuel gas containing hydrogen using a hydrocarbon compound as a raw material and supplies the fuel gas to a fuel cell.

燃料電池システムは、発電部の本体である燃料電池スタック(以下、単に「燃料電池」という)に、水素含有ガスと酸素含有ガスとを供給して、水素と酸素との電気化学反応を進行させることにより発生した化学的エネルギーを、電気的なエネルギーとして取り出して発電するシステムである。また、高効率発電が可能であり、発電運転の際に発生する熱エネルギーを簡単に利用することができるので、高いエネルギー利用効率を実現することが可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。   A fuel cell system supplies a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas to a fuel cell stack (hereinafter simply referred to as a “fuel cell”) that is a main body of a power generation unit, and advances an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. It is a system that takes out the chemical energy generated by this as electric energy and generates electricity. In addition, high-efficiency power generation is possible, and heat energy generated during power generation operation can be easily used, so development is being promoted as a distributed power generation system that can achieve high energy use efficiency. ing.

一般的に、水素含有ガスのインフラストラクチャーが整備されていないことが多く、従来の燃料電池システムには、改質ガス(水素含有ガス)を生成させる改質部を備えた水素生成装置が配置されている。水素生成装置では、水と既存のインフラストラクチャーから供給される天然ガスを主成分とする都市ガス、またはLPGなどを原料とし、Ru触媒や、Ni触媒を用いて600℃〜700℃の温度で改質反応させ改質ガスを生成させる。特に、改質部を高温に加熱するために、改質部にはバーナ等の燃焼部が設けられている。また、改質反応により得られる改質ガスには、通常、原料に由来する一酸化炭素が含まれ、その濃度が高いと、燃料電池の発電特性を低下させる。そこで、水素生成装置には、改質部のほかに、200℃〜350℃の温度で一酸化炭素と水蒸気との変成反応を進行させて、一酸化炭素を低減させる、Cu−Zn系触媒を備える変成部、および100℃〜200℃の温度で一酸化炭素を選択的に酸化反応させて更に一酸化炭素を低減させる選択酸化部や、一酸化炭素を選択的にメタン化させて低減させるメタン化除去部等の選択除去部といった反応部が設けられることが多い。   In general, the infrastructure of hydrogen-containing gas is often not established, and a conventional fuel cell system is provided with a hydrogen generator equipped with a reforming unit that generates reformed gas (hydrogen-containing gas). ing. The hydrogen generator uses water and natural gas supplied from existing infrastructure as the main component, or LPG as a raw material, and is modified at a temperature of 600 ° C to 700 ° C using a Ru catalyst or Ni catalyst. A reformed gas is generated by a quality reaction. In particular, in order to heat the reforming section to a high temperature, the reforming section is provided with a combustion section such as a burner. In addition, the reformed gas obtained by the reforming reaction usually contains carbon monoxide derived from the raw material, and if the concentration is high, the power generation characteristics of the fuel cell are degraded. Therefore, in addition to the reforming unit, the hydrogen generator includes a Cu—Zn-based catalyst that reduces carbon monoxide by advancing a shift reaction between carbon monoxide and water vapor at a temperature of 200 ° C. to 350 ° C. A metamorphic part, a selective oxidation part that selectively oxidizes carbon monoxide at a temperature of 100 ° C. to 200 ° C. to further reduce carbon monoxide, and methane that reduces carbon monoxide by selectively methanation In many cases, a reaction section such as a selective removal section such as a decontamination section is provided.

反応部には、粒状の触媒を充填して構成し、原料を通過させることで各反応を行うことができる。改質部、変成部、選択酸化部はそれぞれ鉛直方向に設置され、各粒状の触媒はそれぞれの反応部の下部に設置される棚段によって保持されている。棚段にはガスを流通させるための穴を開口させておく必要があるが、特許文献1では、棚段の穴は触媒粒径よりも小さくし、触媒が棚段の開口穴から脱落しないようにしている。特許文献2では棚段は網目体等の支持板を用いている。特許文献3では具体的に、触媒の粒径はφ3mmであり、棚段は触媒の大きさよりも小さな孔径(約φ2mm)を有するパンチングメタルで構成すると記載されている。   Each reaction can be performed by filling the reaction part with a granular catalyst and allowing the raw material to pass through. The reforming section, the conversion section, and the selective oxidation section are each installed in the vertical direction, and each granular catalyst is held by a shelf installed at the lower part of each reaction section. Although it is necessary to open a hole for circulating gas in the shelf, in Patent Document 1, the hole in the shelf is made smaller than the catalyst particle diameter so that the catalyst does not fall out of the opening in the shelf. I have to. In Patent Document 2, the shelf uses a support plate such as a mesh body. Specifically, Patent Literature 3 describes that the particle diameter of the catalyst is φ3 mm, and the shelf is made of a punching metal having a hole diameter (about φ2 mm) smaller than the size of the catalyst.

一方、燃料電池システムを家庭用機器として本格普及させるためには、設置スペースとコスト面から小型化させることが必要であり、反応部を含めた各部を極限まで小型化する開発がすすめられている。   On the other hand, in order to fully disseminate fuel cell systems as household equipment, it is necessary to reduce the size in terms of installation space and cost, and development is underway to minimize each part including the reaction part. .

特開平8−208202号公報JP-A-8-208202 特開2010−113970号公報JP 2010-1113970 A 特開2011−006289号公報JP 2011-006289 A

本開発者は、従来は一般的な粒径であるφ3mmの触媒を選定し、棚段は触媒の大きさが少々下にばらついても触媒が棚段を通過しないように、棚段の開口穴は最短部が1mmを下回らないように機器を設計していた。水素生成装置を小型化するためには触媒の容量も減らす必要があり、単位容積あたりの触媒活性量をあげるために、より小さな粒径の触媒を採用することを考えた。触媒径をφ1〜1.5mm程度にするためには、棚段の開口穴は、触媒が脱落しないようにするために最短部は1mm未満(たとえば0.7〜0.8mm)にする必要がある。しかしながら、棚段には常に触媒の重量を支える役目と、かつ機器の起動と停止の繰り返しにより反応器の熱変形による膨張と収縮の繰り返しにより触媒か下部へ押し下げられていく力に耐えるだけの強度が求められる。そのため棚段の板厚は最低1mm以上必要であることを実験的に把握していた。1mmの板厚の棚段をプレス加工により量産するためには、その開口孔については、プレス加工時における金型の破損や金型の消耗が激しくなることを考慮すると、板厚よりも小さな開口穴にはできない。このように、φ1〜φ1.5の触媒を使用するためには棚段の開口穴の最短部を1mm未満にする必要があり、棚段の板厚を1mm未満にせざるを得ない。棚段の板厚を1mm未満にすると、棚段が強度不足に陥り、耐久的に変形して触媒が落下し、通路閉塞により運転が停止する懸念がある。   The developer selected a catalyst with a diameter of 3 mm, which is a common particle size, and the shelf has an opening hole in the shelf so that the catalyst does not pass through the shelf even if the catalyst size varies slightly. Designed the equipment so that the shortest part would not be less than 1 mm. In order to reduce the size of the hydrogen generator, it is necessary to reduce the capacity of the catalyst, and in order to increase the amount of catalytic activity per unit volume, it was considered to employ a catalyst having a smaller particle diameter. In order to reduce the catalyst diameter to about φ1 to 1.5 mm, the opening of the shelf must be less than 1 mm (for example, 0.7 to 0.8 mm) in order to prevent the catalyst from falling off. is there. However, the shelf always has the role of supporting the weight of the catalyst, and the strength enough to withstand the force that the catalyst is pushed down by repeated expansion and contraction due to thermal deformation of the reactor due to repeated start and stop of the equipment Is required. Therefore, it has been experimentally grasped that the thickness of the shelf must be at least 1 mm. In order to mass-produce a shelf with a thickness of 1 mm by press working, the opening hole has an opening smaller than the plate thickness in consideration of severe damage to the mold during press working and consumption of the mold. It can't be a hole. Thus, in order to use the catalyst of φ1 to φ1.5, it is necessary to make the shortest portion of the opening hole of the shelf less than 1 mm, and the plate thickness of the shelf must be less than 1 mm. If the plate thickness of the shelf is less than 1 mm, the shelf will be insufficient in strength, and may be deformed in a durable manner, causing the catalyst to fall, and there is a concern that the operation may be stopped due to passage blockage.

前記従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、
粒状の触媒を収納する反応容器と、
前記反応容器の内部に配置されており、複数の開口が形成されており、前記粒状の触媒を支持する第1支持板と、
前記第1支持板を支持しており、複数の開口が形成されている第2支持板と、
を備えており、
前記第1支持板は、前記第1支持板の重力方向上側に前記第2支持板と隙間を空けて配置されており、前記第2支持板より厚さが小さく、前記第1支持板の開口が前記第2支持板の開口より小さくなるように構成されている。
In order to solve the conventional problem, the hydrogen generator of the present invention is:
A reaction vessel containing a granular catalyst;
A first support plate that is disposed inside the reaction vessel, has a plurality of openings, and supports the granular catalyst;
A second support plate supporting the first support plate and having a plurality of openings formed therein;
With
The first support plate is disposed on the upper side of the first support plate in the direction of gravity with a gap from the second support plate, and is thinner than the second support plate, and has an opening in the first support plate. Is configured to be smaller than the opening of the second support plate.

この構成により、触媒の通過は第1支持板で防ぐことができ、棚段としての強度は第2支持板で保つことができる。   With this configuration, the passage of the catalyst can be prevented by the first support plate, and the strength as the shelf can be maintained by the second support plate.

また、前記第2支持板は、重力方向上側に向かって凸となる前記第1支持板を支持するための突起部が形成されている。この構成により、第1支持板と第2支持板は常に一定の隙間を保つことができる。また、突起部をプレス加工で形成すると第2支持板のリブの役割を果たし強度を上げることができる。   Further, the second support plate is formed with a protrusion for supporting the first support plate that is convex upward in the gravity direction. With this configuration, the first support plate and the second support plate can always maintain a constant gap. Further, when the protrusion is formed by press working, it can serve as a rib of the second support plate and can increase the strength.

また、前記第1支持板と前記第2支持板との距離は、前記第1支持板および前記第2支持板の両方の板厚より大きくなるように構成されている。この構成により、第1支持板の開口穴と第2の支持板の開口穴とが重なり合うことなく、支持板を2枚重ねにしてもガスの流路面積が狭くなることを回避でききる。   The distance between the first support plate and the second support plate is configured to be greater than the thickness of both the first support plate and the second support plate. With this configuration, the opening hole of the first support plate and the opening hole of the second support plate do not overlap each other, and even if two support plates are stacked, it is possible to avoid a reduction in the gas flow path area.

このように、φ1〜φ1.5の触媒を使用するときに、触媒が棚段の開口穴から脱落することの防止と、棚段の板厚を1mm以上確保することにより、棚段が変形して触媒が落下し通路閉塞により運転が停止することの防止という二つの課題を満足させることができる。   Thus, when using a catalyst with φ1 to φ1.5, the shelf is deformed by preventing the catalyst from dropping out from the opening hole of the shelf and securing the plate thickness of the shelf at least 1 mm. Thus, the two problems of preventing the catalyst from dropping and stopping the operation due to the passage blockage can be satisfied.

本発明の水素生成装置は、棚段の板厚よりも小さな粒径の触媒を使用することができる。また、プレス加工で突起部を設けることに棚段強度を増すことができる。   The hydrogen generator of the present invention can use a catalyst having a particle size smaller than the plate thickness of the shelf. In addition, the shelf strength can be increased by providing the protrusions by pressing.

本発明の実施の形態1における水素生成装置の要部断面図Sectional drawing of the principal part of the hydrogen generator in Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態2における水素生成装置の要部拡大図The principal part enlarged view of the hydrogen generator in Embodiment 2 of this invention

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, in all the drawings, only components necessary for explaining the present invention are extracted and illustrated, and other components are not illustrated. Furthermore, the present invention is not limited to the following embodiment.

(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態における水素生成装置1の要部断面図、図2は図1の中の一部拡大図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of a hydrogen generator 1 according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a partially enlarged view of FIG.

反応器31は、内筒底板6を備えた内筒5の外側に、中筒底板8を備えた中筒7が配置されている。その中筒7の外側には、外筒底板16を備えた外筒15が配置されている。内筒5と、中筒7と、外筒15が略同心円形状に配置されている。中筒底板8には、その中央部分に、中筒底板貫通孔9を備える。なお、内筒5と、中筒7と、外筒15の上方部分は、それぞれが適切に接続され、略円筒形状に構成されている(上方部分の、詳細な接続関係の説明は、省略する)。   In the reactor 31, the middle cylinder 7 having the middle cylinder bottom plate 8 is disposed outside the inner cylinder 5 having the inner cylinder bottom plate 6. An outer cylinder 15 having an outer cylinder bottom plate 16 is disposed outside the middle cylinder 7. The inner cylinder 5, the middle cylinder 7, and the outer cylinder 15 are arranged in a substantially concentric shape. The middle cylinder bottom plate 8 is provided with a middle cylinder bottom plate through-hole 9 at the center thereof. In addition, the upper part of the inner cylinder 5, the middle cylinder 7, and the outer cylinder 15 are each appropriately connected and configured in a substantially cylindrical shape (detailed connection relations of the upper part are omitted). ).

反応器31は、水供給経路3から供給される水を蒸発させるとともに、原料と水蒸気の混合ガスを予熱する予熱部23を備える。また、原料供給経路4から供給される原料と、水蒸気との改質反応を進行させる改質部20と、改質部20で生成した水素含有ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを変成反応させて、水素含有ガスの一酸化炭素濃度を低減させる変成部25を有している。また、変成部25を通過した後の水素含有ガス中に残留する一酸化炭素を、空気供給部19から変成部25を通過した後の水素含有ガスに供給される空気を用いて、主に酸化させて除去する選択酸化部26を有している。なお、変成部25、選択酸化部26により、一酸化炭素低減部が構成されている。   The reactor 31 includes a preheating unit 23 that evaporates water supplied from the water supply path 3 and preheats a mixed gas of raw material and water vapor. In addition, the reforming unit 20 that promotes the reforming reaction between the raw material supplied from the raw material supply path 4 and the steam, and the carbon monoxide in the hydrogen-containing gas generated in the reforming unit 20 and the steam are subjected to a modification reaction. Thus, it has a shift section 25 for reducing the carbon monoxide concentration of the hydrogen-containing gas. Further, the carbon monoxide remaining in the hydrogen-containing gas after passing through the shift conversion section 25 is mainly oxidized using air supplied from the air supply section 19 to the hydrogen-containing gas after passing through the shift conversion section 25. The selective oxidation unit 26 is removed. The metamorphic unit 25 and the selective oxidation unit 26 constitute a carbon monoxide reduction unit.

改質部20には、約φ1〜2mmの球状形状を有するRu系の改質触媒21が充填されている。改質触媒の下部には改質触媒21の粒径よりも小さな複数の開口穴が形成された第1支持板51が配置されている。第1支持板51の下部には、隙間をあけて、棚段としての一定の強度を持つ第2支持板52が設置されている。第2支持板52にも複数の開口穴が形成されており、第2支持板52の開口穴は最短部が1mm、第2支持板52の板厚は1mm以上で構成されている。   The reforming unit 20 is filled with a Ru-based reforming catalyst 21 having a spherical shape of about φ1 to 2 mm. A first support plate 51 having a plurality of opening holes smaller than the particle diameter of the reforming catalyst 21 is disposed below the reforming catalyst. Below the first support plate 51, a second support plate 52 having a certain strength as a shelf is provided with a gap. The second support plate 52 is also formed with a plurality of opening holes. The opening hole of the second support plate 52 has a shortest portion of 1 mm, and the second support plate 52 has a thickness of 1 mm or more.

第1支持板51は第2支持板52より厚さが小さく、第2支持板52の開口穴より小さい開口穴が複数形成されている。   The first support plate 51 is smaller in thickness than the second support plate 52, and a plurality of opening holes smaller than the opening holes of the second support plate 52 are formed.

このように、触媒の脱落の防止は第1支持板51で行い、棚段としての強度は第2支持板52で保っている。   Thus, the catalyst is prevented from falling off by the first support plate 51, and the strength as a shelf is maintained by the second support plate 52.

また改質触媒21を充填する組立工程について説明する。組立時は反応器31を鉛直方向逆向きにして台に固定し、内筒5と中筒7との間の部分に改質触媒21を充填する。改質触媒21の所定容量分の充填が終わると、第1支持板51を内筒5と中筒7との間であって充填が終了した改質触媒21の上部(即ち運転時には下部の位置)にのせる。その後、第2支持板52を中筒7の内側面に溶接で取り付ける。   An assembly process for filling the reforming catalyst 21 will be described. At the time of assembly, the reactor 31 is fixed in the vertical direction and fixed to the table, and the portion between the inner cylinder 5 and the middle cylinder 7 is filled with the reforming catalyst 21. When charging of the reforming catalyst 21 for a predetermined volume is completed, the first support plate 51 is placed between the inner cylinder 5 and the middle cylinder 7 and the upper portion of the reforming catalyst 21 that has been filled (ie, the lower position during operation). ). Thereafter, the second support plate 52 is attached to the inner surface of the middle cylinder 7 by welding.

第2支持板52には第1支持板51向かって凸となる突起部53が形成されている。この構成により、第2支持板52を中筒7に溶接で取り付けるときに確実な位置決めを行うことができる。また運転時においては改質触媒21の自重が第1支持板51に加わるので、第1支持板51と第2支持板52は常に一定の隙間を保つことができる。   The second support plate 52 is formed with a protrusion 53 that is convex toward the first support plate 51. With this configuration, reliable positioning can be performed when the second support plate 52 is attached to the middle cylinder 7 by welding. Further, since the weight of the reforming catalyst 21 is applied to the first support plate 51 during operation, the first support plate 51 and the second support plate 52 can always maintain a constant gap.

また、突起部53をプレス加工で形成すると第1支持板51に対するリブの役割を果たし強度を上げることができる。   In addition, when the protrusion 53 is formed by press working, it can serve as a rib for the first support plate 51 to increase the strength.

また、第1支持板51と第2支持板52との距離は、第1支持板51および第2支持板の両方の板厚より大きくなるように構成されている。これより短い距離であると、第2支持板52の開口穴の上部の隙間が十分でないために、第1支持板51を通過したガスが第2支持板52の開口穴を通過するときに抵抗となり、実質の流路面積が狭くなってしまいブースターポンプで十分な量のガス量を供給できなくなってしまう懸念が生じる。   Further, the distance between the first support plate 51 and the second support plate 52 is configured to be greater than the thickness of both the first support plate 51 and the second support plate. When the distance is shorter than this, the gap above the opening hole of the second support plate 52 is not sufficient, so that resistance when the gas that has passed through the first support plate 51 passes through the opening hole of the second support plate 52. Thus, there is a concern that the substantial flow area becomes narrow and a sufficient amount of gas cannot be supplied by the booster pump.

水素生成装置1の、その他の構成について引き続き説明する。   Next, other configurations of the hydrogen generator 1 will be described.

変成部25には、約φ3mmで高さ3mmの円筒形状を有するCu−Zn系の変成触媒、選択酸化部26には、約φ3mmの球状形状を有するRu系の選択酸化触媒が設けられている(設置に関する詳細な説明は、省略する)。   The shift portion 25 is provided with a Cu-Zn shift catalyst having a cylindrical shape of approximately φ3 mm and a height of 3 mm, and the selective oxidation portion 26 is provided with a Ru-based selective oxidation catalyst having a spherical shape of approximately φ3 mm. (Detailed explanation about installation is omitted).

また、水素生成装置1は、改質部20における改質反応に必要な反応熱を供給するための加熱部となる、燃焼部2を備えている。燃焼部2は、加熱源となる燃焼ガスを燃焼させるバーナであり、燃焼部2の燃焼状態を検知するフレームロッドである燃焼検知部22、及び燃焼部2に燃料用空気を供給する、燃焼空気供給部となる燃焼ファン18を有している。燃焼部2で燃焼させる燃焼ガスは、燃焼ガス供給経路(図示せず)を介して燃焼部2に供給される。水素生成装置1によって生成された水素含有ガスは、導出部12を介して、外部に設置される燃料電池等に供給される。なお、フレームロッドは、火炎が形成される時に発生するイオンに電圧を印加し、その時に流れるイオン電流値を測定するデバイスである。また、改質部20と予熱部23は、燃焼部2で発生させた燃焼排ガスから、燃焼部2との水素生成装置1の壁面を介して供給される構成となっている。また、燃焼排ガスは、図面右上上の排出口44から、水素生成装置1の外部へ排気される。   Further, the hydrogen generator 1 includes a combustion unit 2 that serves as a heating unit for supplying reaction heat necessary for the reforming reaction in the reforming unit 20. The combustion unit 2 is a burner that burns combustion gas that serves as a heating source, a combustion detection unit 22 that is a frame rod that detects the combustion state of the combustion unit 2, and combustion air that supplies fuel air to the combustion unit 2 It has the combustion fan 18 used as a supply part. Combustion gas burned in the combustion unit 2 is supplied to the combustion unit 2 via a combustion gas supply path (not shown). The hydrogen-containing gas generated by the hydrogen generator 1 is supplied to a fuel cell or the like installed outside via the derivation unit 12. The flame rod is a device that applies a voltage to ions generated when a flame is formed and measures the value of the ionic current that flows at that time. Further, the reforming unit 20 and the preheating unit 23 are configured to be supplied from the combustion exhaust gas generated in the combustion unit 2 through the wall surface of the hydrogen generator 1 with the combustion unit 2. Further, the combustion exhaust gas is exhausted to the outside of the hydrogen generator 1 from the exhaust port 44 at the upper right of the drawing.

予熱部23は、導出部12、一酸化炭素低減部(選択酸化部26、変成部25)と片側壁面を同一にして、導出部12、一酸化炭素低減部を流れる水素含有ガス、選択酸化部26、変成部25に設けられる触媒と熱交換可能なように構成されている。特に、導出部12とは、水素生成装置1から導出される水素含有ガスと、水素生成装置1に供給される温度の低い原料及び水とが熱交換される構成となっている。   The preheating unit 23 has the same side wall surface as that of the derivation unit 12 and the carbon monoxide reduction unit (the selective oxidation unit 26 and the conversion unit 25), and the hydrogen-containing gas and the selective oxidation unit flowing through the derivation unit 12 and the carbon monoxide reduction unit. 26, configured to be able to exchange heat with the catalyst provided in the shift unit 25. In particular, the derivation unit 12 is configured to exchange heat between the hydrogen-containing gas derived from the hydrogen generator 1 and the low-temperature raw material and water supplied to the hydrogen generator 1.

水供給経路3には、水供給部が接続されている。原料供給経路4には、原料供給部が接続されている。原料供給経路4から供給される原料は、炭化水素等の少なくとも炭素及び水素元素から構成される有機化合物を含む原料であればよく、例えばメタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、LPG等である。ここでは、原料の供給源として都市ガスのガスインフララインを用い、そのガスインフララインに、原料中の不臭成分である硫黄化合物を除去する脱硫部が接続されている。例えば脱硫部は、都市ガス中の付臭成分である硫黄化合物を吸着させる、ゼオライト系吸着除去剤を用いることができる。なお、水供給経路3および原料供給経路4は、ブースターポンプを用いることができ、例えば入力する電流パルス、入力電力等を制御することにより、供給する水の流量、原料の流量を調節する機能を有している(詳細は図示せず)。   A water supply unit is connected to the water supply path 3. A raw material supply unit is connected to the raw material supply path 4. The raw material supplied from the raw material supply path 4 may be a raw material containing an organic compound composed of at least carbon and hydrogen elements such as hydrocarbons, for example, city gas mainly composed of methane, natural gas, LPG, etc. is there. Here, a gas infrastructure line of city gas is used as a raw material supply source, and a desulfurization section for removing sulfur compounds, which are odorous components in the raw material, is connected to the gas infrastructure line. For example, the desulfurization part can use a zeolite-based adsorption / removal agent that adsorbs a sulfur compound, which is an odorous component in city gas. The water supply path 3 and the raw material supply path 4 can use a booster pump. For example, the water supply path 3 and the raw material supply path 4 have a function of adjusting the flow rate of water to be supplied and the flow rate of the raw material by controlling input current pulses, input power, and the like. (Details not shown).

改質部20における改質触媒(あるいは水素含有ガス)の温度(反応温度)を検出する
改質温度検出部27、変成部25における変成触媒(あるいは原料と水蒸気の混合ガス)の温度を検出する変成温度検出部24を備えている。
A reforming temperature detector 27 for detecting the temperature (reaction temperature) of the reforming catalyst (or hydrogen-containing gas) in the reforming unit 20 and a temperature of the shift catalyst (or a mixed gas of raw material and steam) in the shift unit 25 are detected. A metamorphic temperature detector 24 is provided.

次に、水素生成装置1の運転動作について説明する。   Next, the operation of the hydrogen generator 1 will be described.

停止状態から水素生成装置1を起動させる場合、運転制御部(詳細は図示せず)の指令により、原料を燃焼部2に供給し、燃焼部2で原料に着火して水素生成装置1の加熱を開始する。   When starting the hydrogen generator 1 from the stop state, the raw material is supplied to the combustion unit 2 according to a command from an operation control unit (details not shown), and the raw material is ignited by the combustion unit 2 to heat the hydrogen generator 1. To start.

燃焼部2での加熱開始後に、原料供給経路4を通して水素生成装置1(水蒸気改質部20)に原料を供給するとともに、水供給経路3から水素生成装置1に水を供給し、水と原料との改質反応を開始させる。本実施の形態では、メタンを主成分とする都市ガス(13A)を原料とする。水供給経路3からの水の供給量は、都市ガスの平均分子式中の炭素原子数の1モルに対して水蒸気が3モル程度になるように制御される(スチームカーボン比(S/C)で3程度)。   After starting heating in the combustion unit 2, the raw material is supplied to the hydrogen generator 1 (steam reforming unit 20) through the raw material supply path 4, and water is supplied from the water supply path 3 to the hydrogen generator 1. And start the reforming reaction. In the present embodiment, city gas (13A) containing methane as a main component is used as a raw material. The amount of water supplied from the water supply path 3 is controlled so that the water vapor is about 3 moles per mole of carbon atoms in the average molecular formula of the city gas (steam carbon ratio (S / C)). About 3).

水素生成装置1では、改質部20で水蒸気改質反応、変成部25で変成反応、選択酸化部26で一酸化炭素の選択酸化反応を進行させる。変成部25,選択酸化部26が、反応に適切な温度となり、一酸化炭素濃度を所定濃度(本実施の形態では、ドライガスベースで20ppm以下)まで低減させた後、導出部12を通して水素含有ガスを、例えば、燃料電池等に供給を開始する。   In the hydrogen generator 1, a steam reforming reaction is performed in the reforming unit 20, a modification reaction is performed in the modification unit 25, and a selective oxidation reaction of carbon monoxide is performed in the selective oxidation unit 26. The transformation unit 25 and the selective oxidation unit 26 reach a temperature suitable for the reaction, and after the carbon monoxide concentration is reduced to a predetermined concentration (in this embodiment, 20 ppm or less on a dry gas basis), hydrogen is contained through the derivation unit 12. The supply of gas to, for example, a fuel cell is started.

装置停止時は、原料と水の供給を停止させ、水素生成装置1内の改質部20、変成部25、選択酸化部26の各触媒層の温度を低下させる。このとき、燃焼部2の基本動作は停止させる。各触媒層の温度を設定温度まで低下させ後、原料を水素生成装置1に流通させ、ガス経路内部に滞留する水素含有ガスを原料で置換する動作を行い、適宜、水素生成装置1を封止する動作を行う。
なお、本発明の実施の形態において、改質触媒21について第1支持板51、第2支持板52を設置するとして説明しているが、粒状触媒すべてについて同様にあてはまることは言うまでも内ない。
また、第1支持板51および第2支持板52の開口穴は長穴を想定して、その長穴の短部という表現をしたが、長穴でなくφ穴にもあてはまることは言うまでもない。さらに第1支持板51を網目体で形成することも可能である。
When the apparatus is stopped, the supply of the raw materials and water is stopped, and the temperatures of the catalyst layers of the reforming unit 20, the shift unit 25, and the selective oxidation unit 26 in the hydrogen generator 1 are lowered. At this time, the basic operation of the combustion unit 2 is stopped. After the temperature of each catalyst layer is lowered to the set temperature, the raw material is circulated through the hydrogen generator 1 and the hydrogen-containing gas staying inside the gas path is replaced with the raw material, and the hydrogen generator 1 is appropriately sealed. To perform the operation.
In the embodiment of the present invention, the reforming catalyst 21 is described as being provided with the first support plate 51 and the second support plate 52, but it goes without saying that the same applies to all the granular catalysts. .
Moreover, although the opening hole of the 1st support plate 51 and the 2nd support plate 52 assumed the elongate hole and was expressed as the short part of the elongate hole, it cannot be overemphasized that it applies not to an elongate hole but to (phi) hole. Further, the first support plate 51 can be formed of a mesh body.

粒状触媒を有する水素生成装置全てについて有用である本発明の係る装置は、棚段の板厚よりも小さな粒径の触媒を使用することができる、水素生成装置および燃料電池発電システムとして、産業上利用することが可能である。   The apparatus according to the present invention, which is useful for all hydrogen generators having a granular catalyst, is industrially used as a hydrogen generator and a fuel cell power generation system that can use a catalyst having a particle size smaller than the plate thickness of the shelf. It is possible to use.

1 水素生成装置
2 燃焼部
3 水供給経路
4 原料供給経路
5 内筒
6 内筒底板
7 中筒
8 中筒底板
9 中筒底板貫通孔
12 導出部
15 外筒
16 外筒底板
18 燃焼ファン
19 空気供給部
20 改質部
21 改質触媒
22 燃焼検知部
23 予熱部
24 変成温度検出部
25 変成部
26 選択酸化部
27 改質温度検出部
31 反応器
44 排出口
51 第1支持板
52 第2支持板
53 突起部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hydrogen generator 2 Combustion part 3 Water supply path 4 Raw material supply path 5 Inner cylinder 6 Inner cylinder bottom plate 7 Middle cylinder 8 Middle cylinder bottom plate 9 Middle cylinder bottom plate through-hole 12 Outlet part 15 Outer cylinder 16 Outer cylinder bottom plate 18 Combustion fan 19 Air Supply section 20 Reforming section 21 Reforming catalyst 22 Combustion detection section 23 Preheating section 24 Transformation temperature detection section 25 Transformation section 26 Selective oxidation section 27 Reforming temperature detection section 31 Reactor 44 Discharge port 51 First support plate 52 Second support Plate 53 Projection

Claims (6)

粒状の触媒を収納する反応容器と、
前記反応容器の内部に配置されており、複数の開口が形成されており、前記粒状の触媒を支持する第1支持板と、
前記第1支持板を支持しており、複数の開口が形成されている第2支持板と、
を備えており、
前記第1支持板は、前記第1支持板の重力方向上側に前記第2支持板と隙間を空けて配置されており、前記第2支持板より厚さが小さく、前記第1支持板の開口が前記第2支持板の開口より小さくなるように構成されている、
水素生成装置。
A reaction vessel containing a granular catalyst;
A first support plate that is disposed inside the reaction vessel, has a plurality of openings, and supports the granular catalyst;
A second support plate supporting the first support plate and having a plurality of openings formed therein;
With
The first support plate is disposed on the upper side of the first support plate in the direction of gravity with a gap from the second support plate, and is thinner than the second support plate, and has an opening in the first support plate. Is configured to be smaller than the opening of the second support plate,
Hydrogen generator.
前記第2支持板は、重力方向上側に向かって凸となる前記第1支持板を支持するための突起部が形成されている、
請求項1に記載の水素生成装置。
The second support plate is formed with a protrusion for supporting the first support plate that is convex upward in the direction of gravity.
The hydrogen generator according to claim 1.
前記第1支持板と前記第2支持板との距離は、前記第1支持板および前記第2支持板の両方の板厚より大きくなるように構成されている、
請求項1又は2に記載の水素生成装置。
The distance between the first support plate and the second support plate is configured to be greater than the thickness of both the first support plate and the second support plate.
The hydrogen generator according to claim 1 or 2.
前記第1支持板の開口の穴径は、前記触媒の粒径より小さくなるように構成されている、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の水素生成装置。
The hole diameter of the opening of the first support plate is configured to be smaller than the particle diameter of the catalyst.
The hydrogen generator according to any one of claims 1 to 3.
前記第2支持板の開口の穴径は、前記触媒の粒径より大きくなるように構成されている、
請求項1〜4のいずれか1項に記載の水素生成装置。
The hole diameter of the opening of the second support plate is configured to be larger than the particle diameter of the catalyst.
The hydrogen generator of any one of Claims 1-4.
前記第1支持板は、前記反応容器の内壁と隙間を空けて配置されており、
前記第2支持板は、一端が前記反応容器に固定されており、
前記触媒は、炭化水素を含む原料ガスを水蒸気と反応させて改質を行うことにより水素を含む燃料ガスを生成する改質触媒であり、
前記反応容器は上部から下部に前記触媒で反応する原料ガスが流れるように構成されている、
請求項1〜5のいずれか1項に記載の水素生成装置。
The first support plate is disposed with a gap from the inner wall of the reaction vessel,
One end of the second support plate is fixed to the reaction vessel,
The catalyst is a reforming catalyst that generates a fuel gas containing hydrogen by reacting a raw material gas containing hydrocarbon with steam to perform reforming,
The reaction vessel is configured such that a raw material gas that reacts with the catalyst flows from the upper part to the lower part,
The hydrogen generator according to any one of claims 1 to 5.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014185783A (en) * 2013-03-21 2014-10-02 Toyota Central R&D Labs Inc Chemical heat storage reactor and chemical heat storage system

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