JP2015147696A - Hydrogen generation device, and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、原料を改質する改質触媒を備える水素生成装置及び燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a hydrogen generator and a fuel cell system including a reforming catalyst for reforming a raw material.
水素生成装置は、例えば、燃料電池に燃料ガスとして水素含有ガスを供給するために用いられる。このような水素生成装置は、一般的に、都市ガス、天然ガス、LPGなどの炭化水素からなる原料と水(水蒸気)とを改質反応させて水素含有ガスを生成する改質器を備えている。 The hydrogen generator is used, for example, to supply a hydrogen-containing gas as a fuel gas to a fuel cell. Such a hydrogen generator generally includes a reformer that generates a hydrogen-containing gas by reforming a raw material composed of a hydrocarbon such as city gas, natural gas, or LPG and water (steam). Yes.
この改質器に供給する原料に、窒素分子、アミン等の窒素含有化合物が含まれると、改質器での原料の改質時に、改質触媒によって生成される水素と窒素とからアンモニアが生成され、そのアンモニアが燃料電池本体を被毒させる要因となる。 When the raw material supplied to the reformer contains nitrogen-containing compounds such as nitrogen molecules and amines, ammonia is generated from hydrogen and nitrogen produced by the reforming catalyst when the raw material is reformed in the reformer. The ammonia becomes a factor that poisons the fuel cell body.
アンモニアの生成を抑制させる手段として、白金とロジウムのうち少なくともどちら一方を担持させた触媒を用いる方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 As a means for suppressing the generation of ammonia, a method using a catalyst supporting at least one of platinum and rhodium has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
一方、原料に重質炭化水素が含まれている場合は、白金・ロジウム系の改質触媒上に炭素が析出し、触媒活性が低下してしまうので、白金・ロジウム系改質触媒の上流の低温部に、炭素析出に強いとされるルテニウム系触媒を配置し、重質炭化水素をメタンまで変換し、白金・ロジウム系改質触媒への炭素析出を抑制する方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。 On the other hand, if the raw material contains heavy hydrocarbons, carbon deposits on the platinum / rhodium-based reforming catalyst and the catalytic activity decreases, so the upstream of the platinum / rhodium-based reforming catalyst. A method has been proposed in which a ruthenium-based catalyst, which is considered to be resistant to carbon deposition, is disposed in the low-temperature portion, heavy hydrocarbons are converted to methane, and carbon deposition on the platinum / rhodium-based reforming catalyst is suppressed (for example, , See Patent Document 2).
しかしながら、水素生成装置から排出される水素含有ガス量を維持するために必要な改質触媒量は、改質触媒層の温度分布により決まるため、特許文献2に記載の改質触媒の充填方法では改質触媒量を削減することができず、水素生成装置を低コストに設計することができないという課題があった。
However, since the amount of reforming catalyst necessary to maintain the amount of hydrogen-containing gas discharged from the hydrogen generator is determined by the temperature distribution of the reforming catalyst layer, the reforming catalyst filling method described in
本発明は、上記課題を解決するものであり、改質触媒の性能を維持したまま改質触媒量を削減し、より低コストを図った水素生成装置及び燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and has as its object to provide a hydrogen generator and a fuel cell system that reduce the amount of reforming catalyst while maintaining the performance of the reforming catalyst and achieve lower costs. To do.
上記課題を解決するために、本発明は、原料を改質する第1の改質触媒層及び第2の改質触媒層と、前記第1の改質触媒層から流出したガスを昇温する昇温層と、前記昇温層を加熱する加熱器とを、水素生成装置に備え、前記第2の改質触媒層を前記昇温層の下流側に配置したのである。 In order to solve the above problems, the present invention raises the temperature of a first reforming catalyst layer and a second reforming catalyst layer that reform a raw material, and a gas that has flowed out of the first reforming catalyst layer. A temperature rising layer and a heater for heating the temperature rising layer are provided in a hydrogen generator, and the second reforming catalyst layer is disposed downstream of the temperature rising layer.
上記構成により、第1の改質触媒層から流出したガスは昇温層により加熱された状態で第2の改質触媒層に流入することになるので、第1の改質触媒層を比較的低温で使用し第
2の改質触媒層を比較的高温で使用することができる。
With the above configuration, the gas flowing out from the first reforming catalyst layer flows into the second reforming catalyst layer while being heated by the temperature raising layer. It can be used at a low temperature and the second reforming catalyst layer can be used at a relatively high temperature.
そして、第1の改質触媒層に充填する改質触媒には、改質する原料に窒素含有化合物が含まれると、原料の改質時に窒素からアンモニアが生成されるが、比較的低温で使用することによりアンモニアの生成量を抑えることが可能な改質触媒(例えば、ルテニウム系触媒やニッケル系触媒)を用い、第2の改質触媒層に充填する改質触媒には、窒素含有化合物が含まれた原料を比較的高温で改質してもアンモニアの生成量を抑えることが可能な改質触媒(例えば、白金・ロジウム系触媒)を用いて、第1の改質触媒層と第2の改質触媒層が、充填されるそれぞれの改質触媒に適した温度域で使用されるように、昇温層と加熱器とを構成することにより、水素生成装置の性能を維持したまま改質触媒の性能を向上させることが可能となる。 In the reforming catalyst filled in the first reforming catalyst layer, when a nitrogen-containing compound is contained in the raw material to be reformed, ammonia is generated from nitrogen during the reforming of the raw material, but it is used at a relatively low temperature. By using a reforming catalyst (for example, a ruthenium-based catalyst or a nickel-based catalyst) capable of suppressing the amount of ammonia produced, the reforming catalyst filled in the second reforming catalyst layer contains a nitrogen-containing compound. Using a reforming catalyst (for example, a platinum / rhodium catalyst) capable of suppressing the amount of ammonia produced even if the contained raw material is reformed at a relatively high temperature, the first reforming catalyst layer and the second By configuring the heating layer and the heater so that the reforming catalyst layer is used in a temperature range suitable for each reforming catalyst to be charged, the reforming catalyst layer is maintained while maintaining the performance of the hydrogen generator. The performance of the quality catalyst can be improved.
これにより、改質触媒の量を削減することができるため、水素生成装置をコンパクトに設計することが可能となる。 Thereby, since the amount of the reforming catalyst can be reduced, the hydrogen generator can be designed in a compact manner.
本発明の水素生成装置及び燃料電池システムによれば、改質触媒ごとに最適な温度で使用することができるので、必要な性能を維持したまま改質触媒量を削減することができるため、水素生成装置及び燃料電池システムをコンパクトに設計することができる。 According to the hydrogen generator and the fuel cell system of the present invention, each reforming catalyst can be used at an optimum temperature, so that the amount of the reforming catalyst can be reduced while maintaining the required performance. The generator and the fuel cell system can be designed in a compact manner.
第1の本発明は、原料を改質する第1の改質触媒層及び第2の改質触媒層と、前記第1の改質触媒層から流出したガスを昇温する昇温層と、前記昇温層を加熱する加熱器とを備え、前記第2の改質触媒層は前記昇温層の下流側に配置されることを特徴とする、水素生成装置である。 The first aspect of the present invention includes a first reforming catalyst layer and a second reforming catalyst layer that reform a raw material, a temperature raising layer that raises the temperature of a gas flowing out of the first reforming catalyst layer, And a heater for heating the temperature rising layer, wherein the second reforming catalyst layer is disposed downstream of the temperature rising layer.
上記構成により、第1の改質触媒層から流出したガスは昇温層により加熱された状態で第2の改質触媒層に流入することになるので、第1の改質触媒層を比較的低温で使用し第2の改質触媒層を比較的高温で使用することができる。 With the above configuration, the gas flowing out from the first reforming catalyst layer flows into the second reforming catalyst layer while being heated by the temperature raising layer. It can be used at a low temperature and the second reforming catalyst layer can be used at a relatively high temperature.
そして、第1の改質触媒層に充填する改質触媒には、改質する原料に窒素含有化合物が含まれると、原料の改質時に窒素からアンモニアが生成されるが、比較的低温で使用することによりアンモニアの生成量を抑えることが可能な改質触媒(例えば、ルテニウム系触媒やニッケル系触媒)を用い、第2の改質触媒層に充填する改質触媒には、窒素含有化合物が含まれた原料を比較的高温で改質してもアンモニアの生成量を抑えることが可能な改質触媒(例えば、白金・ロジウム系触媒)を用いて、第1の改質触媒層と第2の改質触媒層が、充填されるそれぞれの改質触媒に適した温度域で使用されるように、昇温層と加熱器とを構成することにより、水素生成装置の性能を維持したまま改質触媒の性能を向上させることが可能となる。 In the reforming catalyst filled in the first reforming catalyst layer, when a nitrogen-containing compound is contained in the raw material to be reformed, ammonia is generated from nitrogen during the reforming of the raw material, but it is used at a relatively low temperature. By using a reforming catalyst (for example, a ruthenium-based catalyst or a nickel-based catalyst) capable of suppressing the amount of ammonia produced, the reforming catalyst filled in the second reforming catalyst layer contains a nitrogen-containing compound. Using a reforming catalyst (for example, a platinum / rhodium catalyst) capable of suppressing the amount of ammonia produced even if the contained raw material is reformed at a relatively high temperature, the first reforming catalyst layer and the second By configuring the heating layer and the heater so that the reforming catalyst layer is used in a temperature range suitable for each reforming catalyst to be charged, the reforming catalyst layer is maintained while maintaining the performance of the hydrogen generator. The performance of the quality catalyst can be improved.
これにより、改質触媒の量を削減することができるため、水素生成装置をコンパクトに設計することが可能となる。 Thereby, since the amount of the reforming catalyst can be reduced, the hydrogen generator can be designed in a compact manner.
また、第2の本発明は、第1の本発明における第2の改質触媒層に、第1の改質触媒層に充填されている触媒よりもアンモニア生成量が少ない触媒を充填するものである。 In the second aspect of the present invention, the second reforming catalyst layer in the first aspect of the present invention is filled with a catalyst that generates less ammonia than the catalyst that is packed in the first reforming catalyst layer. is there.
なお、第2の改質触媒層で生成されるアンモニア生成量は、水素生成装置で生成した水素を利用する機器が、生成水素ガス中のアンモニアで性能劣化するアンモニア量よりも少ない方が望ましい。 Note that it is desirable that the amount of ammonia produced in the second reforming catalyst layer is smaller than the amount of ammonia in which the equipment using the hydrogen produced by the hydrogen generator deteriorates in performance due to the ammonia in the produced hydrogen gas.
これにより、第2の改質触媒層の制御温度が高くなっても、水素生成装置の下流機器のアンモニアによる劣化が抑制できる。さらには、生成水素を利用する機器の性能劣化を抑止できる。 Thereby, even if the control temperature of a 2nd reforming catalyst layer becomes high, the deterioration by the ammonia of the downstream apparatus of a hydrogen generator can be suppressed. Furthermore, it is possible to suppress the performance deterioration of equipment that uses the generated hydrogen.
また、第3の本発明は、第1または第2の本発明における前記昇温層に、伝熱を促進する伝熱材を充填するものである。 Moreover, 3rd this invention fills the said temperature rising layer in 1st or 2nd this invention with the heat-transfer material which accelerates | stimulates heat transfer.
これにより、昇温層が空間である場合に比べ、第1の改質触媒層から流出したガスへの加熱器による伝熱が促進されるため、昇温層をよりコンパクトに設計することができる。 Thereby, since the heat transfer by the heater to the gas flowing out from the first reforming catalyst layer is promoted compared to the case where the temperature rising layer is a space, the temperature rising layer can be designed more compactly. .
また、第4の本発明は、第3の本発明における前記伝熱材が、前記第1改質触媒層及び前記第2改質触媒層の少なくともいずれか一方の担体を含むものである。 According to a fourth aspect of the present invention, the heat transfer material according to the third aspect of the present invention includes at least one carrier of the first reforming catalyst layer and the second reforming catalyst layer.
これにより、伝熱材として新たな材料を使用する場合に比べて、耐久性確認が容易となる。 Thereby, durability confirmation becomes easy compared with the case where a new material is used as a heat transfer material.
また、第5の本発明は、第3の本発明における前記伝熱材が、アルミナを含むものである。 In the fifth aspect of the present invention, the heat transfer material in the third aspect of the present invention contains alumina.
これにより、伝熱材の設置によるコスト上昇が抑制できる。 Thereby, the cost rise by installation of a heat-transfer material can be suppressed.
また、第6の本発明は、第1から第5のいずれかの本発明に係る水素生成装置と、前記水素生成装置から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える、燃料電池システムである。 A sixth aspect of the present invention is a fuel comprising: the hydrogen generator according to any one of the first to fifth aspects of the present invention; and a fuel cell that generates power using a hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generator. It is a battery system.
これにより、改質触媒の量を削減することができ水素生成装置をコンパクトに設計できるため、燃料電池システムをよりコンパクトに設計することができる。 As a result, the amount of the reforming catalyst can be reduced and the hydrogen generator can be designed in a compact manner, so that the fuel cell system can be designed in a more compact manner.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同じ参照符号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, the same or corresponding elements are denoted by the same reference symbols throughout all the drawings, and redundant description is omitted.
(実施の形態1)
以下、具体的に本発明の実施の形態1に係る水素生成装置100を説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the
図1は本発明の実施の形態1に係る水素生成装置の構成の一例を示すブロック図、図2は同実施の形態の水素生成装置の構成の一例を示す概略断面図である。
FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of the hydrogen generator according to
本発明の実施の形態1に係る水素生成装置100は、図1、図2に示すように、原料を改質する第1の改質触媒層1及び第2の改質触媒層2と、第1の改質触媒層1から流出したガスを昇温する昇温層3と、昇温層3を加熱する加熱器4とを備え、第2の改質触媒層
2は昇温層3の下流側に配置される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
第1の改質触媒層1には、原料を改質して水素含有ガスを生成する第1の改質触媒(図示せず)が充填されている。
The first reforming
第1の改質触媒としては、ルテニウム系触媒やニッケル系触媒などが例示されるが、これらの触媒は、原料に窒素分子、アミン等の窒素含有化合物が含まれると、原料の改質時に、第1の改質触媒による生成水素と窒素からアンモニアが生成される。 Examples of the first reforming catalyst include a ruthenium-based catalyst and a nickel-based catalyst. When these materials contain nitrogen-containing compounds such as nitrogen molecules and amines, Ammonia is produced from the produced hydrogen and nitrogen by the first reforming catalyst.
そして、このアンモニアは、水素生成装置100の後段に燃料電池400が設置されている場合、燃料電池400の性能を低下させる要因となるため、第1の改質触媒層1に充填する第1の改質触媒の使用温度には上限がある。例えば、ルテニウム系触媒の場合、上限は550℃程度であり、この温度を超えると、アンモニアの生成量が3倍程度になる。
The ammonia is a factor that degrades the performance of the fuel cell 400 when the fuel cell 400 is installed in the subsequent stage of the
第1の改質触媒層1から流出したガスは、昇温層3で昇温された後に、第2の改質触媒層2に流入し、第2の改質触媒層2に充填された第2の改質触媒(図示せず)によって水素含有ガスを生成する。
The gas flowing out from the first reforming
昇温層3は、加熱器4によって、第1の改質触媒層1から流出したガスを第2の改質触媒層2に流入するのに適した温度まで昇温する。なお、昇温層3は、空間にすることができる。
The temperature raising
なお、加熱器4は、燃焼器、電気ヒータ等、昇温層3を加熱可能であれば、どのような構成でも構わない。
The heater 4 may have any configuration as long as the
第2の改質触媒としては、原料に窒素分子、アミン等の窒素含有化合物が含まれていても、アンモニアの生成を抑制することが可能な触媒であること、特に、第1の改質触媒よりも高温(例えば600℃以上)でアンモニア生成を抑制することが可能な触媒であることが望ましい。 The second reforming catalyst is a catalyst that can suppress the generation of ammonia even if the raw material contains nitrogen-containing compounds such as nitrogen molecules and amines. In particular, the first reforming catalyst It is desirable that the catalyst be capable of suppressing ammonia production at a higher temperature (for example, 600 ° C. or higher).
さらには、第2の改質触媒によるアンモニア生成量は、水素生成装置100の下流に設置される燃料電池400等がアンモニアにより被毒されるのを抑制できる量以下であることが望ましい。具体的には、白金・ロジウム系触媒などが例示される。
Furthermore, the amount of ammonia generated by the second reforming catalyst is desirably equal to or less than an amount that can suppress poisoning of the fuel cell 400 or the like installed downstream of the
これにより、第2の改質触媒層2は、改質性能が高い高温域での使用が可能となる。
As a result, the second reforming
なお、第1の改質触媒は、重質炭化水素をメタンにまで変換するとともに改質反応により水素含有ガスを生成する機能を有していることが望ましい。ここで、重質炭化水素は、少なくとも2個の炭素原子を含む炭化水素化合物として定義される。 The first reforming catalyst desirably has a function of converting heavy hydrocarbons to methane and generating a hydrogen-containing gas by a reforming reaction. Here, a heavy hydrocarbon is defined as a hydrocarbon compound containing at least two carbon atoms.
これにより、高温で使用される第2の改質触媒に重質炭化水素により炭素析出が起こることを抑制でき、かつ、窒素を含む原料であってもアンモニア生成を抑制できる。 Thereby, it is possible to suppress the occurrence of carbon precipitation due to heavy hydrocarbons in the second reforming catalyst used at a high temperature, and it is possible to suppress the generation of ammonia even if the raw material contains nitrogen.
例えば、550℃に設定した第1の改質触媒層1から流出した550℃以下のガスを、昇温層3において650℃程度まで昇温することで第2の改質触媒層2が650℃〜680℃程度となる構成(以下、構成Aと称す)が可能となり、従来の第2の改質触媒層2に550℃〜680℃の温度分布を付ける構成(以下、構成Bと称す)よりも第2の改質触媒層2の性能を高めることが可能となる。
For example, the gas at 550 ° C. or less flowing out from the first reforming
つまり、構成Aにおいては、第1の改質触媒層1をアンモニアの発生を抑制しつつ、重
質炭化水素を分解可能な温度(例えば、550℃)以下で使用するため、第2の改質触媒層2にはメタンおよび改質ガス(水素、一酸化炭素、二酸化炭素など)のみが流入する。
That is, in the configuration A, since the first reforming
つまり、第2の改質触媒層2においては炭素析出などによる触媒の劣化を考慮することなく、改質性能の高い温度(例えば、650℃〜680℃)とすることができる。言い換えれば、第2の改質触媒層2に充填する第2の改質触媒量を削減しても、従来の構成Bと同等の性能が確保できる。
That is, the second reforming
この構成によれば、第1の改質触媒層1及び第2の改質触媒層2に充填される改質触媒を触媒ごとにより適した温度域で使用することで、水素生成装置100の性能を維持したまま、改質触媒の性能を向上させることが可能となるため、改質触媒の量を削減することができる。つまり、水素生成装置100をコンパクトに設計することが可能となる。
According to this configuration, the performance of the
なお、上記の構成は、水蒸気改質反応、オートサーマル反応など、いずれの改質方法であっても適用可能である。 The above-described configuration can be applied to any reforming method such as a steam reforming reaction or an autothermal reaction.
図3に、実施の形態1の水素生成装置の構成の一例をより具体的に示す。
FIG. 3 shows an example of the configuration of the hydrogen generator of
図3に示す水素生成装置200は、燃焼ガス供給経路(図示せず)を介して供給される燃焼ガスを燃焼する加熱器4としてのバーナー5が中心に配置されている。そのバーナー5の外側には円筒状の燃焼筒30が配置されている。その燃焼筒30の外側には内筒底板7を備えた有底円筒状の内筒6が配置されている。その内筒6の外側には中筒底板9を備えた有底円筒状の中筒8が配置されている。その中筒8の外側には外筒底板を備えた有底円筒状の外筒が配置されている。
In the
バーナー5と燃焼筒30と内筒6と中筒8と外筒とは、略同心円形状に配置され、内筒6と中筒8と外筒の上方部分は、それぞれが適切に接続されて、略円筒形状の反応器が構成されている。
The
中筒底板9の中央部分には、貫通孔が形成されており、中筒8は、内筒6との空間と外筒との空間とを用いて、中筒底板9の貫通孔で反対方向(図3では下方から上方)に折り返すガスの流路を形成している。
A through-hole is formed in the central portion of the middle cylinder
また、水素生成装置200におけるガスの折り返し部側(図3では下方)の反対側(図3では上方)の水素生成装置200の外壁面に、外部のガス配管に接続すると共に水素生成装置200(の内筒6と中筒8との間の空間)に原料を供給する原料供給経路10と、水素生成装置200(の内筒6と中筒8との間の空間)に水を供給する水供給経路11とが接続されている。
In addition, the
内筒6と中筒8との間で形成される空間に、第1の改質触媒層1、昇温層3、第2の改質触媒層2(これらをまとめて、以下、改質触媒部20と称す)が、予熱部23の下流側(下方)に、順に配置される。
In the space formed between the inner cylinder 6 and the
内筒底板7におけるバーナー5と対向する面には、断熱材40を配置している。断熱材40は、セラミックファイバーからなり、1000℃以下の温度に耐えられる性質を備えている。
A
水素生成装置200の基本的な構成とガスの流れについて更に詳細を説明する。
The basic configuration of the
水素生成装置200は、水供給経路11から供給される水を蒸発させるとともに、原料
供給経路10から供給される原料と水蒸気の混合ガスを予熱する予熱部23を備える。
The
また、原料供給経路10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触媒部20と、改質触媒部20で生成した改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを変成反応させて、改質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。
In addition, the reforming
さらに、変成部25を通過した後の水素含有ガスに空気供給部19から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。
Furthermore, it has the
なお、原料供給経路10には、原料供給部が接続されている。原料供給経路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などである。
A raw material supply unit is connected to the raw
予熱部23は、導出部12及び一酸化炭素低減部(変成部25、選択酸化部26)と中筒8で片側壁面を共用にして、導出部12、一酸化炭素低減部を流れる水素含有ガス、変成部25、選択酸化部26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。
The preheating
また、水素生成装置200は、改質触媒部20における改質反応に必要な反応熱はバーナー5の燃焼排ガスからの伝熱により供給される。
In the
原料供給経路10から供給された原料と水供給経路11から供給された水は、内筒6と中筒8の間を中筒底板9の貫通孔に向かって流れ、予熱部23で加熱され改質触媒部20で改質されて改質ガスになる。その改質ガスは、中筒底板9の貫通孔において流れる方向が反転し、中筒8と外筒との間を導出部12に向かって流れ、変成部25と選択酸化部26とを通過してガス中の一酸化炭素が低減される。
The raw material supplied from the raw
内筒6と中筒8との間の空間に設けられた予熱部23では、燃焼筒30と内筒6との間を通るバーナー5の燃焼排ガスから内筒6を介して伝わる熱を利用して、水供給経路11から供給される水を蒸発させると共に、原料と水蒸気の混合ガスを予熱する。
In the preheating
改質触媒部20では、燃焼筒30と内筒6との間を通るバーナー5の燃焼排ガスから内筒6を介して伝わる熱を利用して、改質触媒により原料と水蒸気とを改質反応させて改質ガスを生成する。
In the reforming
中筒8と外筒との間の空間に設けられた変成部25では、変性触媒によって、改質触媒部20で生成された改質ガス中の一酸化炭素を、水蒸気と水性ガスシフト反応させて二酸化炭素にすることにより、低減する。
In the
中筒7と外筒15との間の空間における変成部25の下流側(上方)に設けられた選択酸化部26では、変成部25での水性ガスシフト反応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、選択酸化触媒によって、二酸化炭素に変える。
In the
水素生成装置200によって生成された水素生成ガスは、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。また、改質触媒部20と予熱部23は、バーナー5で発生された燃焼排ガスから、内筒6の壁面を介して熱が供給される構成となっている。
The hydrogen product gas generated by the
燃焼排ガスはバーナー5から燃焼筒30の内部を通り、高温状態で内筒6の下部と内筒
底板7にあたり、燃焼筒30の外側と内筒6の内側で形成される通路を通り、図3右上の排出口から水素生成装置200の外部へ排気される。
The combustion exhaust gas passes from the
改質触媒部20について、より具体的に説明する。改質触媒部20は、バーナー5で発生された燃料排ガスにより、以下のように温度制御される。改質触媒部20の最上流に設置される第1の改質触媒層1は、比較的低温(例えば、550℃以下)に制御され、第1の改質触媒層1の下流に順に設置される昇温層3及び第2の改質触媒層2は、比較的高温に制御される。例えば、昇温層3を通過するガスは550℃から650℃に昇温され、第2の改質触媒層2では650℃〜680℃で制御される。
The reforming
図4は、本構成例における改質触媒部20の温度分布の一例を示している。図4に示すように、本構成例における改質触媒部20の温度分布によれば、第1の改質触媒層1の温度をアンモニア生成が抑制できる温度以下に制御した上で、第2の改質触媒層2の温度をより高温に制御することが可能となる。つまり、第2の改質触媒の充填量を削減しても、従来例と同等の性能を確保できる。
FIG. 4 shows an example of the temperature distribution of the reforming
図4に示すように、従来例においては、改質触媒層20の上流から下流まで第1の改質触媒層41及び第2の改質触媒層42が充填されている。
As shown in FIG. 4, in the conventional example, the first reforming catalyst layer 41 and the second reforming catalyst layer 42 are filled from upstream to downstream of the reforming
一方、本構成例では、上流から、第1の改質触媒層1、昇温層3及び第2の改質触媒層2の順に構成されている。つまり、図4においては、従来例(特許文献2に開示された従来例)の第2の改質触媒層42(上流)が本構成例の昇温層3に相当する。
On the other hand, in this configuration example, the first reforming
このとき、本構成例の第2の改質触媒層2の下流温度と、従来例の第2の改質触媒層42(下流)の下流温度を合わせると、昇温層3においては、従来例の第2の改質触媒層42(上流)における吸熱反応がないために、本構成例の第2の改質触媒層2の上流温度は、従来例の第2の改質触媒層42(下流)の上流温度よりも高くなる。
At this time, if the downstream temperature of the second reforming
つまり、本構成例の第2の改質触媒層2全体の温度は、従来例の第2の改質触媒層42(下流)全体の温度よりも平均的に高くなるため、改質性能も高くなる。
That is, the temperature of the entire second reforming
その結果、従来例の第2の改質触媒層42(上流)に相当する触媒量を削減することが可能となる。 As a result, the amount of catalyst corresponding to the second reforming catalyst layer 42 (upstream) of the conventional example can be reduced.
この構成によれば、加熱器4として、電気ヒータ等を新たに用いる必要がなく、水素生成装置をコンパクトに設計できる。 According to this configuration, it is not necessary to newly use an electric heater or the like as the heater 4, and the hydrogen generator can be designed in a compact manner.
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2に係る水素生成装置について説明する。
(Embodiment 2)
Next, a hydrogen generator according to
図5は本発明の実施の形態2に係る水素生成装置の一例を示す概略断面図である。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of a hydrogen generator according to
図5に示すように、実施の形態2に係る水素生成装置300は、原料を改質する第1の改質触媒層1及び第2の改質触媒層2と、第1の改質触媒層1から流出したガスを昇温する昇温層3と、昇温層3を加熱する加熱器4とを備え、第2の改質触媒層2は昇温層3の下流側に配置され、昇温層3には伝熱材50が充填されている。
As shown in FIG. 5, the hydrogen generator 300 according to
伝熱材50としては、アルミナ層、第1の改質触媒もしくは第2の改質触媒いずれかの担体層などが例示される。 Examples of the heat transfer material 50 include an alumina layer and a carrier layer of either the first reforming catalyst or the second reforming catalyst.
なお、伝熱材50は、加熱器4から、第1の改質触媒層1から流出したガスへの伝熱する役割を果たすものであれば、上記の例に限らず適用可能である。
The heat transfer material 50 is not limited to the above example as long as it plays a role of transferring heat from the heater 4 to the gas flowing out from the first reforming
この構成によれば、昇温層3が空間である場合(図2参照)に比べ、第1の改質触媒層1から流出したガスへの加熱器4による伝熱が促進されるため、昇温層3をよりコンパクトに設計することができる。
According to this configuration, heat transfer by the heater 4 to the gas flowing out from the first reforming
特に、伝熱材50として第1の改質触媒もしくは第2の改質触媒いずれかの担体層を用いる構成によれば、別途アルミナ等の材料を用いる場合に比べ、伝熱材50の耐久性確認が容易となる。一方、伝熱材50としてアルミナを用いる場合には、伝熱材50の使用によるコスト上昇を抑制することができる。 In particular, according to the configuration in which the carrier layer of either the first reforming catalyst or the second reforming catalyst is used as the heat transfer material 50, the durability of the heat transfer material 50 is higher than when a material such as alumina is separately used. Confirmation is easy. On the other hand, when alumina is used as the heat transfer material 50, an increase in cost due to the use of the heat transfer material 50 can be suppressed.
(実施の形態3)
次に、本発明の実施の形態3に係る燃料電池システムについて説明する。
(Embodiment 3)
Next, a fuel cell system according to
図6は本発明の実施の形態3に係る燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
FIG. 6 is a block diagram showing an example of a fuel cell system according to
図6に示すように、実施の形態3に係る燃料電池システム500は、水素生成装置100と、水素生成装置100から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池400を備える。
As shown in FIG. 6, the fuel cell system 500 according to
なお、図6においては、水素生成装置を100としているが、これに限らず、これまでに実施の形態1と実施の形態2で述べたいずれかの水素生成装置、つまり、水素生成装置200及び水素生成装置300でも構わない。
In FIG. 6, the hydrogen generation apparatus is set to 100. However, the present invention is not limited to this, and any one of the hydrogen generation apparatuses described in the first and second embodiments, that is, the
水素含有ガスを用いて発電する燃料電池であれば、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池など、いずれの燃料電池でも構わない。 Any fuel cell such as a solid polymer fuel cell or a solid oxide fuel cell may be used as long as it is a fuel cell that generates power using a hydrogen-containing gas.
この構成によれば、水素生成装置100がコンパクトに設計できるため、燃料電池システム500もコンパクトに設計することが可能となる。
According to this configuration, since the
本発明は、高価な改質触媒の量の量を減らして小型化、低コスト化を図った水素生成装置を実現できるので、家庭用燃料電池システムのような小型化、低コスト化が要求される用途に適している。 The present invention can realize a hydrogen generator that is reduced in size and cost by reducing the amount of the expensive reforming catalyst, and thus requires reduction in size and cost as in a domestic fuel cell system. Suitable for use.
1 第1の改質触媒層
2 第2の改質触媒層
3 昇温層
4 加熱器
5 バーナー
50 伝熱材
100 水素生成装置
200 水素生成装置
300 水素生成装置
400 燃料電池
500 燃料電池システム
DESCRIPTION OF
Claims (6)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2014020034A JP2015147696A (en) | 2014-02-05 | 2014-02-05 | Hydrogen generation device, and fuel cell system |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN109310971A (en) * | 2016-06-14 | 2019-02-05 | 乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司 | The reactor of synthesis gas is generated by steam reformation |
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2014
- 2014-02-05 JP JP2014020034A patent/JP2015147696A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN109310971A (en) * | 2016-06-14 | 2019-02-05 | 乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司 | The reactor of synthesis gas is generated by steam reformation |
CN109310971B (en) * | 2016-06-14 | 2022-06-03 | 乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司 | Reactor for producing synthesis gas by steam reforming |
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