JP2016023107A - Reformer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水蒸気改質により水素含有ガスを生成する改質器に関する。 The present invention relates to a reformer that generates a hydrogen-containing gas by steam reforming.
燃料電池装置には、燃料ガスである水素含有ガスを生成するための改質器が備えられている。このような改質器としては種々の態様のものが知られている。中でも、水蒸気改質によって炭化水素から水素を生成する構成の改質器は、比較的高い効率で水素を生成することができるため、特に固体酸化物型燃料電池装置においてよく用いられている。 The fuel cell device is provided with a reformer for generating a hydrogen-containing gas that is a fuel gas. Various types of reformers are known as such reformers. Among them, a reformer configured to generate hydrogen from a hydrocarbon by steam reforming can generate hydrogen with relatively high efficiency, and is therefore often used particularly in a solid oxide fuel cell device.
水蒸気改質は、炭化水素(メタン)と水蒸気とを高温の改質触媒のもとで反応させ、当該反応により水素を生じさせるものである。かかる水蒸気改質を改質器において継続させるためには、改質器に対する水蒸気の供給が必要となる。このため、水を加熱して水蒸気を発生させ、当該水蒸気を改質器に供給する蒸発器が、改質器と共に又は改質器と一体となって備えられるのが一般的である(下記特許文献1を参照)。 In the steam reforming, hydrocarbon (methane) and steam are reacted under a high-temperature reforming catalyst, and hydrogen is generated by the reaction. In order to continue such steam reforming in the reformer, it is necessary to supply steam to the reformer. For this reason, an evaporator that heats water to generate water vapor and supplies the water vapor to the reformer is generally provided together with or integrally with the reformer (the following patents). Reference 1).
改質器に対する水蒸気の供給量が不足し、相対的に炭化水素が過剰となってしまった場合には、改質触媒の表面において炭素析出が生じてしまい、水素の生成が妨げられてしまうことが知られている。このような現象を防止するために、水蒸気改質に必要な最低限の水蒸気量よりも多くの水蒸気が、蒸発器から改質器に供給されることが多い。具体的には、水蒸気と炭化水素との量論比(所謂「S/C」)の値が2.5から3.0の範囲内となるように、改質器に対する水蒸気(及び炭化水素)の供給量が設定されることが多い。 If the amount of water vapor supplied to the reformer is insufficient and the hydrocarbons are relatively excessive, carbon deposition occurs on the surface of the reforming catalyst, preventing the production of hydrogen. It has been known. In order to prevent such a phenomenon, more steam than the minimum amount of steam necessary for steam reforming is often supplied from the evaporator to the reformer. Specifically, the steam (and hydrocarbons) to the reformer so that the stoichiometric ratio (so-called “S / C”) of steam and hydrocarbons is in the range of 2.5 to 3.0. Is often set.
蒸発器では、水を加熱して沸騰させることにより水蒸気が生成される。ここで、水蒸気の生成量が多い場合、つまり、多量の水を沸騰させる場合には、大きな気泡の発生や突沸等により、水蒸気の生成量が一定とはならず変動してしまう可能性が高くなる。その結果、改質器に対する水蒸気の供給量も変動し、一時的に水蒸気が不足して炭素析出が生じてしまう可能性も高くなる。 In the evaporator, water vapor is generated by heating and boiling water. Here, when the amount of water vapor generated is large, that is, when a large amount of water is boiled, there is a high possibility that the amount of water vapor generated is not constant and fluctuates due to the generation of large bubbles or bumping. Become. As a result, the amount of steam supplied to the reformer also fluctuates, and there is a high possibility that carbon will temporarily precipitate due to a shortage of steam.
蒸発器において水蒸気を安定して発生させ、改質器に対する水蒸気の供給量の変動を抑制することに鑑みれば、蒸発器を可能な限り小型化し、蒸発器における水蒸気の生成量(沸騰させる水の量)を少なくすることが望ましい。しかしながら、発電のために必要となる水素の量は決まっているのであるから、改質器に供給される炭化水素の量を減らすことはできない。従って、上記特許文献1に記載されているような従来の改質器においては、蒸発器を小型化して水蒸気の供給量を減らしてしまうと、S/Cが低下して炭素析出が生じてしまう可能性が高くなる。このため、蒸発器を小型化し、改質器に供給される水蒸気の量を低減することは困難であった。 In view of stably generating steam in the evaporator and suppressing fluctuations in the amount of steam supplied to the reformer, the evaporator is miniaturized as much as possible, and the amount of steam generated in the evaporator (water to be boiled) It is desirable to reduce the amount). However, since the amount of hydrogen required for power generation is determined, the amount of hydrocarbons supplied to the reformer cannot be reduced. Therefore, in the conventional reformer as described in Patent Document 1, if the evaporator is downsized and the amount of steam supplied is reduced, the S / C is lowered and carbon deposition occurs. The possibility increases. For this reason, it has been difficult to downsize the evaporator and reduce the amount of water vapor supplied to the reformer.
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、S/Cの低下による炭素析出を生じさせることなく、供給される水蒸気の量を低減することのできる改質器を提供することにある。 This invention is made | formed in view of such a subject, The objective is the reformer which can reduce the quantity of the water vapor | steam supplied, without producing the carbon precipitation by the fall of S / C. It is to provide.
上記課題を解決するために、本発明に係る改質器は、水蒸気改質により水素含有ガスを生成する改質器であって、改質触媒(RC1、RC2)を内部に収納するケース(100、100A)と、ケース内に原料ガスを供給する原料ガス供給手段(GS1、GS2、32、42)と、ケース内に水蒸気を供給する水蒸気供給手段(EV、22)と、水蒸気改質反応により生成された水素含有ガスを前記ケース外に排出する排出手段(51)と、を備えている。また、原料ガス供給手段は、ケースに対し、水蒸気が流れる方向に沿って互いに位置の異なる複数の供給箇所(OP2、OP3)から原料ガスを供給するように構成されていることを特徴としている。 In order to solve the above-described problems, a reformer according to the present invention is a reformer that generates a hydrogen-containing gas by steam reforming, and contains a reforming catalyst (RC1, RC2) inside (100). 100A), source gas supply means (GS1, GS2, 32, 42) for supplying source gas into the case, steam supply means (EV, 22) for supplying steam into the case, and steam reforming reaction And a discharge means (51) for discharging the generated hydrogen-containing gas out of the case. The source gas supply means is characterized in that source gas is supplied to the case from a plurality of supply locations (OP2, OP3) whose positions are different from each other along the direction in which water vapor flows.
本発明に係る改質器では、ケースに対する原料ガス(炭化水素)の供給が、上流側の一箇所のみから行われるのではなく、水蒸気が流れる方向に沿って互いに位置の異なる複数の箇所(供給箇所)から行われる。改質器全体に対する原料ガスの供給量を従来と同じとすれば、それぞれの供給箇所における原料ガスの供給量は従来に比べて少なくなる。 In the reformer according to the present invention, the supply of the raw material gas (hydrocarbon) to the case is not performed from only one location on the upstream side, but a plurality of locations (supply) that are different from each other along the direction in which the steam flows. From place). If the supply amount of the raw material gas to the entire reformer is the same as the conventional amount, the supply amount of the raw material gas at each supply point becomes smaller than the conventional amount.
この場合、最も上流側の供給箇所における原料ガスの供給量も、従来に比べて減少する。従って、これに合わせて水蒸気の供給量を減少させても、少なくとも当該供給箇所の近傍におけるS/Cの値については適切な範囲(例えば2.5〜3.0)に維持することができる。 In this case, the supply amount of the source gas at the most upstream supply location is also reduced as compared with the conventional case. Therefore, even if the supply amount of water vapor is reduced in accordance with this, at least the S / C value in the vicinity of the supply location can be maintained in an appropriate range (for example, 2.5 to 3.0).
ここで、水蒸気の供給量を上記のように減少させた場合には、下流側の供給箇所の近傍においては水蒸気が不足してしまい(原料ガスが相対的に過剰となってしまい)、S/Cの値が適切な範囲よりも小さくなってしまうようにも思われる。つまり、改質器(ケース)の内部のうち上流側部分においてはS/Cの値が適切となる一方で、下流側部分においてはS/Cの値が低下し過ぎてしまうようにも思われる。 Here, when the supply amount of water vapor is reduced as described above, the water vapor is insufficient in the vicinity of the supply point on the downstream side (the raw material gas becomes relatively excessive). It also seems that the value of C will be smaller than the appropriate range. That is, it seems that the S / C value is appropriate in the upstream portion of the interior of the reformer (case), while the S / C value is excessively lowered in the downstream portion. .
しかしながら、改質器の内部においては水蒸気改質反応が進行するのであるから、最も上流側の供給箇所から供給された原料ガスは、下流側に向かって流れるに従い次第にその量が減少して行く。一方、改質器に供給された水蒸気のうち、炭素析出を防止するために追加供給された分(水蒸気改質に必要な最低限の供給量を超える分)に相当する水蒸気は、水蒸気改質反応が進行してもその量が減少せず、そのまま下流側に向かって流れる。このため、改質器内部のうち下流側部分におけるS/Cの値は、上流側部分におけるS/Cの値よりも高くなる傾向がある。その結果、下流側部分においてはS/Cの値が適切な範囲(2.5〜3.0)を超えているため、当該部分の供給箇所から炭化水素を供給しても、S/Cの値が低下し過ぎてしまうことはない。むしろ、S/Cの値が高くなっている下流側部分に向けて原料ガスが追加供給されるので、改質器内部の略全体においてS/Cの値を適切な範囲内とすることが可能となる。 However, since the steam reforming reaction proceeds inside the reformer, the amount of the raw material gas supplied from the most upstream supply point gradually decreases as it flows toward the downstream side. On the other hand, of the steam supplied to the reformer, the steam corresponding to the amount additionally supplied to prevent carbon deposition (exceeding the minimum supply required for steam reforming) is steam reforming. Even if the reaction proceeds, the amount does not decrease and flows directly downstream. For this reason, the S / C value in the downstream portion of the reformer tends to be higher than the S / C value in the upstream portion. As a result, since the value of S / C exceeds an appropriate range (2.5 to 3.0) in the downstream portion, even if hydrocarbons are supplied from the supply location of the portion, S / C The value never drops too much. Rather, since the source gas is additionally supplied toward the downstream portion where the S / C value is high, it is possible to keep the S / C value within an appropriate range in almost the entire interior of the reformer. It becomes.
このように、本発明は、改質器の内部においては下流側に行くほどS/Cの値が高くなる、という知見に基づいてなされたものである。改質器に対する炭化水素の供給箇所を複数に分けることによって、改質器への水蒸気の供給量を低減しながらも、S/Cの低下による炭素析出の発生を防止することが可能となる。 As described above, the present invention has been made based on the knowledge that the S / C value increases in the reformer as it goes downstream. By dividing the supply point of hydrocarbons to the reformer into a plurality, it becomes possible to prevent the occurrence of carbon deposition due to the decrease in S / C while reducing the amount of steam supplied to the reformer.
本発明によれば、S/Cの低下による炭素析出を生じさせることなく、供給される水蒸気の量を低減することのできる改質器を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the reformer which can reduce the quantity of the water vapor | steam supplied can be provided, without producing the carbon precipitation by the fall of S / C.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the description, the same constituent elements in the drawings will be denoted by the same reference numerals as much as possible, and redundant description will be omitted.
図1に模式的に示されるように、燃料電池装置FCは、セルスタックCS(燃料電池スタック)と、改質器10と、蒸発器EVと、第1燃料供給装置GS1と、第2燃料供給装置GS2と、制御装置CUとを備えている。
As schematically shown in FIG. 1, the fuel cell device FC includes a cell stack CS (fuel cell stack), a
セルスタックCSは、複数の燃料電池セル(不図示)の集合体である。各燃料電池セルは、固体酸化物形の燃料電池セル(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)であって、平板状の固体電解質の一方側の面に燃料極(アノード)が形成され、他方側の面に空気極(カソード)が形成された構成となっている。これら燃料極及び空気極は、いずれも導電性のセラミックスで形成された多孔質体である。セルスタックCSでは、全ての燃料電池セルが上下方向に積層されており、これらが電気的に直列接続された状態となっている。セルスタックCSは、改質器10からの燃料ガスの供給、及びブロア(不図示)からの空気の供給を受けて発電を行う。
The cell stack CS is an assembly of a plurality of fuel cells (not shown). Each fuel cell is a solid oxide fuel cell (SOFC), and a fuel electrode (anode) is formed on one surface of a flat solid electrolyte, and the other surface. In this configuration, an air electrode (cathode) is formed. These fuel electrode and air electrode are both porous bodies formed of conductive ceramics. In the cell stack CS, all the fuel cells are stacked in the vertical direction, and these are electrically connected in series. The cell stack CS generates power by receiving supply of fuel gas from the
改質器10は、水蒸気改質反応によって水素含有ガスを生成し、当該水素含有ガスを燃料ガスとしてセルスタックCSに供給するものである。改質器10は、改質触媒RC1、RC2と、これらを内部に収納するケース100と、を備えている。
The
改質触媒RC1、RC2は、アルミナの球体表面にニッケル等の触媒金属を担持させたものである。尚、改質触媒RC1、RC2はいずれも同一のものである。ケース100の内部においてこれらは互いに異なる位置に収納されているため、説明の便宜上、異なる符号(RC1、RC2)を付している。
The reforming catalysts RC1 and RC2 are obtained by supporting a catalytic metal such as nickel on the surface of an alumina sphere. The reforming catalysts RC1 and RC2 are the same. Since these are housed in different positions in the
ケース100は、ステンレス鋼によって形成された耐熱性の容器である。ケース100の内部空間は、互いに平行となるように配置された4枚の仕切板(111、112、113、114)によって仕切られており、その結果、5つの空間(SP1、SP2、SP3、SP4、SP5)に分かれている。それぞれの仕切板(111、112、113、114)には複数の貫通孔(不図示)が形成されており、水蒸気や原料ガスが通過し得るようになっている。空間SP1、SP2、SP3、SP4、SP5は、蒸発器EVから供給された水蒸気がケース100内を流れる方向(図1においては下方から上方に向かう方向)に沿って順に並んでいる。
尚、以下の説明においては、ケース100内の水蒸気の流れにおける上流側のことを単に「上流側」ということがあり、水蒸気の流れにおける下流側のことを単に「下流側」ということがある。
In the following description, the upstream side in the water vapor flow in the
空間SP1は最も上流側に形成された空間である。後に説明するように、蒸発器EVから供給される水蒸気と、第1燃料供給装置GS1から供給される原料ガスとは、いずれもこの空間SP1に最初に流入する。空間SP1は比較的狭い(水蒸気が流れる方向に沿った寸法が短い)空間となっている。また、空間SP1には改質触媒RC1、RC2が収納されていない。改質器10に供給された水蒸気及び原料ガスは、空間SP1においてまず混合される。
The space SP1 is a space formed on the most upstream side. As will be described later, the water vapor supplied from the evaporator EV and the raw material gas supplied from the first fuel supply device GS1 both first flow into the space SP1. The space SP1 is a relatively narrow space (the dimension along the direction in which water vapor flows is short). Further, the reforming catalysts RC1 and RC2 are not accommodated in the space SP1. The water vapor and source gas supplied to the
空間SP2は、空間SP1の下流側(上方側)に形成された空間である。空間SP2と空間SP1との間は仕切板111によって仕切られている。空間SP2には改質触媒RC1が収納されており、改質触媒RC1は仕切板111によって下方から支えられている。仕切板111に形成された複数の貫通孔の径は、アルミナの球体である改質触媒RC1の径よりも小さい。このため、仕切板111の貫通孔を改質触媒RC1が通過してしまうことはない。
The space SP2 is a space formed on the downstream side (upper side) of the space SP1. The space SP2 and the space SP1 are partitioned by a
空間SP3は、空間SP2の下流側(上方側)に形成された空間である。空間SP3と空間SP2との間は仕切板112によって仕切られている。空間SP3は、空間SP1と同様に比較的狭い(水蒸気が流れる方向に沿った寸法が短い)空間となっている。また、空間SP3には改質触媒RC1、RC2が収納されていない。後に説明するように、空間SP3は、第2燃料供給装置GS2から供給される原料ガスが最初に流入する空間となっている。
The space SP3 is a space formed on the downstream side (upper side) of the space SP2. The space SP3 and the space SP2 are partitioned by a
空間SP4は、空間SP3の下流側(上方側)に形成された空間である。空間SP4と空間SP3との間は仕切板113によって仕切られている。空間SP3には改質触媒RC2が収納されており、改質触媒RC2は仕切板113によって下方から支えられている。仕切板113に形成された複数の貫通孔の径は、アルミナの球体である改質触媒RC2の径よりも小さい。このため、仕切板113の貫通孔を改質触媒RC2が通過してしまうことはない。
The space SP4 is a space formed on the downstream side (upper side) of the space SP3. The space SP4 and the space SP3 are partitioned by a
空間SP5は、空間SP4の下流側(上方側)に形成された空間である。すなわち、最も下流側に形成された空間である。空間SP5と空間SP4との間は仕切板114によって仕切られている。空間SP5は、空間SP1及び空間SP3と同様に比較的狭い(水蒸気が流れる方向に沿った寸法が短い)空間となっている。また、空間SP5には改質触媒RC1、RC2が収納されていない。後に説明するように、空間SP5は、水蒸気改質反応の結果生成された水素含有ガス、すなわちセルスタックCSに供給される直前の燃料ガスが最後に流入して混合される空間となっている。
The space SP5 is a space formed on the downstream side (upper side) of the space SP4. That is, the space formed on the most downstream side. The space SP5 and the space SP4 are partitioned by a
蒸発器EVは、水蒸気改質に必要な水蒸気を発生させて改質器10に供給するものである。蒸発器EVには配管21及び配管22が接続されている。配管21は、外部の水供給源から蒸発器EVに水を供給するための配管である。配管21の途中には水供給ポンプ(不図示)が備えられており、当該水供給ポンプによって送り出された水が、配管21を通じて蒸発器EVに供給される。
The evaporator EV generates steam necessary for steam reforming and supplies the steam to the
配管21を通じて供給された水は、蒸発器EVの内部で加熱されて沸騰し、水蒸気となる。尚、水を加熱するための熱としては、例えば、セルスタックCSにおける発電反応で生じた熱を用いることができる。また、これに替えて、発電に供されることなくセルスタックCSから排出された残余の燃料ガスをバーナーで燃焼させて、当該燃焼により生じた熱を用いて水を加熱してもよい。
The water supplied through the
配管22は、蒸発器EVにおいて発生した水蒸気を改質器10に供給するための配管である。配管22は、一端が蒸発器EVに接続されており、他端がケース100の下端、すなわち空間SP1を区画する部分に接続されている。ケース100のうち配管22が接続されている部分(本実施形態では下端部)には開口OP1が形成されている。蒸発器EVにおいて発生した水蒸気は、配管22を通じて改質器10に到達し、開口OP1を通って空間SP1に最初に流入する。
The
第1燃料供給装置GS1は、改質器10に対する原料ガスの供給量を調整するための装置である。第1燃料供給装置GS1には配管31及び配管32が接続されている。配管31は、外部のガス源から第1燃料供給装置GS1に原料ガスを供給するための配管である。本実施形態では、原料ガスとして都市ガスが用いられる。第1燃料供給装置GS1は、外部からの制御で動作する開度調整弁(不図示)を備えている。当該開度調整弁の開度により、改質器10に対する原料ガスの供給量が調整される。原料ガスの供給と停止の切り替え、及び供給量の調整は、制御装置CUによって制御される。
The first fuel supply device GS1 is a device for adjusting the supply amount of the raw material gas to the
配管32は、第1燃料供給装置GS1から改質器10に原料ガスを供給するための配管である。配管32は、一端が第1燃料供給装置GS1の開度調整弁に接続されており、他端がケース100の下端、すなわち空間SP1を区画する部分に接続されている。ケース100のうち配管32が接続されている部分(本実施形態では下端部)には開口OP2が形成されている。第1燃料供給装置GS1の開度調整弁を通過した原料ガスは、配管32を通じて改質器10に到達し、開口OP2を通って空間SP1に最初に流入する。
The
第2燃料供給装置GS2は、第1燃料供給装置GS1と同様、改質器10に対する原料ガスの供給量を調整するための装置である。第2燃料供給装置GS2には配管41及び配管42が接続されている。配管41は、外部のガス源から第2燃料供給装置GS2に原料ガスを供給するための配管である。第2燃料供給装置GS2は、外部からの制御で動作する開度調整弁(不図示)を備えている。当該開度調整弁の開度により、改質器10に対する原料ガスの供給量が調整される。原料ガスの供給と停止の切り替え、及び供給量の調整は、制御装置CUによって制御される。
Similar to the first fuel supply device GS1, the second fuel supply device GS2 is a device for adjusting the supply amount of the raw material gas to the
配管42は、第2燃料供給装置GS2から改質器10に原料ガスを供給するための配管である。配管42は、一端が第2燃料供給装置GS2の開度調整弁に接続されており、他端がケース100の側面、具体的には空間SP3を区画する部分に接続されている。ケース100のうち配管42が接続されている部分には開口OP3が形成されている。第2燃料供給装置GS2の開度調整弁を通過した原料ガスは、配管42を通じて改質器10に到達し、開口OP3を通って空間SP3に最初に流入する。
The
制御装置CUは、CPU、ROM、RAM、及び入出力インタフェースを備えたコンピュータシステムであり、燃料電池装置FCの全体の動作を制御するための装置である。既に説明したように、制御装置CUは、第1燃料供給装置GS1を制御することによって空間SP1への原料ガスの供給量を調整する。同様に、第2燃料供給装置GS2を制御することによって空間SP3への原料ガスの供給量を調整する。更に、水供給ポンプ(不図示)の動作を制御することによって、蒸発器EVに向けて送り出される水の量を調整する。つまり、蒸発器EVから空間SP1への水蒸気の供給量を調整する。 The control unit CU is a computer system that includes a CPU, a ROM, a RAM, and an input / output interface, and is a device for controlling the overall operation of the fuel cell apparatus FC. As already described, the control unit CU adjusts the supply amount of the raw material gas to the space SP1 by controlling the first fuel supply unit GS1. Similarly, the supply amount of the raw material gas to the space SP3 is adjusted by controlling the second fuel supply device GS2. Further, the amount of water sent out toward the evaporator EV is adjusted by controlling the operation of a water supply pump (not shown). That is, the supply amount of water vapor from the evaporator EV to the space SP1 is adjusted.
その他の構成について説明する。空間SP2には、改質触媒RC1の温度を検知するための温度センサTSが配置されている。温度センサTSと制御装置CUとは信号線CBによって接続されている。温度センサTSによって検知された改質触媒RC1の温度は、信号線CBを通じて制御装置CUに伝達される。後に説明するように、制御装置CUは、伝達された改質触媒RC1の温度の温度に基づいて、改質器10に対する原料ガスの供給タイミングを制御する。
Other configurations will be described. A temperature sensor TS for detecting the temperature of the reforming catalyst RC1 is arranged in the space SP2. The temperature sensor TS and the control unit CU are connected by a signal line CB. The temperature of the reforming catalyst RC1 detected by the temperature sensor TS is transmitted to the control unit CU through the signal line CB. As will be described later, the control unit CU controls the supply timing of the raw material gas to the
改質器10とセルスタックCSとは配管51により接続されている。配管51は、改質器10において生成された燃料ガス(水素含有ガス)を、セルスタックCSに供給するための配管である。配管51は、一端がセルスタックCSに接続されており、他端がケース100の上端、すなわち空間SP5を区画する部分に接続されている。ケース100のうち配管51が接続されている部分(本実施形態では上端部)には開口OP4が形成されている。改質器10において生成された燃料ガスは、開口OP4を通じてケース100から流出し、配管51を通ってセルスタックCSに供給される。
The
改質器10において生じる水蒸気改質反応について説明する。水蒸気改質反応とは、原料ガス(メタン)と水蒸気とが高温の改質触媒のもとで反応し、水素が生成される反応である。このような水蒸気改質反応は以下の式(1)により表される。
CH4+H2O→3H2+CO (1)
The steam reforming reaction that occurs in the
CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO (1)
また、改質器10においては、水蒸気改質反応により生じたCOが水蒸気と反応し、その結果として更に水素が生成される。このような反応は、所謂「シフト反応」と称されるものであって、以下の式(2)により表される。
CO+H2O→CO2+H2 (2)
In the
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (2)
以上の式1及び式2をまとめると、改質器10の内部で生じる全体の反応は以下の式(3)により表される。
CH4+2H2O→4H2+CO2 (3)
Summarizing the above formulas 1 and 2, the overall reaction occurring inside the
CH 4 + 2H 2 O → 4H 2 + CO 2 (3)
尚、改質器10においては、供給された原料ガスの全てにおいて式(1)のような水蒸気改質反応が生じるとは限らず、一部の原料ガスが水蒸気改質反応に寄与しないまま(メタンのまま)排出される場合もある。同様に、水蒸気改質反応によって生成されたCOの全てにおいて式(2)のようなシフト反応が生じるとは限らず、一部のCOがシフト反応に寄与しないまま排出される場合もある。
In the
式(3)に表されるように、改質器10の内部においては、1モルのメタンに対して最大で2モルの水が消費されることとなる。換言すれば、改質器10に供給された水蒸気と炭化水素との量論比(所謂「S/C」)が2よりも小さい場合には、水蒸気が不足してメタンが相対的に過剰になってしまうこととなる。過剰となったメタンが高温の改質触媒RC1、RC2に触れると、改質触媒RC1、RC2の表面において炭素析出が生じてしまい、改質器10における水素の生成が妨げられてしまうことが知られている。そこで、本実施形態に係る改質器10では、S/Cの値が3.0となるように、水蒸気及び原料ガスの供給量が設定されている。つまり、水蒸気改質に必要な最低限の供給量に対して50%の水蒸気が追加供給されているということができる。
As represented by the formula (3), in the
図1及び図2を参照しながら、改質器10の内部で生じる反応について具体的に説明する。図2に示されるグラフの横軸は、ケース100の内部における位置を示している。図2では、水蒸気の流れる方向に沿って最も上流側となる位置をP0と表記し、最も下流側となる位置をP10と表記している。つまり、位置P0は、図1において開口OP1及び開口OP2と同一の高さとなる位置を示している。位置P10は、図1において開口OP4と同一の高さとなる位置を示している。また、位置P0と位置P10の間である位置P1は、図1において開口OP3と同一の高さとなる位置を示している。
The reaction occurring inside the
図2において、線G10は、ケース100の各位置における水蒸気の量の分布を示している。線G20は、ケース100の各位置におけるメタンの量の分布を示している。線G30は、ケース100の各位置におけるS/Cの値の分布を示している。
In FIG. 2, a line G <b> 10 indicates the distribution of the amount of water vapor at each position of the
改質器10には、蒸発器EVからの水蒸気と第1燃料供給装置GS1からの原料ガスとが供給され、これらは空間SP1にまず流入して混合される。供給される水蒸気と原料ガスとの比率は、空間SP1におけるS/Cの値が3となるように設定されている。尚、以下の説明においては、水蒸気と原料ガスとが混合されてなる気体のことを「混合ガス」とも称する。
The
混合ガスは、空間SP1から空間SP2に流入し、改質触媒RC1に触れながら上方に向かって流れる。改質器10は外部から加熱されており、改質触媒RC1も高温となっている。このため、空間SP2においては、上記の式(1)で示された水蒸気改質反応と、式(2)で示されたシフト反応とが生じる。尚、改質器10を加熱するための熱としては、例えば、セルスタックCSにおける発電反応で生じた熱を用いることができる。また、これに替えて、発電に供されることなくセルスタックCSから排出された残余の燃料ガスをバーナーで燃焼させて、当該燃焼により生じた熱を用いて改質器10を加熱してもよい。
The mixed gas flows from the space SP1 into the space SP2, and flows upward while touching the reforming catalyst RC1. The
図2のグラフのうち位置P0から位置P1の範囲に示されるように、混合ガスに含まれるメタンは、水蒸気改質反応によって消費されるため、少しずつその量が減少していく。つまり、下流側に行くほどメタンの量が少なくなっている。また、混合ガスに含まれる水蒸気は、水蒸気改質反応及びシフト反応よって消費されるため、少しずつその量が減少していく。つまり、下流側に行くほど水蒸気の量も少なくなっている。 As shown in the range from the position P0 to the position P1 in the graph of FIG. 2, methane contained in the mixed gas is consumed by the steam reforming reaction, and thus the amount gradually decreases. In other words, the amount of methane decreases as it goes downstream. Further, since the water vapor contained in the mixed gas is consumed by the steam reforming reaction and the shift reaction, the amount thereof is gradually reduced. That is, the amount of water vapor decreases as it goes downstream.
下流側に行くほどメタン及び水蒸気はいずれも少なくなって行くのであるが、図2の線G30に示されるように、混合ガスのS/Cの値は大きくなっていく。これは、炭素析出を防止するために追加供給された分に相当する水蒸気が、水蒸気改質反応に寄与することなくそのまま下流側に向かって流れることによる。このため、位置P0におけるS/Cの値は3なのであるが、下流側に行くほど混合ガスに占める水蒸気の割合が高くなっていくことにより、下流側に行くほど(位置P1に近づくほど)S/Cの値は3よりも大きくなって行くのである。 As it goes downstream, both methane and water vapor decrease, but the S / C value of the mixed gas increases as shown by line G30 in FIG. This is because steam corresponding to the amount additionally supplied to prevent carbon deposition flows toward the downstream side without contributing to the steam reforming reaction. For this reason, the value of S / C at the position P0 is 3, but the ratio of water vapor to the mixed gas increases toward the downstream side, so that the downstream side (closer to the position P1) becomes S. The value of / C becomes larger than 3.
混合ガスは、上記の様にS/Cの値を上昇させた状態で空間SP3に流入する。空間SP3には、第2燃料供給装置GS2からの原料ガスが供給され、空間SP2からの混合ガスと混合される。その結果、空間SP3においては、混合ガスに占める原料ガスの割合が高くなるため、位置P1の近傍ではS/Cの値は減少する。ただし、上述のようにS/Cの値は3よりも大きくなっていたのであるから、空間SP3において原料ガスが追加供給されてもS/Cの値が3(図2において点線DLで示される値)を下回ってしまうことはない。 The mixed gas flows into the space SP3 with the S / C value raised as described above. The source gas from the second fuel supply device GS2 is supplied to the space SP3 and mixed with the mixed gas from the space SP2. As a result, in the space SP3, the ratio of the raw material gas to the mixed gas becomes high, so the value of S / C decreases near the position P1. However, since the value of S / C is larger than 3 as described above, the value of S / C is 3 (indicated by the dotted line DL in FIG. 2) even if the source gas is additionally supplied in the space SP3. Value).
本実施形態では、第2燃料供給装置GS2から供給される原料ガスの供給量が、第1燃料供給装置GS1から供給される原料ガスの供給量の1/4となるように設定されている。つまり、燃料ガスを生成するために必要となる原料ガスの80%が第1燃料供給装置GS1から空間SP1に供給され、残りの20%が第2燃料供給装置GS2から空間SP3に供給される。 In this embodiment, the supply amount of the raw material gas supplied from the second fuel supply device GS2 is set to be ¼ of the supply amount of the raw material gas supplied from the first fuel supply device GS1. That is, 80% of the raw material gas required to generate the fuel gas is supplied from the first fuel supply device GS1 to the space SP1, and the remaining 20% is supplied from the second fuel supply device GS2 to the space SP3.
その後、混合ガスは空間SP3から空間SP4に流入し、改質触媒RC2に触れながら上方に向かって流れる。空間SP4においては、水蒸気改質反応とシフト反応とが再び生じる。空間SP4においても、下流側に行くほど混合ガスに含まれるメタン及び水蒸気はいずれも少なくなって行き、混合ガスのS/Cの値は再び大きくなっていく。 Thereafter, the mixed gas flows from the space SP3 into the space SP4 and flows upward while touching the reforming catalyst RC2. In the space SP4, the steam reforming reaction and the shift reaction occur again. Also in the space SP4, the methane and water vapor contained in the mixed gas decrease as going to the downstream side, and the S / C value of the mixed gas increases again.
空間SP4を通過した混合ガスは、最も下流側の空間SP5に流入する。このとき、混合ガスに含まれるメタンは略全体が水蒸気改質反応によって消費されているため、その量は非常に少なくなっている。 The mixed gas that has passed through the space SP4 flows into the space SP5 on the most downstream side. At this time, since almost all of the methane contained in the mixed gas is consumed by the steam reforming reaction, the amount thereof is very small.
また、空間SP2及び空間SP4において生成された水素も、混合ガスとともに空間SP5に流入する。このため、空間SP5は水素リッチな気体、すなわち水素含有ガスで満たされた状態となっている。この水素含有ガスが、配管51を通じてセルスタックCSへと供給され、発電に供される。
Further, the hydrogen generated in the space SP2 and the space SP4 also flows into the space SP5 together with the mixed gas. For this reason, the space SP5 is filled with a hydrogen-rich gas, that is, a hydrogen-containing gas. This hydrogen-containing gas is supplied to the cell stack CS through the
以上に説明したような構成の改質器10の利点を説明するために、本発明の比較例として、従来の一般的な構成の改質器10B、及びこれを備えた燃料電池装置FCBについて、図4及び図5を参照しながら説明する。
In order to explain the advantages of the
改質器10Bは、仕切板112及び仕切板113が内部に配置されておらず、仕切板111と仕切板114との間の空間の全体に改質触媒RC1が充填された構成となっている。つまり、改質器10の空間SP2、空間SP3、及び空間SP4を一体として空間SP6とし、当該空間SP6に改質触媒RC1を充填したような構成となっている。また、改質器10Bのケース100Bの側面には開口OP3は形成されていない。改質器10Bのその他の構成については改質器10と同様である。
The
燃料電池装置FCBは、第2燃料供給装置GS2及びこれに接続された配管41、配管42を備えていない点において、燃料電池装置FCと異なっている。つまり、燃料電池装置FCBでは、改質器10Bに対する燃料ガスの供給が、ケース100Bの下端部1箇所(開口OP2)のみから行われる。その他の構成については、燃料電池装置FCと同様である。
The fuel cell device FCB is different from the fuel cell device FC in that it does not include the second fuel supply device GS2 and the
図4は、図2に対応して描かれたグラフであって、改質器10Bの内部における水蒸気の量等を示すグラフである。図4に示されるグラフの横軸は、ケース100Bの内部における位置を示している。図4においても、水蒸気の流れる方向に沿って最も上流側となる位置をP0と表記し、最も下流側となる位置をP10と表記している。
FIG. 4 is a graph drawn corresponding to FIG. 2, and is a graph showing the amount of water vapor and the like inside the
図4において、線G11は、ケース100Bの各位置における水蒸気の量の分布を示している。線G21は、ケース100Bの各位置におけるメタンの量の分布を示している。線G31は、ケース100Bの各位置におけるS/Cの値の分布を示している。
In FIG. 4, a line G11 indicates the distribution of the amount of water vapor at each position of the
燃料電池装置FCの場合と同様に、改質器10Bには、蒸発器EVからの水蒸気と第1燃料供給装置GS1からの原料ガスとが供給される。これらは空間SP1にまず流入して混合される。
As in the case of the fuel cell device FC, the
改質器10Bに対する原料ガスの供給は、開口OP2の一箇所のみから行われる。つまり、燃料ガスを生成するために必要となる原料ガスの全て(100%)が第1燃料供給装置GS1から空間SP1に供給される。このため、改質器10Bの空間SP1に供給される原料ガスの供給量は、改質器10の空間SP1に供給される原料ガスの供給量(80%)よりも多くなっている。
The supply of the raw material gas to the
改質器10Bにおいても、空間SP1におけるS/Cの値が3.0となるように、水蒸気及び原料ガスの供給量が設定されている。このため、改質器10Bの空間SP1に供給される原料ガスの供給量が上記の様に多くなっていることに伴って、水蒸気の供給量も多くなっている。すなわち、蒸発器EVから改質器10Bに供給される水蒸気の供給量は、蒸発器EVから改質器10に供給される水蒸気の供給量よりも多くなっている。炭素析出を防止するために改質器10Bに追加供給されている水の量が、燃料電池装置FCの場合よりも多くなっているということもできる。
Also in the
改質器10の場合と同様に、改質器10Bの内部においても、下流側に行くほどメタン及び水蒸気の量が少なくなって行く。また、S/Cの値は、位置P0においては3となっているが、下流側に行くほど3よりも大きくなって行く。
As in the case of the
改質器10Bにおいては、原料ガスが途中(位置P1)から追加供給されない。このため、S/Cの値は途中で低下することがなく、下流側に行くに従って単調に増加していく。その結果、位置P10におけるS/Cの値は、改質器10の場合に比べて非常に大きくなっている。これは、炭素析出を防止するために追加供給された分(水蒸気改質に必要な最低限の供給量を超える分)に相当する水蒸気の量が改質器10の場合よりも大きいことに加えて、当該追加供給分の水蒸気が水蒸気改質反応及びシフト反応に供されることなく、ほぼそのまま下流側の端部に到達してしまうことによる。つまり、従来の構成からなる燃料電池装置FCBにおいては、反応に供されるとなく無駄に排出されてしまう水蒸気の割合が大きくなっている。
In the
しかしながら、蒸発器EVから供給される水蒸気の量を低減してしまうと、空間SP1における混合ガスのS/Cの値が3を下回ってしまい、2.5を下回ってしまう可能性もある。このため、炭素析出を防止することに鑑みれば、図4に示された構成の改質器10において水蒸気の供給量を低減することは望ましくない。換言すれば、蒸発器EVを小型化することは望ましくない。
However, if the amount of water vapor supplied from the evaporator EV is reduced, the S / C value of the mixed gas in the space SP1 may be less than 3 and may be less than 2.5. For this reason, in view of preventing carbon deposition, it is not desirable to reduce the supply amount of water vapor in the
これに対し、図1及び図2に基づいて説明した改質器10では、ケース100に対する原料ガスの供給が、水蒸気が流れる方向(上下方向)に沿って互いに位置の異なる複数の箇所(開口PT2及び開口PT3)から行われる。その結果、開口PT2からの原料ガスの供給量は、改質器10Bの場合に比べて少なくなっている。
On the other hand, in the
空間SP1におけるS/Cの値を3とするために必要となる水蒸気の供給量についても、改質器10Bの場合に比べて少なくなっている。このため、S/Cの値を適切な範囲内(2.5〜3.0)に維持しながらも、蒸発器EVを小型化することが可能となっている。
The amount of steam that is required to set the S / C value in the space SP1 to 3 is also smaller than in the case of the
また、改質器10においては、S/Cの値が高くなり余剰の水蒸気が多く存在している下流側の部分に対して、開口OP3から原料ガスが追加供給される。このため、余剰となっている水蒸気が無駄となることはなく、水蒸気改質反応及びシフト反応に有効に利用されることとなる。その結果、蒸発器EVを小型化して水蒸気の供給量を従来よりも減少させても、改質器10の内部でS/Cの値が3を下回ってしまうことはなく、炭素析出が発生してしまうこともない。
Further, in the
ところで、燃料電池装置FCの起動時において、第2燃料供給装置GS2から改質器10に原料ガスが供給され始めるタイミングについては注意が必要である。蒸発器EVから供給された水蒸気が仕切板112を通過するよりも前、すなわち、空間SP3に到達する前に開口OP3から原料ガスが供給されてしまうと、空間SP3におけるS/Cの値は3を下回ってしまうことになる。その結果、S/Cの値が小さい混合ガスが改質触媒RC2に到達することにより、炭素析出が発生してしまう。
By the way, attention must be paid to the timing at which the raw material gas starts to be supplied from the second fuel supply device GS2 to the
燃料電池装置FCでは、このような現象を防止するために、温度センサTSで検知された改質触媒RC1の温度に基づいて、第2燃料供給装置GS2からの原料ガスの供給タイミングが適切になるように調整している。 In the fuel cell device FC, in order to prevent such a phenomenon, the supply timing of the raw material gas from the second fuel supply device GS2 is appropriate based on the temperature of the reforming catalyst RC1 detected by the temperature sensor TS. It is adjusted so that.
制御装置CUは、改質触媒RC1の温度が予め設定された閾値を下回った時点で、第2燃料供給装置GS2からの原料ガスの供給が開始されるように制御を行う。式(1)に示される水蒸気改質反応は吸熱反応であるから、温度センサTSの位置において温度が低下すると、当該位置に水蒸気が到達したことを推察することができるのである。 The control device CU performs control so that the supply of the raw material gas from the second fuel supply device GS2 is started when the temperature of the reforming catalyst RC1 falls below a preset threshold value. Since the steam reforming reaction represented by the formula (1) is an endothermic reaction, when the temperature is lowered at the position of the temperature sensor TS, it can be inferred that the steam has reached the position.
尚、温度センサTSは仕切板112よりも下方側に配置されているのであるから、改質触媒RC1の温度が閾値を下回った時点では、まだ空間SP3には水蒸気が到達していない。しかしながら、この時点で第2燃料供給装置GS2からの原料ガスの供給が開始されても、当該原料ガスが第2燃料供給装置GS2から開口OP3に到達するまでにはタイムラグがあるので、原料ガスが先に空間SP3に到達してしまうことはない。本実施形態においては、蒸発器EVからの水蒸気と、第2燃料供給装置GS2からの原料ガスとが、空間SP3に同時に到達するように、温度センサTSの位置及び上記の閾値が設定されている。このような構成とすることで、改質器10の内部における炭素析出を確実に防止しながらも、燃料ガスを早いタイミングでセルスタックCSに供給し始めることができる。
Since the temperature sensor TS is disposed below the
第2燃料供給装置GS2からの原料ガスの供給開始タイミングを計るためのセンサとしては、温度センサTSに替えて種々のセンサ(ケース100内の状態を検知する検知手段)を用いることができる。 As a sensor for measuring the supply start timing of the raw material gas from the second fuel supply device GS2, various sensors (detection means for detecting the state in the case 100) can be used instead of the temperature sensor TS.
例えば、ケース100内における気体の流量又は圧力を検知するセンサを、空間SP2に配置してもよい。上記の式(3)で示されるように、ケース100の内部で水蒸気改質反応及びシフト反応が生じ始めると、導入された気体(水蒸気と原料ガス)の体積よりも反応後の気体(水素及び二酸化炭素)の体積の方が大きくなる。このような体積の変化は、ケース内における流量又は圧力の増加として検知される。つまり、センサで検知された流量又は圧力の値が所定の閾値を上回った時点で、(センサの位置に水蒸気が到達したことを推察し)第2燃料供給装置GS2からの原料ガスの供給が開始されるように構成されていればよい。
For example, a sensor for detecting the gas flow rate or pressure in the
同様に、メタン、水蒸気、水素、二酸化炭素、一酸化炭素のいずれかの濃度を検知するセンサをケース100の内部に配置して、当該センサの検知結果が制御装置CUに入力される構成としても、第2燃料供給装置GS2からの原料ガスの供給開始タイミングを適切なものとすることができる。
Similarly, a sensor that detects the concentration of any one of methane, water vapor, hydrogen, carbon dioxide, and carbon monoxide may be arranged inside the
尚、第1燃料供給装置GS1による原料ガスの供給が開始されてから、第2燃料供給装置GS2による原料ガスの供給が開始されるまでの遅延時間は、予め実験などにより適切な遅延時間を求めておき、制御装置CUにこれを記憶させおいてもよい。この場合には、例えば要求発電量、燃料電池装置FCのうち改質器10以外の場所で計測された温度、蒸発器EVに供給される水の流量(水供給ポンプの動作速度)等から、適切な遅延時間が制御装置CUにより選択されることとなる。このような構成とした場合には、ケース100の内部に温度センサTUなどを配置する必要がない。
The delay time from the start of the supply of the raw material gas by the first fuel supply device GS1 to the start of the supply of the raw material gas by the second fuel supply device GS2 is determined in advance by an experiment or the like. This may be stored in the control unit CU. In this case, for example, from the required power generation amount, the temperature measured at a place other than the
本実施形態においては、第1燃料供給装置GS1から供給される原料ガスと、第2燃料供給装置GS2から供給される原料ガスとの比率が、80:20となるように設定されている。この比率は適宜変更することができるのであるが、第1燃料供給装置GS1から供給される原料ガスの占める割合を減らしすぎてしまった場合には、改質器10の内部の全ての箇所でS/Cを3以上とすることが不可能になってしまうので注意が必要である。
In the present embodiment, the ratio of the raw material gas supplied from the first fuel supply device GS1 and the raw material gas supplied from the second fuel supply device GS2 is set to 80:20. This ratio can be changed as appropriate. However, if the ratio of the raw material gas supplied from the first fuel supply device GS1 is reduced too much, the S is increased at all locations inside the
つまり、改質器10に供給される原料ガス(メタン)の総量は従来と変わらず、水蒸気反応及びシフト反応に必要となる最低限の水蒸気の量も従来と変わらないのであるから、水蒸気の供給量を極端に低下させることはできない。本発明によれば、上記のように水蒸気の供給量を低減することができるのであるが、炭素析出を防止するために改質器10Bに追加供給されている水蒸気の量を0とすることが、低減量の理論的な上限ということになる。
That is, the total amount of raw material gas (methane) supplied to the
例えば、上記の比率を5:95とした場合には、空間SP1におけるS/Cの値を3とするために必要な水蒸気の供給量は従来の5%ということになる。しかしながら、水蒸気の供給量を5%にまで低減してしまうと、空間SP1よりも下流側ではS/Cの値が確実に2.5を下回り、炭素析出が生じてしまうのである。 For example, when the ratio is 5:95, the amount of water vapor necessary to set the S / C value in the space SP1 to 3 is 5% of the conventional amount. However, if the supply amount of water vapor is reduced to 5%, the S / C value is certainly less than 2.5 on the downstream side of the space SP1, and carbon deposition occurs.
本発明者らが検討したところによれば、空間SP1でのS/Cの目標値を3とし、シフト改質率(改質器10において、シフト改質反応によってCOが消費される割合)を仮に50%とした場合には、第1燃料供給装置GS1から供給される原料ガスの割合を67%まで減らすことができる。つまり、蒸発器EVから供給される水蒸気の量を、従来の67%まで減らすことができる。 According to a study by the present inventors, the target value of S / C in the space SP1 is set to 3, and the shift reforming rate (the rate at which CO is consumed by the shift reforming reaction in the reformer 10) is set. If 50% is assumed, the ratio of the raw material gas supplied from the first fuel supply device GS1 can be reduced to 67%. That is, the amount of water vapor supplied from the evaporator EV can be reduced to 67% of the conventional amount.
続いて、図3を参照しながら、本発明の第2実施形態に係る改質器10A、及びこれを備えた燃料電池装置FCAの構成について説明する。改質器10Aは、ケース100Aのうち空間SP3を区画する部分(符号130を付した部分)が縮径している点、及び空間SP3内に混合促進部131、132、133が配置されている点において、改質器10と異なっている。改質器10Aのその他の構成については改質器10と同一である。
Next, the configuration of the
ケース100Aのうち空間SP3を区画する部分(縮径している部分)は、円筒型の配管となっている。このため、以下では当該部分を「接続配管部130」と表記する。
A portion (a portion having a reduced diameter) that divides the space SP3 in the
混合促進部131、132、133は、いずれも、水蒸気が流れる方向に対して垂直となるように配置された平板である。混合促進部131は最も上流側(仕切板112側)に配置されており、混合促進部133は最も下流側(仕切板113側)に配置されており、混合促進部132は混合促進部131と混合促進部133の間に配置されている。混合促進部131、132、133は、上面視において互いに一部が重なり合うように配置されている。このため、接続配管部130の内部(つまり空間SP3)を通る混合ガスは、矢印AR1で示されるように、混合促進部131、132、133に対して順にぶつかりながら、下方から上方に向かって流れることとなる。
All of the mixing
開口OP3は、接続配管部130のうち混合促進部131よりも下方側(上流側)となる位置に形成されている。このため、接続配管部130では、空間SP2から流入した混合ガスと、開口OP3から流入した原料ガスとが、共に混合促進部131、132、133に対して順にぶつかりながら流れる。その結果、混合促進部131では、水蒸気と原料ガスとの混合が促進される。開口OP3から追加供給された原料ガスの一部がそのまま空間SP4に流入し、S/Cの値が局所的に2.5を下回ってしまうようなことが防止されるので、空間SP4における炭素析出の発生をより確実に防止することができる。
The opening OP <b> 3 is formed at a position on the lower side (upstream side) of the
尚、追加供給された原料ガスと水蒸気との今後を促進するための機構としては、図3に示された混合促進部131、132、133に替えて、種々の構成を採用することができる。例えば、下方から上方に向かって流れる気体の流路を螺旋状とするようなミキサを、接続配管部130の内部に配置してもよい。また、開口OP3から導入された原料ガスの流れがスワール(旋回流)を形成するように、開口OP3の内側にノズルが接続されたような構成としてもよい。
In addition, as a mechanism for promoting the future of the additionally supplied raw material gas and water vapor, various configurations can be adopted instead of the mixing
本実施形態においては、ケース100Aに対する原料ガスの供給が2箇所(開口OP2と開口OP3)から行われる構成となっている。ただし、本発明の実施態様としては2箇所に限定される必要はなく、高さの異なる3箇所以上から(水蒸気が流れる方向に沿って互いに位置の異なる3箇所以上から)原料ガスの供給が行われる態様としてもよい。原料ガスの供給箇所を増やすことにより、ケース100A内においてS/Cの値が局所的に大きくなり過ぎることを防止することができる。つまり、ケース100A内の空間の略全体においてS/Cの値を約3とすることが可能となる。この場合、上流側の供給箇所から下流側の供給箇所に行くに従って、原料ガスの供給量を小さくすることが望ましい。原料ガスが改質触媒RC1、RC2に触れる機会が増える結果、水蒸気改質反応及びシフト反応が効率よく生じるためである。
In the present embodiment, the material gas is supplied to the
下流側の供給箇所から原料ガスを追加供給し始めるタイミングを適切なものとするためのセンサ(本実施形態では温度センサTS)の設置位置は、最も上流側の供給箇所(本実施形態では開口OP2)よりも下流側であり、且つ次の供給箇所(本実施形態では開口OP3)よりも上流側となる位置が望ましい。このような位置にセンサを設置することで、供給箇所からケース100A内に原料ガスが流入し始めるタイミングと、当該供給箇所の近傍に水蒸気が到達するタイミングを一致させることができる。センサを一つではなく複数とし、隣り合う供給箇所の間には必ず一つのセンサが設置されている構成としてもよい。
The installation position of the sensor (temperature sensor TS in the present embodiment) for making the timing for starting the additional supply of the source gas from the downstream supply location appropriate is the most upstream supply location (opening OP2 in the present embodiment). ) And a position on the upstream side of the next supply location (opening OP3 in the present embodiment) is desirable. By installing the sensor at such a position, the timing at which the raw material gas starts to flow into the
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. In other words, those specific examples that have been appropriately modified by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention as long as they have the characteristics of the present invention. For example, the elements included in each of the specific examples described above and their arrangement, materials, conditions, shapes, sizes, and the like are not limited to those illustrated, but can be changed as appropriate. Moreover, each element with which each embodiment mentioned above is provided can be combined as long as technically possible, and the combination of these is also included in the scope of the present invention as long as it includes the features of the present invention.
10,10A,10B:改質器
100,100A,100B:ケース
OP1,OP2,OP3,OP4:開口
131,132,133:混合促進部
GS1:第1燃料供給装置
GS2:第2燃料供給装置
21,22,31,32、41,42,51:配管
EV:蒸発器
CU:制御装置
TS:温度センサ
10, 10A, 10B:
Claims (7)
改質触媒(RC1、RC2)を内部に収納するケース(100、100A)と、
前記ケース内に原料ガスを供給する原料ガス供給手段(GS1、GS2、32、42)と、
前記ケース内に水蒸気を供給する水蒸気供給手段(EV、22)と、
水蒸気改質反応により生成された水素含有ガスを前記ケース外に排出する排出手段(51)と、を備え、
前記原料ガス供給手段は、
前記ケースに対し、水蒸気が流れる方向に沿って互いに位置の異なる複数の供給箇所(OP2、OP3)から原料ガスを供給するように構成されていることを特徴とする改質器。 A reformer that generates hydrogen-containing gas by steam reforming,
A case (100, 100A) for accommodating the reforming catalyst (RC1, RC2);
Source gas supply means (GS1, GS2, 32, 42) for supplying source gas into the case;
Water vapor supply means (EV, 22) for supplying water vapor into the case;
A discharge means (51) for discharging the hydrogen-containing gas generated by the steam reforming reaction to the outside of the case,
The source gas supply means includes
A reformer configured to supply a raw material gas to the case from a plurality of supply points (OP2, OP3) having different positions along a direction in which water vapor flows.
前記検知手段により検知された前記ケース内の状態に基づいて、供給箇所からの前記原料ガスの供給を制御する制御手段(CU)と、を更に備えたことを特徴とする、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の改質器。 Detection means (TS) for detecting a state in the case;
5. A control means (CU) for controlling supply of the source gas from a supply location based on the state in the case detected by the detection means, further comprising: a control means (CU). The reformer according to any one of the above.
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