JP3861077B2

JP3861077B2 - Fuel reformer

Info

Publication number: JP3861077B2
Application number: JP2003184311A
Authority: JP
Inventors: 直彦松田; 桂二谷崎; 克記八木; 節男大本; 聡信安武; 博久吉田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2003-06-27
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2023-06-27
Also published as: JP2005015292A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料から水素ガスを得るための燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料電池が注目されており、燃料電池に使用する水素ガスを得るための燃料改質装置が提案されている。
しかし、従来の燃料改質装置は、以下のように改善すべき点を持っていた。
【０００３】
まず、燃料改質装置では、反応温度を確保するために燃焼室で燃料を燃焼している。このような燃焼室内では、約９００℃の高温ガスが対流するために、断熱材を厚くする必要があり、そのためサイズが肥大化し、さらに起動時の昇温熱容量が増大し、起動時間を長くし、起動燃費を大きくしてしまっていた。例えば、改質管を複数使用し、出力の向上を図り、そのような改質管を断熱材で囲んだ燃焼室に内蔵するタイプ（特開平５−１７０４０２号公報等）では、そのような欠点を有していた。
【０００４】
特開平１１−２５５５０１号公報に記載された燃料改質装置は、改質管を単数としているものの、改質管を加熱する面が一面のため、出力増大時には、加熱面積を増大させる必要があり、内部の燃焼空間が増大し、装置が大型化するといった難点を克服していない。
【０００５】
一方、特開平１１−２５５５０１号公報に記載された燃料改質装置では、改質管から発生した改質ガスを別置きのＣＯ変成器に流入するようにしている。しかし、このタイプでもＣＯ変成部が別置きのため、装置全体のサイズが増大するといった欠点があった。また、別置きのため接続配管など工事量も増大するという難点があった。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−１７０４０２号公報
【特許文献２】
特開平１１−２５５５０１号公報
【特許文献３】
特開平１１−２５５５０１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記事情に対して、本発明は、燃焼室で発生する加熱ガスの熱を有効に利用し、サイズがコンパクトで起動性に優れ、コスト上の負担を軽減することのできる燃料改質装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料改質装置において、筒形断熱容器に内部空間を内包し、該内部空間の下部に上向き方向に火炎を発生するバーナを配置し、さらに上記内部空間に配置されると共に改質触媒を充填した第１の多重筒形容器を備え、上記筒型断熱容器の上部に空間を隔てて、高温域ＣＯ変成触媒を充填した筒形容器を配置し、上記筒型断熱容器及び上記筒形容器を内蔵する第２の多重筒形容器を設け、該第２の多重筒形容器の上部の管壁間には低温域ＣＯ変成触媒を充填し、下部の管壁間にはＣＯ除去触媒を充填したことを特徴とする。
【０００９】
後に説明する実施の形態に関する説明から了解されるように、筒形断熱容器は、好適には、内部が中空の円筒形状の断熱材である。第１の多重筒形容器は、図１の実施の形態に示すように金属容器であって、本体部分を金属二重管で構成することができる。高温域ＣＯ変成触媒を充填した筒形容器は、後の実施の形態にあるように、具体的には金属円筒管として構成することができる。第２の多重筒形容器は、金属二重管として実施することができる。なお、燃料改質装置は、改質装置、燃料改質器、又は改質器等の他の名称により指称されることがあるが、いずれも実質的に同一内容である。本明細書では、燃料改質装置と表現している。
【００１０】
本発明に係る燃料改質装置は、その周囲に断熱材を施工することが好適である。また、上記高温域ＣＯ変成触媒を充填した筒形容器の周囲に二重筒形管（金属二重管を設置し、該二重筒形管の管壁間に蛇管形状の伝熱管（蛇管チューブ）を配置し、伝熱管内部には改質反応に使用する水を冷却媒体として導入することが好適である。
【００１１】
また、本発明は、好適には、上記第１の多重筒形容器を二重管とし、該二重管の管壁間に直径の異なる二の筒形管（好適には金属円筒管）を配置し、直径の大きい一の筒形管と上記二重管の外側の管壁との間及び直径の小さい他方の筒形管と上記二重管の内側の管壁との間に改質触媒を充填し、該改質触媒からの改質ガスを上記高温域ＣＯ変成触媒を充填した筒形容器に送る流路を設け、上記バーナによって生成する加熱ガスを上記伝熱管を加熱するために流すための流路を設けた燃料改質装置として実施される。この形態に相当するのは、図１から図７の実施の形態である。
【００１２】
また、本発明は、他の実施の形態として、上記第１の多重筒形容器を二重管（好適には金属二重管）とし、該二重管の管壁間にさらに筒形管（好適には金属円筒管）を設け、二重管と筒形管との間に改質触媒を充填し、上記二重管の内部に形成される空間に下端の閉成した下端閉成筒形管（好適には金属円筒管）を設け、該下端閉成筒形管の内部にさらに下端開放筒形管（好適には金属円筒管）を設け、上記下端閉成筒形管と下端開放筒形管との間に触媒を充填し、改質触媒からの改質ガスを上記高温域ＣＯ変成触媒を充填した筒形容器に送る流路を設け、上記バーナによって生成する加熱ガスを伝熱管を加熱するために流すための流路を設けた燃料改質装置として実施される。この形態に相当するのは、図８の実施の形態である。
【００１３】
さらに、上記筒型断熱容器及び上記筒形容器を内蔵する第２の多重筒形容器を、二重管として構成し、該二重管の内側に、該二重管より径が小さい筒形管を隣接して設け、上記二重管と、上記筒形管の間に上記バーナに供給する空気を冷却媒体として導入することとすることもできる。またさらに、上記筒型断熱容器及び上記筒形容器を内蔵する第２の多重筒形容器を、二重管として構成し、該二重管の外側に、該二重管より径が大きい筒形管を隣接して設け、上記二重管と、上記筒形管の間に上記バーナに供給する空気を冷却媒体として導入することとすることもできる。
【００１４】
上記筒型断熱容器及び上記筒形容器を内蔵する第２の多重筒形容器を、二重管として構成し、該二重管の外側に、蛇管形状の伝熱管を配置することも本発明の実施の形態に含むことができる。本発明では、一般的に、伝熱管からの水蒸気及び／又は燃料を上記第１の多重筒形容器に送る流路を設ける。また、上記筒型断熱容器と、上記筒型断熱容器及び上記筒形容器を内蔵する第２の多重筒形容器との間に、上記伝熱管を加熱するために加熱ガスの流路を設けることが好適である。
さらに好適には、上記筒型断熱容器及び上記筒形容器を内蔵する第２の多重筒形容器の外側に加熱手段（好適には電気ヒータ）を巻回する。
上記伝熱管の配置された二重筒形管の管壁間に伝熱粒を充填することも好適である。この場合、上記伝熱管の配置された二重筒形管の内側の管壁に伝熱管を密着させ、伝熱管と二重筒形管の外側の管壁との間に伝熱粒を充填することが好適である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面に示した実施の形態を参照しながら、本発明に係る燃料改質装置をさらに詳細に説明する。
第１の実施の形態に係る燃料改質装置
図１は本発明に係る燃料改質装置について、第１の実施の形態を示す縦断面図である。
図１に示すように、本実施の形態に係る燃料改質装置は、中心軸を同一にして設けられた径の異なる複数の金属円筒管、断熱材を間隔を置いて多重に配置して構成される。
【００１６】
まず、この燃料改質装置は、内部が中空の円筒形状（筒型）のアルミナ系断熱材１を有する。図中、断熱材１は、中心線Ｌを中心として左右対称に現れており、部材そのものとしては、上下が開放された筒状のものである。該断熱材１の下端穴には、上向き方向に燃焼ガスを発生するためのバーナ２を配置している。さらに断熱材１の内部には、金属容器４を設置している。該金属容器４は、ステンレス等で構成され、内部に改質触媒３を充填している。金属容器４は、本体部分として金属二重管７を有し、内部に金属二重管５がさらに内蔵されている。
【００１７】
改質触媒３は、金属二重管５の内面、及び外面に一定の厚みを持たせて充填されている。金属二重管５を構成する内部管５ａは、その壁面の断面が下方では、中心線Ｌを挟んで対称に現れ、全体としては図中で断面コ字状に描かれている。すなわち、上端が閉成し、下端が開放された形状となっている。外側の管壁５ｂは、図では、上下が開放された筒状に現れている。
さらに、この実施の形態は、下部先端の閉じた金属二重管７を有し、その内部に金属二重管５が包含されるように構成している。この金属二重管７も中心線Ｌに関して、図中断面が左右対称に現れており、二重の壁で構成された筒形状に構成されている。二重壁自体は下端が閉成され、上端が開放されている。二重壁を構成する内側の内部管（内側の管壁）７ａと上記内部管（内側の管壁）５ａとの間、外側の外部管（外側の管壁）７ｂと上記外部管（外側の管壁）５ｂとの間に、改質触媒３が挟み込まれるように充填されている。なお、内部管５ａと外部管５ｂとは、二重管と見ることもできるが、各々独立した円筒管と見ることもできる。
【００１８】
この改質触媒３の上下の支持はパンチングプレート６で行っている。
この実施の形態では、さらに金属円筒管１１を有する。この金属円筒管１１は天板９に固定している。この金属円筒管１１は、中心線Ｌに関し、左右対称に断面が現れている。金属円筒管１１は、金属二重管７の内側を流れる加熱ガス８の流路を確保するためのものである。
【００１９】
本実施の形態では、ＨＴＳ触媒（高温域ＣＯ変成触媒）１５を改質触媒３の上部に設置している。該ＨＴＳ触媒１５は、４００℃で作動する触媒であり、改質触媒３を通過した改質ガス１４中のＣＯを変成し、水素を生成する（変成反応を行う）ためのものである。なお、ＨＴＳ触媒１５は、パンチングプレート１６ａによって支持されている。
【００２０】
本発明では、ＣＯシフト触媒として、ＨＴＳ触媒（ＣＯ変成触媒）及びＬＴＳ触媒（低温域ＣＯ低減触媒、ＣＯ変成触媒）を用いている。ＣＯシフト触媒は、燃料電池システムにおいて、改質器によって製造された水素含有ガス中のＣＯ濃度を低減する。燃料電池本体に入るまでにＣＯ濃度を１０ＰＰｍ以下にするため、ＬＴＳ出口ではＣＯ濃度を６％から２０００ｐｐｍ以下にまで低減させる。ＣＯシフト触媒には、上記したように３５０〜４５０℃前後の高温でシフト反応するＨＴＳ触媒と、２００℃前後の低温でシフト反応するＬＴＳ触媒の２種類がある。いずれもガス中の一酸化炭素と水蒸気から二酸化炭素と水素を生成するシフト反応を行う。Ｃｕ−ＺｎＯ系の触媒等を使用する。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋Ｈ₂
【００２１】
ＨＴＳ触媒１５は金属円筒管１６の内部に充填される。該金属円筒管１６は、金属二重管５の外部管５ｂと連続してその上方に設けられている。図示のように上端が開放された形態に構成されている。金属円筒管１６には、それより内径が大きい金属円筒管１８が同心円状に配置されている。この金属円筒管１８は、後述するように、ＨＴＳ触媒１５を通過して、一部のＣＯがＨ₂に変成された改質ガス１７を下方向に導びく役割を果たす。このため、金属円筒管１８の上端は、図示のように閉成されている。
【００２２】
さらに、金属円筒管１８の外周には、金属二重管２０が取り巻いている。該金属二重管２０は、金属二重管１８によって下方に導かれた改質ガス１７がその内部に流れ込めるように構成されている。金属二重管２０の上端は、その左側の管壁断面に示されるように上端が閉成されている。そして、右側の管壁断面に示すように改質ガス用のバイパス２２が少なくとも１箇所設けられている。
そして、金属二重管２０の管壁内部には、蛇管チューブ１９が収納されている。後述するように、この管壁内部の空間で改質ガスは下方から上方に向かい、バイパス２２から流出する。蛇管チューブ１９に流入する改質原料となるプロセス水２１は、改質ガスと熱交換する。
【００２３】
また、金属二重管２０と金属円筒管１８との間には、断熱材２４を設けて蛇管チューブ１９が直接、ＨＴＳ触媒１５を冷却することを防いでいる。これによって、ＨＴＳ触媒１５の半径方向に温度分布を作らないように構成している。温度分布が発生すると、ＨＴＳ触媒１５の作動温度３５０〜４５０℃の範囲以下の部分のガスがＣＯ変成されずに通過する可能性があるからである。
【００２４】
プロセス水２１は、改質ガス１７を冷却する量しか流入しないので、改質に必要なプロセス水全量に至らない。そこで、蛇管チューブ１９に併設するように金属二重管２５を設置し、その内部に蛇管チューブａを設け、これにプロセス水２６を上方から流入するように構成している。なお、金属二重管２５の一方の円筒壁は、下方で断熱材１を取り巻く円筒を構成している。
なおまた、プロセス水２６は、後述するようにガス穴１０を通過した加熱ガス２７と熱交換して蒸気となる。
本実施の形態では、ミキサー２８を設け、プロセス水２１，２６の双方の蒸気を混合することとしている。
【００２５】
バイパス２２を通過した改質ガス２９は、約２００℃で作動するＣＯ変成触媒、ＬＴＳ触媒（低温域ＣＯ低減触媒、ＣＯ変成触媒）３０に流入することができるように構成されている。ＬＴＳ触媒３０は、金属二重管３１の内部空間に充填されている。このＬＴＳ触媒３０では、改質ガス２９中のＣＯ濃度を例えば、６％から２０００ｐｐｍ程度に低減する。金属二重管３１も、前述した他の二重管と同様、中心線Ｌを中心とした円筒形状に構成されており、中心線Ｌを中心として、図中左右に断面が現れている。
【００２６】
さらに、ＬＴＳ触媒３０の後流には、金属二重管３１の外側に金属円筒管３２を設け、その間隙３３に冷却用空気３４を流入することができるように構成している。
ＬＴＳ触媒３０を経た改質ガス３６には、取り出されて、微量の空気３７を混入し、ＰＲＯＸ触媒３５に流入することができるように構成している。このための取出口３１ａ・流入口３８ａを備える。
【００２７】
ＰＲＯＸ触媒３５は、金属三重管３８の２つの間隙に設置する。このことによりＰＲＯＸ触媒３５の（触媒長さ／流路断面積）が大きくとれて、安定した反応が期待できる。金属三重管３８も、前述した他の二重管と同様、中心線Ｌを中心とした円筒形状に構成されており、中心線Ｌを中心として、図中左右に断面が現れている。なお、金属三重管３８は、金属二重管又は金属四重管以上の多重管としても構成することができる。
【００２８】
ＰＲＯＸ触媒３５としては、改質ガス中のＣＯを選択的に酸化し得る触媒であれば特に限定はなく、例えばＲｕ系などの金属触媒が用いられる。
ＰＲＯＸ触媒３５中では、改質ガス中のＣＯを選択的に酸化して、ＣＯ濃度を例えば２０００ｐｐｍから１０ｐｐｍに低減する。その反応で発生する反応熱は、金属三重管３８の外側には、金属円筒管３９が設けられ、それらの間隙４０に冷却用空気４１を流入することができるように構成している。この金属円筒管３９も、中心線Ｌを中心とした円筒形状に構成されており、中心線Ｌを中心として、図中左右に断面が現れている。
【００２９】
流出口３８ｂは、ＣＯ除去された改質ガス４２を流出させるための出口である。
ＬＴＳ触媒３０、ＰＲＯＸ触媒３５を充填した容器の周囲、及びＨＴＳ触媒１５の上部には、断熱材４３を設置している。
この断熱材４３は、外部への放熱を低減するためのものである。断熱材４３としてはマイクロサーム、ケイ酸カルシウム、アルミナファイバなど、断熱効果の高いものを使用する。
【００３０】
本実施の形態に係る燃料改質装置を起動するには、まず改質触媒３を４００℃〜７００℃に、ＨＴＳ触媒１５を４００℃に、ＬＴＳ触媒３０を２００℃に、ＰＲＯＸ触媒３５を１５０℃に昇温する必要がある。
改質触媒３はバーナ２の加熱ガス８で容易に昇温することが可能である。また、ＨＴＳ触媒１５も、改質触媒３を通過する水蒸気などで容易に昇温できる。
ここで、起動時に発生する改質ガス４２中のＣＯ濃度を最終的に低減するのは、ＬＴＳ触媒３０とＰＲＯＸ触媒３５である。すなわち、これらの触媒をいかに作動温度まで昇温するかが重要である。
【００３１】
本実施の形態では、ＬＴＳ触媒３０とＰＲＯＸ触媒３５の容器の外側に、電気ヒータ４４を設置している。これによって、温度管理をしながら所定温度まで昇温することができる。
以上、本実施の形態に係る燃料改質装置の主だった構成要素を説明した。生成される改質ガスは、所定の流路以外に漏洩せず、また、改質ガス以外の原料以外は流入することがないように構成している。また、図中、断面表記上一見して一体に構成されている部材（金属二重管等）は、製造上の都合に適合させ、複数の部材を組み合わせ、接合して構成することができる。なお、改質触媒３、ＨＴＳ触媒１５、ＬＴＳ触媒３０、ＰＲＯＸ触媒３５は、断面表記上粒状物が上下に一部だけ描かれているが、実際には、上下にわたって充填されている。
【００３２】
次に、上記構成の本発明に係る燃料改質装置について、その作用を、構成要素について説明を補充しつつさらに詳細に説明する。
【００３３】
まず、バーナ２からの加熱ガス８は金属二重管７の内面及び外面を加熱するように下から上方向へ流れる。すなわち、内面と外面の二面を加熱する。この加熱ガス８の流量分配は、金属二重管５、７を固定している天板９に設けたガス穴１０の流路断面積により調整する。また、金属円筒管１１によって金属二重管７の内側を流れる加熱ガス８の流路を確保することができる。なお、加熱ガス８はガス穴付近で約５００℃となる。
【００３４】
改質の原料となる水蒸気＋１３Ａなどの燃料混合気１２は天板９に設けた流入口１３から改質触媒３の上部へ約４００℃で流入する。この混合気１２は改質触媒３中を下方向に流れながら、反応に必要な熱を上方向に流れる加熱ガス８から受け取り、水素を含むガスである改質ガス１４となる。
【００３５】
改質ガス１４は、金属二重管５の間隙を通って上方向に流れて、４００℃で作動するＨＴＳ触媒１５に流入する。改質触媒３を通過した改質ガス１４は、ＨＴＳ触媒１５の下部から流入し、上方に通過する。その過程で改質ガス１４中のＣＯを水素に変成する。ＨＴＳ触媒１５を通過して、一部のＣＯがＨ₂に変成された改質ガス１７は、金属円筒管１８により下方向に導かれ、金属二重管２０の下部から流入し、上方に流れて行く。その間、改質ガス１７は蛇管チューブ１９に流入する改質原料となるプロセス水２１と熱交換して、約２００℃まで冷却され、次の触媒へ導く複数本のバイパス２２に流入する。
【００３６】
プロセス水２１は熱交換後、水蒸気２３となり、水と燃料との混合気１２となって改質触媒３に流入される。ここで、断熱材２４により、蛇管チューブ１９が直接、ＨＴＳ触媒１５を冷却して、触媒の半径方向に温度分布をつくらいないようにする。温度分布が発生すると、ＨＴＳ触媒１５の作動温度３５０〜４００℃の範囲以下の部分のガスがＣＯ変成されずに通過する可能性があるからである。
【００３７】
前述のプロセス水２１は、改質ガス１７を冷却する量しか流入しないので、改質に必要なプロセス水全量に至らない。そこで、蛇管チューブ２５ａにプロセス水２６を上方から流入する。このプロセス水２６は、加熱ガス８に由来する加熱ガス２７と熱交換して蒸気となり、ミキサー２８で前述の水蒸気２３と混合され、改質触媒３に流入される。
【００３８】
バイパス２２を通過した改質ガス２９は、約２００℃で作動するＬＴＳ触媒３０に流入する。ＬＴＳ触媒３０では、改質ガス２９中のＣＯ濃度を例えば、６％から２０００ｐｐｍ程度に低減する。ＬＴＳ触媒３０の後流では、金属二重管３１とその外側の円筒管３２との間隙３３に冷却用空気３４を流入し、ＬＴＳ触媒３０中の改質ガスを、後流のＰＲＯＸ触媒３５の作動温度、例えば１５０℃の改質ガス３６に冷却する。
【００３９】
この改質ガス３６は、微量の空気３７を混入したのち、ＰＲＯＸ触媒３５に流入する。ＰＲＯＸ触媒３５中では、改質ガス中のＣＯを選択的に酸化して、ＣＯ濃度を例えば２０００ｐｐｍから１０ｐｐｍに低減する。その反応で発生する反応熱は、金属三重管３８と、その外側に設けた金属円筒管３９との間隙４０に冷却用空気４１を流入することで冷却する。
ＣＯ除去された改質ガス４２は、燃料電池に流入され、発電することができる。
【００４０】
本実施の形態に係る燃料改質装置では、メタン、都市ガス、灯油などの炭化水素系燃料を改質燃料に使用する。これら燃料の投入方法は、プロセス水２６に同伴して蛇管チューブ２５ａでプロセス水２６と共に蒸発気化せるか、又は、燃料単独でミキサー２８に流入し、水蒸気２３と混合して、水と燃料との混合気１２にして改質触媒３に流入する。
【００４１】
なお、前述したように、ＬＴＳ触媒３０とＰＲＯＸ触媒３５の容器の外側に設置した電気ヒータ４４により、温度管理をしながらこれらの触媒を所定温度まで昇温する。
また、定常運転時では蛇管チューブａと熱交換後の加熱ガス４５は、排気管４６から系外を排出する。しかし、起動の時は、バルブ４７を閉じて、ＬＴＳ触媒３０、ＰＲＯＸ触媒３５と断熱材１の間に設けた間隙４８に加熱ガス４９を流し、ＬＴＳ触媒３０とＰＲＯＸ触媒３５を昇温する。昇温後の加熱ガス４９は排気管５０から系外に排気する。起動終了後はバルブ５１を閉じ、バルブ４７を開開いて、加熱ガス４５を排気管４６から排出する。
【００４２】
ＬＴＳ触媒３０を冷却した冷却用空気３４とＰＲＯＸ触媒３５を冷却した冷却用空気４１はバーナ用二次空気５２として、混合後、バーナ２へ供給する。この方法で、ＬＴＳ触媒３０とＰＲＯＸ触媒３５から回収した熱を改質触媒３の加熱に再利用できるので効率の向上を図ることができる。
【００４３】
第２の実施の形態に係る燃料改質装置
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料改質装置を縦断面図として示す図である。
以下、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と異なる点について主に説明し、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と同一又は共通する点については、特に必要がある場合を除き、説明を省略している。また、図１について説明したものと同一又は共通する構成要素については、同一の参照番号を付している。
【００４４】
本実施の形態では、プロセス水２６を第１とは別の位置に蛇管チューブ２５ａを設置する。すなわち、断熱材１の上部に金属二重管５４を設け、プロセス水２６を蒸発させる蛇管チューブ２５ａをその間隙に収めている。また、断熱材１の下方には、金属二重管５４に連続するように金属円筒管２５（図１の金属二重管２５の外部側のみのもの）と、金属円筒管５５とで間隙を形成し、蛇管チューブ２５ａを係る間隙に収めている。なお、金属二重管５４、金属円筒管５５は、共に、左右の断面が図中に現れている。
【００４５】
改質触媒３を充填した金属容器４の表面を加熱した加熱ガス２７は、ガス穴１０を通過したのち、流れ方向を反転して金属二重管５４の間隙を下方向に流れる。この間、加熱ガス２７は、金属二重管５４の内側管５４ａを介して再度加熱昇温される。その状態で蛇管チューブ２５ａを加熱して、内部を流れるプロセス水２６を蒸発させる。蒸発したプロセス水はミキサー２８に流入する。
この実施の形態では、加熱ガス２７を再度加熱昇温することにより、同じ熱量を蛇管チューブ２５ａに与える場合でも、加熱ガス２７のガス流量を低減することができ、ブロアなどの動力を低減できる。
【００４６】
第３の実施の形態に係る燃料改質装置
図３は、本発明の第３の実施の形態に係る燃料改質装置を縦断面図として示す図である。
以下、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と異なる点について主に説明し、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と同一又は共通する点については、特に必要がある場合を除き、説明を省略している。また、図１について説明したものと同一又は共通する構成要素については、同一の参照番号を付している。
【００４７】
この実施の形態では、蛇管チューブ２５ａで蒸発させたプロセス水２６をミキサー２８に流入するのではなく、蛇管チューブ１９に流入させるようにしている。
この実施の形態では、蛇管チューブ２５ａと１９へ各々のプロセス水２６と２１を別々に流入する必要がなく、補機である水ポンプの動力低減、補機点数を低減することが可能となる。また、蛇管チューブ２５ａ内のプロセス水２６は過熱蒸気ではなく、例えば１００℃の飽和蒸気になるので、温度が低減され、加熱ガス２７との熱交換性能がさらに向上する利点もある。
なお、この実施の形態では、さらに図２の実施の形態の蛇管チューブ２５ａと併用することもできる。
【００４８】
第４の実施の形態に係る燃料改質装置
図４は、本発明の第４の実施の形態に係る燃料改質装置を縦断面図として示す図である。
以下、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と異なる点について主に説明し、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と同一又は共通する点については、特に必要がある場合を除き、説明を省略している。また、図１について説明したものと同一又は共通する構成要素については、同一の参照番号を付している。
【００４９】
この実施の形態では、ＰＲＯＸ触媒３５を金属三重管３８の外側に設置している。そして、ＬＴＳ触媒３０を通過した改質ガス３６にＰＲＯＸ反応用の空気３７を混合した後、三重円筒管３８の一番内側の間隙を下方向の流入させている。三重円筒管３８の外側の間隙には下方向に冷却用空気４１を流入して改質ガス３６を例えば２５０℃から１５０℃まで冷却している。冷却された改質ガス３６を上方向に折返しＰＲＯＸ触媒３５に流入するようにしている。また、冷却用空気４１はバーナ用二次空気５２としてバーナ２に流入させている。
この実施の形態では、冷却用空気４１が、改質ガス３６を冷却すると同時にＰＲＯＸ触媒３５の内部反応熱も冷却できる。
この実施の形態は、図１〜図３の実施の形態においても実施することができる。
【００５０】
第５の実施の形態に係る燃料改質装置
図５は、本発明の第５の実施の形態に係る燃料改質装置を縦断面図として示す図である。
以下、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と異なる点について主に説明し、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と同一又は共通する点については、特に必要がある場合を除き、説明を省略している。また、図１について説明したものと同一又は共通する構成要素については、同一の参照番号を付している。
【００５１】
この実施の形態では、蛇管チューブ５６、５７を設けている。
そして、プロセス水５８を蛇管チューブ５６に流し、ＬＴＳ触媒３０を通過する改質ガス３６を例えば２５０℃から１５０℃に冷却している。熱交換したプロセス水５８は水蒸気５９となり、連絡管６０により、ミキサー２８に流入させる。また、ＰＲＯＸ触媒３５での発熱を蛇管チューブ５７に流入したプロセス水６１で冷却し、発生した水蒸気６２を連絡管６３によりミキサー２８に流入している。
この、実施の形態は、蛇管チューブ２５ａに流入するプロセス水２６を低減でき、その分、このプロセス水２６を加熱する燃料を節約できるといった効果を有する。
この実施の形態は、図１〜図３の実施の形態においても実施することができる。
【００５２】
第６の実施の形態に係る燃料改質装置
図６は、本発明の第６の実施の形態に係る燃料改質装置を縦断面図として示す図である。
以下、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と異なる点について主に説明し、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と同一又は共通する点については、特に必要がある場合を除き、説明を省略している。また、図１について説明したものと同一又は共通する構成要素については、同一の参照番号を付している。
【００５３】
この実施の形態では、蒸発器の蛇管チューブ２５ａと金属二重管２５との間隙に例えば直径３ｍｍのアルミナセラミック、ステンレスボールなどの伝熱球体６３を充填している。この伝熱球体６０により、伝熱球体（伝熱粒）６３間を通過する加熱ガス２７からの熱を効率よく回収し、その熱を蛇管チューブ２５ａに効率よく伝熱することで、蒸発器の効率が向上する。なお、この伝熱球体６３を充填することで加熱ガス２７の圧力損失が増大するので、適用の際は、補機動力の強化が必要である。
なお、本実施の形態は、図１〜図５の実施の形態においても実施することができる。
【００５４】
第７の実施の形態に係る燃料改質装置
図７は、本発明の第７の実施の形態に係る燃料改質装置を縦断面図として示す図である。
以下、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と異なる点について主に説明し、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と同一又は共通する点については、特に必要がある場合を除き、説明を省略している。また、図１について説明したものと同一又は共通する構成要素については、同一の参照番号を付している。
【００５５】
図６の実施の形態と同様に、本実施の形態では、伝熱球体６３を備える。本実施の形態では、蛇管チューブ２５ａを金属二重管２５の内側管２５ｂに密着設置し、加熱ガス２７が蛇管チューブ２５ａと金属二重管２５の外側管の間のみ流れるようにしている。この間隙に伝熱球体６３を設置している。
本実施の形態では、上記図７の実施の形態と比較すると熱回収効率が低減するものの、圧損も少なく伝熱球体６３の熱容量を低減することができ、蛇管チューブ２５ａ内部のプロセス水２６の蒸発の際の負荷応答性が向上する。
なお、本実施の形態は、図１〜５の実施の形態においても実施することができる。
【００５６】
第８の実施の形態に係る燃料改質装置
図８は、本発明の第６の実施の形態に係る燃料改質装置を縦断面図として示す図である。
以下、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と異なる点について主に説明し、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と同一又は共通する点については、特に必要がある場合を除き、説明を省略している。また、図１について説明したものと同一又は共通する構成要素については、同一の参照番号を付している。
【００５７】
本実施の形態では、下端を閉成した金属二重管７１、下端を閉成した金属円筒管７２、下端を開放した金属円筒管７３、７４を用いている。これらの管は、いずれも中心線Ｌを中心として左右対称に現れる。また、金属円筒管１１の下端も閉成している。
この実施の形態では、金属二重管７１の内部管７１ａと金属円筒管７４との間及び金属円筒管７２と金属円筒管７３との間に改質触媒３を充填している。
【００５８】
加熱ガス８は、ガス流路７５を通過し、改質触媒３を加熱する。加熱を終了した加熱ガス８はガス穴１０を通過する。改質触媒３を通過した改質ガス１４は折り返して改質触媒３に隣接する流路７６、７７を通過して例えば７００℃から４５０℃に冷却され、その熱を改質触媒３に伝える。これにより、加熱ガス８へ与える熱量を低減できる。
【００５９】
他の実施の形態
本発明に係る燃料改質装置は、上記の実施の形態について説明したが、本発明は、このような実施の形態に限定されるものではなく、当業者にとって自明な修飾・変更・付加は、全て本発明の技術的範囲に含まれる。
【００６０】
【発明の効果】
上記したところから明らかなように、本発明による燃料改質装置は、燃焼室で発生する加熱ガスの熱を有効に利用し、サイズがコンパクトで起動性に優れ、コスト上の負担を軽減することができる。すなわち、改質触媒を充填した円筒管を内外の２面から加熱ガスで加熱することができ、しかも、加熱ガス及び改質ガスの流路を上記のように構成することによって、熱効率の良い熱交換を行っている。さらに、起動時に加熱ガスによって、ＬＴＳ触媒、ＰＲＯＸ触媒等の触媒を加熱して起動性を高めることができる等多くの利点を備えている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料改質装置について、第１の実施の形態を示す縦断面図である。
【図２】本発明に係る燃料改質装置について、第２の実施の形態を示す縦断面図である。
【図３】本発明に係る燃料改質装置について、第３の実施の形態を示す縦断面図である。
【図４】本発明に係る燃料改質装置について、第４の実施の形態を示す縦断面図である。
【図５】本発明に係る燃料改質装置について、第５の実施の形態を示す縦断面図である。
【図６】本発明に係る燃料改質装置について、第６の実施の形態を示す縦断面図である。
【図７】本発明に係る燃料改質装置について、第７の実施の形態を示す縦断面図である。
【図８】本発明に係る燃料改質装置について、第８の実施の形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１断熱材
２バーナ
３改質触媒
４金属容器
５金属二重管
６パンチングプレート
７金属二重管
８加熱ガス９天板１１金属円筒管１４改質ガス１５ＨＴＳ触媒１６金属円筒管１８金属円筒管２０金属円筒管２４断熱材２５金属二重管２５ａ蛇管チューブ２６プロセス水２７加熱ガス２８ミキサー２９改質ガス３０ＬＴＳ触媒３１金属二重管３４冷却用空気３５ＰＲＯＸ触媒３６改質ガス３８金属三重管３９金属円筒管４１冷却用空気４２改質ガス４３断熱材４４電気ヒータ４５加熱ガス４６排気管４７バルブ５２二次空気５４金属二重管５５金属円筒管５６蛇管チューブ５７蛇管チューブ５８プロセス水５９水蒸気６０連絡管６１プロセス水６２水蒸気６３伝熱球体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel reformer for obtaining hydrogen gas from fuel.
[0002]
[Prior art]
In recent years, fuel cells have attracted attention, and fuel reformers for obtaining hydrogen gas used in fuel cells have been proposed.
However, the conventional fuel reformer has the following points to be improved.
[0003]
First, in the fuel reformer, the fuel is burned in the combustion chamber in order to ensure the reaction temperature. In such a combustion chamber, high-temperature gas of about 900 ° C. convects, so it is necessary to increase the thickness of the heat insulating material, which increases the size, further increases the heating capacity during startup, and lengthens the startup time. The starting fuel consumption has been increased. For example, in a type in which a plurality of reforming pipes are used to improve output and such a reforming pipe is built in a combustion chamber surrounded by a heat insulating material (JP-A-5-170402, etc.), such a drawback Had.
[0004]
The fuel reformer described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-255501 has a single reforming tube, but since the surface for heating the reforming tube is one surface, it is necessary to increase the heating area when the output is increased. However, it does not overcome the difficulty of increasing the internal combustion space and increasing the size of the apparatus.
[0005]
On the other hand, in the fuel reformer described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-255501, the reformed gas generated from the reforming pipe flows into a separate CO converter. However, this type also has a drawback in that the size of the entire apparatus increases because the CO transformer is separately provided. In addition, there is a problem that the amount of construction such as connection piping increases because of separate installation.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-5-170402
[Patent Document 2]
JP-A-11-255501
[Patent Document 3]
JP-A-11-255501
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above circumstances, the present invention provides a fuel reformer that effectively utilizes the heat of the heated gas generated in the combustion chamber, is compact in size, has excellent startability, and can reduce the cost burden. The purpose is to do.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel reformer in which a cylindrical heat insulating container encloses an internal space, and a burner that generates a flame in an upward direction is disposed at a lower portion of the internal space. A first multi-cylindrical container that is disposed in a space and filled with a reforming catalyst, a tubular container that is filled with a high-temperature region CO shift catalyst is disposed at an upper portion of the tubular heat-insulating container, A second multi-tubular container containing the cylindrical heat-insulating container and the cylindrical container is provided, and a space between upper tube walls of the second multi-tubular container is provided.Low temperature CO conversion catalystAnd the space between the lower tube walls is filled with a CO removal catalyst.
[0009]
As will be understood from the description of the embodiment described later, the cylindrical heat insulating container is preferably a cylindrical heat insulating material having a hollow inside. The first multi-tubular container is a metal container as shown in the embodiment of FIG. 1, and the main body portion can be formed of a metal double tube. The cylindrical container filled with the high-temperature region CO conversion catalyst can be specifically configured as a metal cylindrical tube, as described later. The second multi-tubular container can be implemented as a metal double tube. The fuel reformer may be designated by another name such as a reformer, a fuel reformer, or a reformer, but all have substantially the same contents. In this specification, it is expressed as a fuel reformer.
[0010]
In the fuel reformer according to the present invention, it is preferable to install a heat insulating material around the fuel reformer. In addition, a double cylindrical pipe (metal double pipe is installed around the cylindrical container filled with the high temperature region CO conversion catalyst, and a serpentine heat transfer pipe (conical pipe tube is provided between the pipe walls of the double cylindrical pipe. It is preferable that water used for the reforming reaction is introduced into the heat transfer tube as a cooling medium.
[0011]
In the present invention, preferably, the first multiple cylindrical container is a double pipe, and two cylindrical pipes (preferably metal cylindrical pipes) having different diameters are provided between the pipe walls of the double pipe. The reforming catalyst is disposed between one cylindrical tube having a large diameter and the outer wall of the double tube, and between the other cylindrical tube having a smaller diameter and the inner wall of the double tube. And a flow path for sending the reformed gas from the reforming catalyst to the cylindrical container filled with the high temperature range CO conversion catalyst is provided, and the heating gas generated by the burner is flowed to heat the heat transfer tube This is implemented as a fuel reformer provided with a flow path for the purpose. The embodiment shown in FIGS. 1 to 7 corresponds to this embodiment.
[0012]
In another embodiment of the present invention, the first multiple cylindrical container is a double pipe (preferably a metal double pipe), and a cylindrical pipe (preferably between the pipe walls of the double pipe ( Preferably, a metal cylindrical tube) is provided, a reforming catalyst is filled between the double tube and the cylindrical tube, and a lower end closed cylindrical shape in which a lower end is closed in a space formed inside the double tube. A pipe (preferably a metal cylindrical pipe) is provided, and a lower end open cylindrical pipe (preferably a metal cylindrical pipe) is further provided inside the lower end closed cylindrical pipe, and the lower end closed cylindrical pipe and the lower end open cylinder are provided. A catalyst is filled between the pipe and a flow path for sending the reformed gas from the reforming catalyst to the cylindrical container filled with the high temperature region CO conversion catalyst, and the heating gas generated by the burner is connected to the heat transfer pipe. It is implemented as a fuel reformer provided with a flow path for flowing for heating. This embodiment corresponds to the embodiment shown in FIG.
[0013]
Further, the cylindrical heat insulating container and the second multiple cylindrical container containing the cylindrical container are configured as a double pipe, and a cylindrical pipe having a smaller diameter than the double pipe is formed inside the double pipe. Can be provided adjacent to each other, and air supplied to the burner can be introduced as a cooling medium between the double pipe and the cylindrical pipe. Still further, the cylindrical heat insulating container and the second multiple cylindrical container containing the cylindrical container are configured as a double pipe, and a cylindrical shape having a larger diameter than the double pipe outside the double pipe. A pipe may be provided adjacently, and air supplied to the burner may be introduced as a cooling medium between the double pipe and the cylindrical pipe.
[0014]
The cylindrical heat insulating container and the second multiple cylindrical container containing the cylindrical container are configured as a double pipe, and a serpentine heat transfer pipe is disposed outside the double pipe. It can be included in the embodiment. In the present invention, generally, a flow path for supplying water vapor and / or fuel from the heat transfer tube to the first multi-tubular container is provided. Also, a heating gas flow path is provided between the cylindrical heat insulating container and the second heat insulating tube and the second multi-cylindrical container containing the cylindrical container. Is preferred.
More preferably, a heating means (preferably an electric heater) is wound around the outer side of the cylindrical heat insulating container and the second multiple cylindrical container containing the cylindrical container.
It is also preferable to fill the heat transfer particles between the tube walls of the double cylindrical tube in which the heat transfer tubes are arranged. In this case, the heat transfer tube is brought into close contact with the inner tube wall of the double cylindrical tube where the heat transfer tube is arranged, and the heat transfer particles are filled between the heat transfer tube and the outer tube wall of the double cylindrical tube. Is preferred.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a fuel reformer according to the present invention will be described in more detail with reference to embodiments shown in the accompanying drawings.
Fuel reformer according to the first embodiment
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a first embodiment of a fuel reformer according to the present invention.
As shown in FIG. 1, the fuel reformer according to the present embodiment is configured by arranging a plurality of metal cylindrical tubes having different diameters with the same central axis and multiple heat insulating materials at intervals. Is done.
[0016]
First, this fuel reformer has an alumina heat insulating material 1 having a hollow cylindrical shape (tubular shape). In the drawing, the heat insulating material 1 appears symmetrically with respect to the center line L, and the member itself is a cylinder having an open top and bottom. A burner 2 for generating combustion gas in the upward direction is disposed in the lower end hole of the heat insulating material 1. Furthermore, a metal container 4 is installed inside the heat insulating material 1. The metal container 4 is made of stainless steel or the like and has the reforming catalyst 3 filled therein. The metal container 4 has a metal double tube 7 as a main body portion, and a metal double tube 5 is further incorporated therein.
[0017]
The reforming catalyst 3 is filled with a certain thickness on the inner and outer surfaces of the metal double tube 5. The inner pipe 5a constituting the metal double pipe 5 appears symmetrically with respect to the center line L in the lower section of the wall surface, and is drawn in a U-shaped section in the drawing as a whole. That is, the upper end is closed and the lower end is opened. In the drawing, the outer tube wall 5b appears in a cylindrical shape with its top and bottom open.
Furthermore, this embodiment has a metal double tube 7 closed at the lower end, and is configured such that the metal double tube 5 is included therein. The metal double pipe 7 also has a cross section in the figure symmetrically with respect to the center line L, and is formed in a cylindrical shape constituted by double walls. The double wall itself has a lower end closed and an upper end open. Between the inner inner tube (inner tube wall) 7a constituting the double wall and the inner tube (inner tube wall) 5a, the outer outer tube (outer tube wall) 7b and the outer tube (outer tube) The reforming catalyst 3 is filled so as to be sandwiched between the pipe wall 5b. The inner tube 5a and the outer tube 5b can be viewed as double tubes, but can also be viewed as independent cylindrical tubes.
[0018]
The upper and lower supports of the reforming catalyst 3 are performed by a punching plate 6.
In this embodiment, a metal cylindrical tube 11 is further provided. This metal cylindrical tube 11 is fixed to the top plate 9. The metal cylindrical tube 11 has a left-right symmetrical section with respect to the center line L. The metal cylindrical tube 11 is for securing a flow path of the heated gas 8 flowing inside the metal double tube 7.
[0019]
In the present embodiment, an HTS catalyst (high temperature region CO shift catalyst) 15 is installed above the reforming catalyst 3. The HTS catalyst 15 is a catalyst that operates at 400 ° C., and is for converting CO in the reformed gas 14 that has passed through the reforming catalyst 3 to generate hydrogen (performing a shift reaction). The HTS catalyst 15 is supported by the punching plate 16a.
[0020]
In the present invention, an HTS catalyst (CO shift catalyst) and an LTS catalyst (low temperature region CO reduction catalyst, CO shift catalyst) are used as the CO shift catalyst. The CO shift catalyst reduces the CO concentration in the hydrogen-containing gas produced by the reformer in the fuel cell system. In order to reduce the CO concentration to 10 PPm or less before entering the fuel cell main body, the CO concentration is reduced from 6% to 2000 ppm or less at the LTS outlet. As described above, there are two types of CO shift catalysts: an HTS catalyst that performs a shift reaction at a high temperature of about 350 to 450 ° C. and an LTS catalyst that performs a shift reaction at a low temperature of about 200 ° C. Both perform a shift reaction that produces carbon dioxide and hydrogen from carbon monoxide and water vapor in the gas. A Cu—ZnO-based catalyst or the like is used.
CO + H₂O → CO₂+ H₂
[0021]
The HTS catalyst 15 is filled in the metal cylindrical tube 16. The metal cylindrical tube 16 is provided continuously above the outer tube 5 b of the metal double tube 5. As shown in the figure, the upper end is open. A metal cylindrical tube 18 having a larger inner diameter is arranged concentrically on the metal cylindrical tube 16. As will be described later, this metal cylindrical tube 18 passes through the HTS catalyst 15 and a part of CO is H.₂It plays a role of guiding the reformed gas 17 transformed into the downward direction. For this reason, the upper end of the metal cylindrical tube 18 is closed as shown in the figure.
[0022]
Further, a metal double tube 20 is surrounded on the outer periphery of the metal cylindrical tube 18. The metal double pipe 20 is configured such that the reformed gas 17 guided downward by the metal double pipe 18 can flow into the inside thereof. The upper end of the metal double tube 20 is closed as shown in the tube wall cross section on the left side. At least one bypass 22 for the reformed gas is provided as shown in the right-side pipe wall cross section.
A serpentine tube 19 is housed inside the tube wall of the metal double tube 20. As will be described later, in the space inside the tube wall, the reformed gas flows upward from the lower side and flows out from the bypass 22. The process water 21 that is the reforming raw material flowing into the serpentine tube 19 exchanges heat with the reformed gas.
[0023]
Further, a heat insulating material 24 is provided between the metal double tube 20 and the metal cylindrical tube 18 to prevent the serpentine tube 19 from directly cooling the HTS catalyst 15. Thus, a temperature distribution is not formed in the radial direction of the HTS catalyst 15. This is because, when the temperature distribution is generated, the gas in the portion below the operating temperature of 350 to 450 ° C. of the HTS catalyst 15 may pass through without being CO transformed.
[0024]
Since the process water 21 flows only in an amount for cooling the reformed gas 17, it does not reach the total amount of process water required for reforming. Therefore, a metal double pipe 25 is installed so as to be provided alongside the serpentine tube 19, and a serpentine tube a is provided therein, and the process water 26 flows into this from above. In addition, one cylindrical wall of the metal double tube 25 constitutes a cylinder surrounding the heat insulating material 1 below.
In addition, the process water 26 exchanges heat with the heated gas 27 that has passed through the gas hole 10 as described later, and becomes steam.
In the present embodiment, a mixer 28 is provided to mix both steams of the process water 21 and 26.
[0025]
The reformed gas 29 that has passed through the bypass 22 is configured to be able to flow into a CO conversion catalyst, LTS catalyst (low temperature region CO reduction catalyst, CO conversion catalyst) 30 that operates at about 200 ° C. The LTS catalyst 30 is filled in the internal space of the metal double tube 31. In the LTS catalyst 30, the CO concentration in the reformed gas 29 is reduced from, for example, 6% to about 2000 ppm. Similarly to the other double tubes described above, the metal double tube 31 is also formed in a cylindrical shape with the center line L as the center, and cross sections appear on the left and right in the figure with the center line L as the center.
[0026]
Further, a metal cylindrical tube 32 is provided on the downstream side of the LTS catalyst 30 outside the metal double tube 31 so that the cooling air 34 can flow into the gap 33.
The reformed gas 36 that has passed through the LTS catalyst 30 is taken out and mixed with a small amount of air 37 so that it can flow into the PROX catalyst 35. For this purpose, an outlet 31a and an inlet 38a are provided.
[0027]
The PROX catalyst 35 is installed in the two gaps of the metal triple tube 38. As a result, the (catalyst length / flow passage cross-sectional area) of the PROX catalyst 35 can be increased, and a stable reaction can be expected. Similarly to the other double tubes described above, the metal triple tube 38 is also formed in a cylindrical shape with the center line L as the center, and cross sections appear on the left and right in the figure with the center line L as the center. The metal triple tube 38 can also be configured as a metal double tube or a multi-tube more than a metal quadruple tube.
[0028]
The PROX catalyst 35 is not particularly limited as long as it is a catalyst that can selectively oxidize CO in the reformed gas. For example, a Ru-based metal catalyst is used.
In the PROX catalyst 35, CO in the reformed gas is selectively oxidized to reduce the CO concentration from, for example, 2000 ppm to 10 ppm. The reaction heat generated by the reaction is provided with a metal cylindrical tube 39 outside the metal triple tube 38 so that the cooling air 41 can flow into the gap 40 therebetween. The metal cylindrical tube 39 is also configured in a cylindrical shape with the center line L as the center, and cross sections appear on the left and right in the figure with the center line L as the center.
[0029]
The outlet 38b is an outlet for allowing the reformed gas 42 from which CO has been removed to flow out.
A heat insulating material 43 is installed around the container filled with the LTS catalyst 30 and the PROX catalyst 35 and on the HTS catalyst 15.
The heat insulating material 43 is for reducing heat radiation to the outside. As the heat insulating material 43, a material having a high heat insulating effect such as microtherm, calcium silicate, alumina fiber or the like is used.
[0030]
To start the fuel reformer according to the present embodiment, first, the reforming catalyst 3 is set to 400 ° C. to 700 ° C., the HTS catalyst 15 is set to 400 ° C., the LTS catalyst 30 is set to 200 ° C., and the PROX catalyst 35 is set to 150 ° C. It is necessary to raise the temperature to ° C.
The reforming catalyst 3 can be easily heated by the heated gas 8 of the burner 2. Further, the HTS catalyst 15 can also be easily heated with steam or the like passing through the reforming catalyst 3.
Here, it is the LTS catalyst 30 and the PROX catalyst 35 that ultimately reduce the CO concentration in the reformed gas 42 generated at startup. That is, how to raise the temperature of these catalysts to the operating temperature is important.
[0031]
In the present embodiment, an electric heater 44 is installed outside the container of the LTS catalyst 30 and the PROX catalyst 35. Thus, the temperature can be raised to a predetermined temperature while managing the temperature.
The main components of the fuel reformer according to the present embodiment have been described above. The generated reformed gas is configured not to leak to other than the predetermined flow path, and to prevent inflow of materials other than the reformed gas. In the drawing, members (such as a metal double pipe) that are integrally formed at a glance in terms of a cross-sectional representation can be configured by combining and joining a plurality of members according to manufacturing convenience. In addition, although the reforming catalyst 3, the HTS catalyst 15, the LTS catalyst 30, and the PROX catalyst 35 are partially illustrated in the vertical direction in terms of cross section, they are actually filled in the vertical direction.
[0032]
Next, the operation of the fuel reformer according to the present invention having the above-described configuration will be described in more detail while supplementing the description of the components.
[0033]
First, the heating gas 8 from the burner 2 flows from the bottom to the top so as to heat the inner surface and the outer surface of the metal double tube 7. That is, the inner surface and the outer surface are heated. The flow distribution of the heated gas 8 is adjusted by the flow path cross-sectional area of the gas hole 10 provided in the top plate 9 to which the metal double tubes 5 and 7 are fixed. Moreover, the flow path of the heating gas 8 flowing inside the metal double tube 7 can be secured by the metal cylindrical tube 11. The heated gas 8 is about 500 ° C. near the gas hole.
[0034]
A fuel mixture 12 such as water vapor + 13A serving as a reforming raw material flows into the upper portion of the reforming catalyst 3 from an inlet 13 provided in the top plate 9 at about 400 ° C. The air-fuel mixture 12 receives heat necessary for the reaction from the heated gas 8 flowing upward while flowing through the reforming catalyst 3 and becomes a reformed gas 14 which is a gas containing hydrogen.
[0035]
The reformed gas 14 flows upward through the gap between the metal double tubes 5 and flows into the HTS catalyst 15 operating at 400 ° C. The reformed gas 14 that has passed through the reforming catalyst 3 flows in from the lower part of the HTS catalyst 15 and passes upward. In the process, CO in the reformed gas 14 is converted to hydrogen. Passing through the HTS catalyst 15, some CO is H₂The reformed gas 17 transformed into is guided downward by the metal cylindrical tube 18, flows in from the lower part of the metal double tube 20, and flows upward. In the meantime, the reformed gas 17 exchanges heat with the process water 21 which is the reforming raw material flowing into the serpentine tube 19, is cooled to about 200 ° C., and flows into a plurality of bypasses 22 leading to the next catalyst.
[0036]
After the heat exchange, the process water 21 becomes water vapor 23 and becomes a mixture 12 of water and fuel and flows into the reforming catalyst 3. Here, the helical tube 19 directly cools the HTS catalyst 15 by the heat insulating material 24 so that a temperature distribution is not formed in the radial direction of the catalyst. This is because when the temperature distribution is generated, the gas in the portion below the operating temperature of 350 to 400 ° C. of the HTS catalyst 15 may pass through without being CO transformed.
[0037]
Since the process water 21 described above flows only in an amount for cooling the reformed gas 17, it does not reach the total amount of process water required for reforming. Therefore, the process water 26 flows into the serpentine tube 25a from above. This process water 26 exchanges heat with the heating gas 27 derived from the heating gas 8 to become steam, is mixed with the steam 23 described above by the mixer 28, and flows into the reforming catalyst 3.
[0038]
The reformed gas 29 that has passed through the bypass 22 flows into the LTS catalyst 30 that operates at about 200 ° C. In the LTS catalyst 30, the CO concentration in the reformed gas 29 is reduced from, for example, 6% to about 2000 ppm. In the downstream of the LTS catalyst 30, the cooling air 34 flows into the gap 33 between the metal double pipe 31 and the outer cylindrical pipe 32, and the reformed gas in the LTS catalyst 30 is converted into the downstream PROX catalyst 35. Cool to the reformed gas 36 at an operating temperature, for example 150 ° C.
[0039]
The reformed gas 36 flows into the PROX catalyst 35 after mixing a small amount of air 37. In the PROX catalyst 35, CO in the reformed gas is selectively oxidized to reduce the CO concentration from, for example, 2000 ppm to 10 ppm. The reaction heat generated by the reaction is cooled by flowing cooling air 41 into the gap 40 between the metal triple tube 38 and the metal cylindrical tube 39 provided outside thereof.
The reformed gas 42 from which CO has been removed flows into the fuel cell and can generate power.
[0040]
In the fuel reformer according to the present embodiment, a hydrocarbon-based fuel such as methane, city gas, or kerosene is used as the reformed fuel. The fuel can be introduced by evaporating with the process water 26 along with the process water 26 together with the process water 26, or by flowing into the mixer 28 with the fuel alone and mixing with the water vapor 23, so that the water and fuel are mixed. The mixture 12 is made to flow into the reforming catalyst 3.
[0041]
As described above, the temperature of these catalysts is raised to a predetermined temperature while the temperature is controlled by the electric heater 44 installed outside the container of the LTS catalyst 30 and the PROX catalyst 35.
Further, during steady operation, the heated gas 45 after heat exchange with the serpentine tube a is discharged out of the system through the exhaust pipe 46. However, at the time of start-up, the valve 47 is closed, and the heating gas 49 is caused to flow through the gap 48 provided between the LTS catalyst 30 and the PROX catalyst 35 and the heat insulating material 1 to raise the temperature of the LTS catalyst 30 and the PROX catalyst 35. The heated gas 49 after the temperature rise is exhausted from the exhaust pipe 50 to the outside of the system. After starting, the valve 51 is closed, the valve 47 is opened, and the heated gas 45 is discharged from the exhaust pipe 46.
[0042]
The cooling air 34 that has cooled the LTS catalyst 30 and the cooling air 41 that has cooled the PROX catalyst 35 are mixed as the burner secondary air 52 and then supplied to the burner 2. By this method, the heat recovered from the LTS catalyst 30 and the PROX catalyst 35 can be reused for heating the reforming catalyst 3, so that the efficiency can be improved.
[0043]
Fuel reformer according to second embodiment
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the fuel reformer according to the second embodiment of the present invention.
Hereinafter, differences from the fuel reforming apparatus according to the first embodiment will be mainly described, and the same or common points as those of the fuel reforming apparatus according to the first embodiment are particularly necessary. Except for this, the explanation is omitted. Moreover, the same reference numerals are given to the same or common components as those described with reference to FIG.
[0044]
In the present embodiment, the serpentine tube 25a is installed at a position different from the first in the process water 26. That is, the metal double pipe 54 is provided on the upper part of the heat insulating material 1, and the serpentine tube 25a for evaporating the process water 26 is accommodated in the gap. Further, below the heat insulating material 1, a gap is formed between the metal cylindrical tube 25 (only on the outer side of the metal double tube 25 in FIG. 1) and the metal cylindrical tube 55 so as to be continuous with the metal double tube 54. The serpentine tube 25a is formed in the gap. The metal double tube 54 and the metal cylindrical tube 55 both have left and right cross sections in the drawing.
[0045]
The heated gas 27 that has heated the surface of the metal container 4 filled with the reforming catalyst 3 passes through the gas hole 10, and then reverses the flow direction to flow downward through the gap between the metal double tubes 54. During this time, the heating gas 27 is heated again through the inner tube 54a of the metal double tube 54. In this state, the serpentine tube 25a is heated to evaporate the process water 26 flowing inside. The evaporated process water flows into the mixer 28.
In this embodiment, by heating and heating the heating gas 27 again, the gas flow rate of the heating gas 27 can be reduced and the power of the blower and the like can be reduced even when the same amount of heat is given to the serpentine tube 25a.
[0046]
Fuel reformer according to the third embodiment
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a fuel reformer according to a third embodiment of the present invention.
Hereinafter, differences from the fuel reforming apparatus according to the first embodiment will be mainly described, and the same or common points as those of the fuel reforming apparatus according to the first embodiment are particularly necessary. Except for this, the explanation is omitted. Moreover, the same reference numerals are given to the same or common components as those described with reference to FIG.
[0047]
In this embodiment, the process water 26 evaporated by the serpentine tube 25 a is not allowed to flow into the mixer 28 but is allowed to flow into the serpentine tube 19.
In this embodiment, it is not necessary to separately flow the respective process waters 26 and 21 into the serpentine tubes 25a and 19, and it becomes possible to reduce the power of the water pump as an auxiliary machine and the number of auxiliary machines. Further, since the process water 26 in the serpentine tube 25a is not a superheated steam but a saturated steam of, for example, 100 ° C., there is an advantage that the temperature is reduced and the heat exchange performance with the heated gas 27 is further improved.
In addition, in this embodiment, it can also be used together with the snake tube 25a of the embodiment of FIG.
[0048]
Fuel reformer according to the fourth embodiment
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a fuel reformer according to the fourth embodiment of the present invention.
Hereinafter, differences from the fuel reforming apparatus according to the first embodiment will be mainly described, and the same or common points as those of the fuel reforming apparatus according to the first embodiment are particularly necessary. Except for this, the explanation is omitted. Moreover, the same reference numerals are given to the same or common components as those described with reference to FIG.
[0049]
In this embodiment, the PROX catalyst 35 is installed outside the metal triple tube 38. Then, after the air 37 for PROX reaction is mixed with the reformed gas 36 that has passed through the LTS catalyst 30, the innermost gap of the triple cylindrical tube 38 is caused to flow downward. Cooling air 41 flows downwardly into the gap outside the triple cylindrical tube 38 to cool the reformed gas 36 from 250 ° C. to 150 ° C., for example. The cooled reformed gas 36 is folded upward and flows into the PROX catalyst 35. Further, the cooling air 41 flows into the burner 2 as the burner secondary air 52.
In this embodiment, the cooling air 41 can cool the reformed gas 36 and simultaneously cool the internal reaction heat of the PROX catalyst 35.
This embodiment can also be implemented in the embodiment of FIGS.
[0050]
Fuel reformer according to fifth embodiment
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a fuel reformer according to a fifth embodiment of the present invention.
Hereinafter, differences from the fuel reforming apparatus according to the first embodiment will be mainly described, and the same or common points as those of the fuel reforming apparatus according to the first embodiment are particularly necessary. Except for this, the explanation is omitted. Moreover, the same reference numerals are given to the same or common components as those described with reference to FIG.
[0051]
In this embodiment, serpentine tubes 56 and 57 are provided.
Then, the process water 58 is caused to flow through the serpentine tube 56, and the reformed gas 36 passing through the LTS catalyst 30 is cooled, for example, from 250 ° C to 150 ° C. The heat-processed process water 58 becomes steam 59 and flows into the mixer 28 through the connecting pipe 60. Further, the heat generated by the PROX catalyst 35 is cooled by the process water 61 flowing into the serpentine tube 57, and the generated water vapor 62 flows into the mixer 28 through the connecting pipe 63.
This embodiment has an effect that the process water 26 flowing into the serpentine tube 25a can be reduced, and fuel for heating the process water 26 can be saved correspondingly.
This embodiment can also be implemented in the embodiment of FIGS.
[0052]
Fuel reformer according to sixth embodiment
FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a fuel reformer according to a sixth embodiment of the present invention.
Hereinafter, differences from the fuel reforming apparatus according to the first embodiment will be mainly described, and the same or common points as those of the fuel reforming apparatus according to the first embodiment are particularly necessary. Except for this, the explanation is omitted. Moreover, the same reference numerals are given to the same or common components as those described with reference to FIG.
[0053]
In this embodiment, a heat transfer sphere 63 such as an alumina ceramic or a stainless ball having a diameter of 3 mm is filled in the gap between the evaporator tube 25 a and the metal double tube 25. The heat transfer sphere 60 efficiently recovers heat from the heated gas 27 passing between the heat transfer spheres (heat transfer particles) 63, and efficiently transfers the heat to the serpentine tube 25a. Efficiency is improved. In addition, since the pressure loss of the heating gas 27 is increased by filling the heat transfer sphere 63, it is necessary to strengthen the auxiliary machine power at the time of application.
The present embodiment can also be implemented in the embodiments of FIGS.
[0054]
Fuel reformer according to seventh embodiment
FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing a fuel reformer according to a seventh embodiment of the present invention.
Hereinafter, differences from the fuel reforming apparatus according to the first embodiment will be mainly described, and the same or common points as those of the fuel reforming apparatus according to the first embodiment are particularly necessary. Except for this, the explanation is omitted. Moreover, the same reference numerals are given to the same or common components as those described with reference to FIG.
[0055]
Similar to the embodiment of FIG. 6, the present embodiment includes a heat transfer sphere 63. In the present embodiment, the serpentine tube 25 a is placed in close contact with the inner tube 25 b of the metal double tube 25 so that the heated gas 27 flows only between the serpentine tube 25 a and the outer tube of the metal double tube 25. A heat transfer sphere 63 is installed in this gap.
In the present embodiment, although the heat recovery efficiency is reduced as compared with the embodiment of FIG. 7, the heat capacity of the heat transfer sphere 63 can be reduced with little pressure loss, and the evaporation of the process water 26 inside the flexible tube 25a. In this case, the load response is improved.
Note that this embodiment can also be implemented in the embodiments of FIGS.
[0056]
Fuel reformer according to eighth embodiment
FIG. 8 is a longitudinal sectional view of a fuel reformer according to a sixth embodiment of the present invention.
Hereinafter, differences from the fuel reforming apparatus according to the first embodiment will be mainly described, and the same or common points as those of the fuel reforming apparatus according to the first embodiment are particularly necessary. Except for this, the explanation is omitted. Moreover, the same reference numerals are given to the same or common components as those described with reference to FIG.
[0057]
In the present embodiment, a metal double tube 71 having a closed lower end, a metal cylindrical tube 72 having a closed lower end, and metal cylinder tubes 73 and 74 having an opened lower end are used. All of these tubes appear symmetrically about the center line L. The lower end of the metal cylindrical tube 11 is also closed.
In this embodiment, the reforming catalyst 3 is filled between the inner tube 71 a of the metal double tube 71 and the metal cylindrical tube 74 and between the metal cylindrical tube 72 and the metal cylindrical tube 73.
[0058]
The heated gas 8 passes through the gas flow path 75 and heats the reforming catalyst 3. The heated gas 8 that has finished heating passes through the gas hole 10. The reformed gas 14 that has passed through the reforming catalyst 3 turns back, passes through the flow paths 76 and 77 adjacent to the reforming catalyst 3, is cooled to, for example, 700 ° C. to 450 ° C., and transfers the heat to the reforming catalyst 3. Thereby, the amount of heat given to the heated gas 8 can be reduced.
[0059]
Other embodiments
Although the fuel reformer according to the present invention has been described with respect to the above-described embodiment, the present invention is not limited to such an embodiment, and modifications, changes, and additions obvious to those skilled in the art are as follows. All are included in the technical scope of the present invention.
[0060]
【The invention's effect】
As is apparent from the above, the fuel reformer according to the present invention effectively uses the heat of the heated gas generated in the combustion chamber, is compact in size, has excellent startability, and reduces the cost burden. Can do. In other words, the cylindrical tube filled with the reforming catalyst can be heated with the heating gas from the inner and outer surfaces, and the heat gas and the reforming gas flow path is configured as described above, so that heat with high thermal efficiency can be obtained. We are exchanging. Furthermore, there are many advantages such that the startup performance can be improved by heating a catalyst such as an LTS catalyst or a PROX catalyst with a heated gas at startup.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a first embodiment of a fuel reformer according to the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a second embodiment of the fuel reformer according to the present invention.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a third embodiment of the fuel reformer according to the present invention.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a fourth embodiment of the fuel reformer according to the present invention.
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a fifth embodiment of the fuel reformer according to the present invention.
FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing a sixth embodiment of the fuel reformer according to the present invention.
FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing a seventh embodiment of the fuel reformer according to the present invention.
FIG. 8 is a longitudinal sectional view showing an eighth embodiment of the fuel reformer according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Insulation
2 Burner
3 Reforming catalyst
4 Metal container
5 Metal double pipe
6 Punching plate
7 Metal double pipe
8 Heating gas 9 Top plate 11 Metal cylindrical tube 14 Reformed gas 15 HTS catalyst 16 Metal cylindrical tube 18 Metal cylindrical tube 20 Metal cylindrical tube 24 Heat insulating material 25 Metal double tube 25a Snake tube 26 Process water 27 Heated gas 28 Mixer 29 Gas 30 LTS catalyst 31 Metal double pipe 34 Cooling air 35 PROX catalyst 36 Reformed gas 38 Metal triple pipe 39 Metal cylindrical pipe 41 Cooling air 42 Reformed gas 43 Heat insulating material 44 Electric heater 45 Heated gas 46 Exhaust pipe 47 Valve 52 Secondary air 54 Metal double pipe 55 Metal cylindrical pipe 56 Servo tube 57 Serpentine tube 58 Process water 59 Water vapor 60 Connecting pipe 61 Process water 62 Steam 63 Heat transfer sphere

Claims

A cylindrical heat insulating container encloses an internal space, a burner that generates a flame in an upward direction is disposed at a lower portion of the internal space, and a first multiple cylindrical container that is disposed in the internal space and is filled with a reforming catalyst. A second multi-cylinder having a container and having a cylindrical container filled with a high-temperature CO conversion catalyst at a space above the cylindrical heat-insulated container, and including the cylindrical heat-insulated container and the cylindrical container A fuel reformer characterized in that a low-temperature region CO conversion catalyst is filled between the upper tube walls of the second multi-tubular vessel and a CO removal catalyst is filled between the lower tube walls. Quality equipment.

2. The fuel reformer according to claim 1, wherein a heat insulating material is installed around the fuel reformer.

3. The fuel reformer according to claim 1 or 2, wherein a double cylindrical pipe is installed around a cylindrical container filled with a high temperature range CO conversion catalyst, and a serpentine pipe-shaped transmission is provided between the pipe walls of the double cylindrical pipe. A fuel reformer characterized in that a heat pipe is arranged and water used for a reforming reaction is introduced as a cooling medium inside the heat transfer pipe.

4. The fuel reformer according to claim 3, wherein the first multiple cylindrical vessel is a double pipe, two cylindrical pipes having different diameters are arranged between the pipe walls of the double pipe, A reforming catalyst is filled between the cylindrical tube and the outer tube wall of the double tube, and between the other cylindrical tube having a small diameter and the inner wall of the double tube, and the reforming catalyst Provided a flow path for sending the reformed gas from the gas to the cylindrical container filled with the high temperature range CO conversion catalyst, and provided a flow path for flowing the heating gas generated by the burner to heat the heat transfer tube. A fuel reformer characterized by the above.

4. The fuel reformer according to claim 3, wherein the first multiple cylindrical vessel is a double pipe, a cylindrical pipe is further provided between the pipe walls of the double pipe, and between the double pipe and the cylindrical pipe. The lower end closed cylindrical pipe is provided in the space formed inside the double pipe, and the lower end closed cylindrical pipe is closed in the lower end closed cylindrical pipe. A flow path that fills a catalyst between the closed bottom tubular tube and the open bottom tubular tube, and sends the reformed gas from the reformed catalyst to the tubular container filled with the high temperature region CO shift catalyst. And a flow path for flowing the heating gas generated by the burner to heat the heat transfer tube.

The fuel reformer according to any one of claims 1 to 5, wherein the cylindrical heat insulating container and the second multiple cylindrical container containing the cylindrical container are configured as a double pipe, and the inside of the double pipe And a cylindrical pipe having a diameter smaller than that of the double pipe, and air supplied to the burner is introduced as a cooling medium between the double pipe and the cylindrical pipe. Reformer.

The fuel reformer according to any one of claims 1 to 5, wherein the cylindrical heat insulating container and the second multiple cylindrical container containing the cylindrical container are configured as a double pipe, and the outside of the double pipe And a cylindrical pipe having a diameter larger than that of the double pipe, and air supplied to the burner is introduced between the double pipe and the cylindrical pipe as a cooling medium. Reformer.

The fuel reformer according to any one of claims 1 to 5, wherein the cylindrical heat insulating container and the second multiple cylindrical container containing the cylindrical container are configured as a double pipe, and the outside of the double pipe In addition, a fuel reformer having a serpentine heat transfer tube disposed therein.

6. The fuel reformer according to claim 3, further comprising a flow path for sending water vapor and / or fuel from the heat transfer tube to the first multi-tubular vessel.

6. The fuel reformer according to claim 3, wherein the second heat insulating container is disposed between the second heat insulating container and the second heat insulating container and the second multi-cylindrical container that houses the cylindrical container. A fuel reformer provided with a heating gas flow path for heating the multiple cylindrical container.

11. The fuel reformer according to claim 1, wherein a heating means is wound around the outer side of the cylindrical heat insulating container and the second multiple cylindrical container containing the cylindrical container. Reformer.

6. The fuel reformer according to claim 3, wherein heat transfer particles are filled between the tube walls of the double cylindrical tube in which the heat transfer tubes are arranged.

13. The fuel reformer according to claim 12, wherein the heat transfer tube is brought into close contact with the inner wall of the double cylindrical tube in which the heat transfer tube is disposed, and between the heat transfer tube and the outer tube wall of the double cylindrical tube. A fuel reformer characterized by being filled with heat transfer particles.