JP4464230B2 - Reforming apparatus and method, and fuel cell system - Google Patents

Reforming apparatus and method, and fuel cell system Download PDF

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Description

本発明は灯油等の水素製造用原料を水蒸気を用いて改質し、水素を含有する改質ガスを得る改質装置に関する。またこの改質装置を備える燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a reformer that reforms a raw material for hydrogen production such as kerosene using steam to obtain a reformed gas containing hydrogen. The present invention also relates to a fuel cell system including this reformer.

近年、環境に優しいエネルギー変換技術として燃料電池が注目されている。固体高分子形など、多くのタイプの燃料電池において、燃料電池の燃料極で実際に電極反応するのは水素である。しかし、水素よりも灯油等の水素製造用原料の方が供給体制や取り扱いにおいて優れる面があるため、灯油等の水素製造用原料を改質して水素を含むガスを製造し、これを燃料電池の燃料極に供給する燃料電池システムが開発されている。   In recent years, fuel cells have attracted attention as environmentally friendly energy conversion technologies. In many types of fuel cells, such as solid polymer forms, it is hydrogen that actually undergoes an electrode reaction at the fuel electrode of the fuel cell. However, because hydrogen production raw materials such as kerosene are superior to hydrogen in terms of supply system and handling, the hydrogen production raw materials such as kerosene are reformed to produce hydrogen-containing gas, which is used as a fuel cell. A fuel cell system for supplying fuel to the fuel electrode has been developed.

水素製造用原料を改質するために、水蒸気改質を行うことが知られている。例えば特許文献1および2に灯油等と水蒸気との混合物を改質触媒の下で改質して水素含有ガスを製造する技術が開示されている。
特開2004−175621号公報 特開2002−201478号公報
It is known to perform steam reforming to reform the raw material for hydrogen production. For example, Patent Documents 1 and 2 disclose techniques for producing a hydrogen-containing gas by reforming a mixture of kerosene or the like and steam under a reforming catalyst.
JP 2004-175621 A JP 2002-2014478 A

水素製造用原料を水蒸気と混合し、適切な温度に加熱して改質触媒層に導入する場合、水素製造用原料と水蒸気との混合物が適切な温度になっていたとしても、この混合物が均一にガス状態で混合されていないと、コークが析出する場合がある。コークは改質触媒が機能するのを阻害し、また流路閉塞の原因にもなるため、コーク析出は改質装置の長期間運転を阻害する。   When the raw material for hydrogen production is mixed with water vapor, heated to an appropriate temperature and introduced into the reforming catalyst layer, the mixture is uniform even if the mixture of the raw material for hydrogen production and water vapor is at an appropriate temperature. If it is not mixed in a gaseous state, coke may precipitate. Since coke hinders the functioning of the reforming catalyst and also causes channel blockage, coke deposition hinders long-term operation of the reformer.

例えば水素製造用原料を水蒸気と配管内で合流させるだけの混合では、混合物の不均一性に起因する改質触媒上でのコーク析出が見られる場合や、CO濃度やメタン濃度の変動が大きく、運転が不安定になる場合がある。特に、水素製造用原料が灯油等の炭化水素油である場合にこのような傾向が強い。   For example, when the raw material for hydrogen production is simply combined with steam in the piping, coke deposition on the reforming catalyst due to the heterogeneity of the mixture is observed, or the fluctuations in CO concentration and methane concentration are large. Driving may become unstable. Such a tendency is particularly strong when the raw material for hydrogen production is a hydrocarbon oil such as kerosene.

改質装置で得た改質ガスを、必要に応じてさらにCO変成器などによって処理してCO濃度を低減した後、燃料電池の燃料として用いることが行われているが、コーク析出やガス組成の変動は、CO変成器などの処理装置や燃料電池にも影響を及ぼす可能性もある。   The reformed gas obtained in the reformer is further processed by a CO converter or the like as necessary to reduce the CO concentration, and then used as fuel for fuel cells. Such fluctuations may also affect processing devices such as CO converters and fuel cells.

本発明の目的は、上記のような現象を抑制し、長期間安定して運転を行うことのできる改質装置および改質方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a reforming apparatus and a reforming method that can suppress the above-described phenomenon and can be stably operated for a long period of time.

また、本発明の別の目的は、長期間安定して運転を行うことのできる燃料電池システムを提供することである。   Another object of the present invention is to provide a fuel cell system that can be stably operated for a long period of time.

本発明により、水素製造用原料と水蒸気を混合し、該混合物を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを得る改質装置において、
水素製造用原料と水蒸気とを混合する混合手段;
該混合手段の下流に配された、水素製造用原料と水蒸気との混合を促進する混合促進手段;および
該混合促進手段により混合が促進された混合物を改質触媒の存在下に改質する改質器
を有し、
前記混合手段の流路断面積が、混合促進手段の流路断面積の1.5倍以上3倍以下である改質装置が提供される。
According to the present invention, in a reformer for mixing a raw material for hydrogen production and steam, and reforming the mixture by steam to obtain a reformed gas containing hydrogen,
Mixing means for mixing the raw material for hydrogen production with water vapor;
A mixing promoting means for promoting the mixing of the raw material for hydrogen production and steam disposed downstream of the mixing means; and a reforming means for reforming the mixture promoted by the mixing promoting means in the presence of the reforming catalyst. It has a quality instrument,
A reformer is provided in which the cross-sectional area of the mixing means is 1.5 to 3 times the cross-sectional area of the mixing promoting means .

上記改質装置において、前記混合促進手段が、管状部材の内部に邪魔板が配された構造を有することが好ましい。   In the above reformer, it is preferable that the mixing promoting means has a structure in which a baffle plate is arranged inside the tubular member.

上記改質装置が、さらに、前記混合促進手段の下流に、かつ、改質触媒の上流に、水素製造用原料と水蒸気との混合物を加熱するための加熱手段を有することが好ましい。   It is preferable that the reformer further includes a heating unit for heating the mixture of the raw material for hydrogen production and water vapor downstream of the mixing promoting unit and upstream of the reforming catalyst.

上記改質装置において、前記改質器が水蒸気改質に必要な熱を発生するための燃焼手段を有し、
前記加熱手段が、該燃焼手段の燃焼ガスが流れる流路内に配され、該燃焼ガスによって水素製造用原料と水蒸気との混合物を加熱する熱交換手段であることが好ましい。
In the reformer, the reformer has a combustion means for generating heat necessary for steam reforming,
The heating means is preferably a heat exchange means that is disposed in a flow path through which the combustion gas of the combustion means flows and heats the mixture of the raw material for hydrogen production and water vapor with the combustion gas.

前記熱交換手段が、管がコイル状に巻かれた構造または複数の直管が並列に接続された構造を有することができる。   The heat exchange means may have a structure in which a tube is wound in a coil shape or a structure in which a plurality of straight tubes are connected in parallel.

本発明により、水素製造用原料と水蒸気を混合し、該混合物を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを得る改質方法において、
水素製造用原料と水蒸気を混合し、該混合物を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを得る改質装置であって、水素製造用原料と水蒸気とを混合する混合手段;該混合手段の下流に配された、水素製造用原料と水蒸気との混合を促進する混合促進手段;および該混合促進手段により混合が促進された混合物を改質触媒の存在下に改質する改質器を有し、前記混合手段の流路断面積が混合促進手段の流路断面積の1.5倍以上3倍以下である改質装置を用い、
水素製造用原料と水蒸気とを混合する混合工程;
該混合工程の後に、水素製造用原料と水蒸気との混合を促進する混合促進工程;および
該混合促進工程で混合が促進された混合物を改質触媒の存在下に改質する改質工程
を有する改質方法が提供される。
According to the present invention, in a reforming method of mixing a raw material for hydrogen production and steam, and steam reforming the mixture to obtain a reformed gas containing hydrogen,
A reforming apparatus for mixing a raw material for hydrogen production with steam and steam reforming the mixture to obtain a reformed gas containing hydrogen, the mixing means for mixing the raw material for hydrogen production with steam; A mixing promoting means for promoting the mixing of the raw material for hydrogen production and water vapor, and a reformer for reforming the mixture whose mixing is promoted by the mixing promoting means in the presence of the reforming catalyst. Using a reformer having a flow path cross-sectional area of the mixing means that is 1.5 to 3 times the flow path cross-sectional area of the mixing promoting means,
Mixing step of mixing raw material for hydrogen production and water vapor;
After the mixing step, a mixing promotion step for promoting mixing of the raw material for hydrogen production and steam; and a reforming step for reforming the mixture whose mixing has been promoted in the mixing promotion step in the presence of the reforming catalyst. A reforming method is provided.

上記改質方法において、前記混合工程において混合する水素製造用原料の温度を300℃以下とし、水蒸気の温度を100℃以上とすることが好ましい。   In the above reforming method, it is preferable that the temperature of the raw material for hydrogen production mixed in the mixing step is 300 ° C. or lower and the temperature of the water vapor is 100 ° C. or higher.

上記改質方法が、さらに、前記混合促進工程の後、改質工程の前に、水素製造用原料と水蒸気との混合物を熱交換によって加熱する加熱工程を有することが好ましい。   Preferably, the reforming method further includes a heating step of heating the mixture of the raw material for hydrogen production and water vapor by heat exchange after the mixing promotion step and before the reforming step.

前記加熱工程において、熱交換によって加熱される混合物の滞留時間を0.1秒以上とすることが好ましい。   In the heating step, the residence time of the mixture heated by heat exchange is preferably 0.1 seconds or more.

前記加熱工程において、熱交換によって加熱される混合物の線速度を10m/s以上とすることが好ましい。   In the heating step, the linear velocity of the mixture heated by heat exchange is preferably 10 m / s or more.

前記加熱工程において、前記混合物を300℃以上600℃以下に加熱することが好ましい。   In the heating step, the mixture is preferably heated to 300 ° C. or higher and 600 ° C. or lower.

前記改質工程において水蒸気改質に必要な熱を発生させるために燃焼を行い、
前記熱交換に用いる授熱流体として300℃以上700℃以下の該燃焼の燃焼ガスを用いることが好ましい。
In order to generate heat necessary for steam reforming in the reforming step, combustion is performed,
It is preferable to use the combustion gas of the combustion at 300 ° C. or higher and 700 ° C. or lower as the heat transfer fluid used for the heat exchange.

本発明により、水素製造用原料と水蒸気を混合し、該混合物を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを得る改質装置と、該改質ガスを燃料とする燃料電池とを有する燃料電池システムにおいて、
該改質装置が上記の改質装置である燃料電池システムが提供される。
According to the present invention, a fuel having a reforming device that mixes a raw material for hydrogen production and steam, steam reforms the mixture to obtain a reformed gas containing hydrogen, and a fuel cell using the reformed gas as fuel. In battery systems,
A fuel cell system in which the reformer is the above reformer is provided.

本発明により、長期間安定して運転を行うことのできる改質装置および改質方法が提供される。   The present invention provides a reformer and a reforming method that can be stably operated for a long period of time.

また、本発明により、長期間安定して運転を行うことのできる燃料電池システムが提供される。   The present invention also provides a fuel cell system that can be stably operated for a long period of time.

以下図面を用いて本発明を説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.

図1に示すように、本発明の改質装置は、水素製造用原料と水蒸気とを混合する混合手段1001、混合手段の下流に配された、水素製造用原料と水蒸気との混合を促進する混合促進手段1002、および、混合促進手段により混合が促進された混合物を改質触媒の存在下に改質する改質器1003を有する。ここでは水素製造用原料として灯油を用いている。また、改質器として、水蒸気改質器を用いており、特には、改質に必要な熱を燃焼ガスによって供給する外熱式の水蒸気改質器を用いている。   As shown in FIG. 1, the reforming apparatus of the present invention promotes the mixing of the hydrogen production raw material and steam, which is arranged downstream of the mixing means 1001 for mixing the hydrogen production raw material and steam, and the mixing means. It has a mixing promoting means 1002 and a reformer 1003 for reforming the mixture whose mixing has been promoted by the mixing promoting means in the presence of the reforming catalyst. Here, kerosene is used as a raw material for hydrogen production. In addition, a steam reformer is used as the reformer, and in particular, an externally heated steam reformer that supplies heat necessary for reforming with combustion gas is used.

混合手段1001に導入する水素製造用原料は、液体、気体、気液混相のいずれであってもよい。混合手段に導入する水素製造用原料を気体とする場合には、必要に応じて、混合手段の上流に水素製造用原料を気化する気化器を設けることができる。混合手段に導入する水素製造用原料を液体とする場合には、気化器は設けず、水素製造用原料を常温で(特に加熱することなく)混合手段に導入することができる。あるいは、水素製造用原料が気化しない範囲で予熱したうえで混合手段に導入することもできる。上記気化器として、水素製造用原料を気化することのできる公知の気化器を適宜用いることができる。上記予熱のための予熱器として、水素製造用原料を予熱することのできる熱交換器などの公知の予熱器を適宜用いることができる。   The raw material for hydrogen production introduced into the mixing means 1001 may be liquid, gas, or gas-liquid mixed phase. When the hydrogen production raw material introduced into the mixing means is gas, a vaporizer for vaporizing the hydrogen production raw material can be provided upstream of the mixing means as necessary. When the raw material for hydrogen production to be introduced into the mixing means is a liquid, no vaporizer is provided, and the raw material for hydrogen production can be introduced into the mixing means at room temperature (without particular heating). Alternatively, the raw material for hydrogen production can be preheated within a range where it does not vaporize and then introduced into the mixing means. As the vaporizer, a known vaporizer capable of vaporizing a raw material for hydrogen production can be appropriately used. As the preheater for the preheating, a known preheater such as a heat exchanger capable of preheating the raw material for hydrogen production can be appropriately used.

混合手段の構造としては、流体同士の混合を行いうる公知の混合技術を採用することができる。製造容易性の観点から、水蒸気の配管と水素製造用原料の配管とを接続しただけの構造を好ましく採用することができる。例えば、混合手段の構造を、図1に示すように、水蒸気を流す管(直管)の途中に、灯油を導入する管(直管)を接続した構造とすることができる。   As a structure of the mixing means, a known mixing technique capable of mixing fluids can be employed. From the viewpoint of ease of production, a structure in which a steam pipe and a hydrogen production raw material pipe are connected can be preferably employed. For example, as shown in FIG. 1, the structure of the mixing means can be a structure in which a pipe (straight pipe) for introducing kerosene is connected in the middle of a pipe (straight pipe) through which water vapor flows.

混合手段に導入する水素製造用原料の温度は、水素製造用原料の熱分解を良好に抑制することのできる温度以下とすることが好ましい。この観点から混合手段に導入する水素製造用原料の温度は350℃以下とすることが好ましく、300℃以下とすることがより好ましい。なお、特に冷却する意味はないので、この温度は常温以上でよい。   The temperature of the raw material for hydrogen production introduced into the mixing means is preferably set to a temperature at which thermal decomposition of the raw material for hydrogen production can be satisfactorily suppressed. From this viewpoint, the temperature of the raw material for hydrogen production introduced into the mixing means is preferably 350 ° C. or lower, and more preferably 300 ° C. or lower. It should be noted that this temperature may be normal temperature or higher because there is no meaning to cool.

混合手段に導入する水蒸気の温度は、圧力にもよるが、少なくとも大気圧において水の沸点以上とする観点から100℃以上とすることが好ましい。また、蒸気の熱により灯油の蒸発を促進させるため、より高い方が望ましい。実用的にはおよそ450℃以下が好ましく、400℃以下がより好ましい。   Although the temperature of the water vapor introduced into the mixing means depends on the pressure, it is preferably at least 100 ° C. from the viewpoint of at least the boiling point of water at atmospheric pressure. Moreover, since the evaporation of kerosene is promoted by the heat of steam, the higher one is desirable. Practically, it is preferably about 450 ° C. or less, and more preferably 400 ° C. or less.

水素製造用原料と水蒸気との混合比は、改質に好適なS/C(水蒸気/炭素比)を考慮して適宜決めることができる。   The mixing ratio of the raw material for hydrogen production and steam can be appropriately determined in consideration of S / C (steam / carbon ratio) suitable for reforming.

混合促進手段としては、気体同士の混合を促進することのできる公知の技術、また気体と液体との混合を促進することのできる公知の技術を利用できる。   As the mixing promoting means, a known technique that can promote mixing of gases or a known technique that can promote mixing of gas and liquid can be used.

別途動力を必要とせず、また良好な混合促進効果が期待できるため、混合促進手段が管状部材の内部に邪魔板が配された構造を有することが好ましい。このような混合手段として、幾何学的に物質をより均一に混合するための邪魔板が円管等の管内に配された、スタティックミキサーを用いることができる。   It is preferable that the mixing promoting means has a structure in which a baffle plate is arranged inside the tubular member because no separate power is required and a good mixing promoting effect can be expected. As such a mixing means, a static mixer in which baffle plates for geometrically mixing substances more uniformly are arranged in a tube such as a circular tube can be used.

圧力変動を抑制する観点から、混合手段の流路断面積が、混合促進手段の流路断面積の1.5倍以上であることが好ましく、2倍以上がより好ましい。また、この比は、流体の線速度を維持する観点から3倍以下が好ましく、2.5倍以下がより好ましい。例えば水素製造用原料が灯油の場合、蒸気との混合により一部の灯油が気化、およびスチームの一部凝縮により、流体の体積が変化するため、配管径を上のような範囲にすることにより、体積変化に伴う脈動を抑制できる。本発明では、特にこの比を1.5倍以上3倍以下とする。 From the viewpoint of suppressing pressure fluctuation, the channel cross-sectional area of the mixing unit is preferably 1.5 times or more, more preferably 2 times or more than the channel cross-sectional area of the mixing promoting unit. In addition, this ratio is preferably 3 times or less, more preferably 2.5 times or less from the viewpoint of maintaining the linear velocity of the fluid. For example, when the raw material for hydrogen production is kerosene, some kerosene is vaporized by mixing with steam, and the volume of fluid changes due to partial condensation of steam. The pulsation accompanying the volume change can be suppressed. In the present invention, this ratio is particularly 1.5 times or more and 3 times or less.

例えば、混合手段が、水蒸気が流れる管の途中に水素製造用原料が流れる管を接続した構造を有し、かつ、混合促進手段が、管内に邪魔板を備えた構造を有する場合、水蒸気が流れる管の流路断面積を、混合促進手段を形成する管の流路断面積の1.5倍以上3倍以下とすることが好ましく、2倍以上2.5倍以下とすることがより好ましい。なお流路断面積を考える場合、邪魔板は無視して考える。   For example, when the mixing means has a structure in which a pipe through which the raw material for hydrogen production flows is connected in the middle of a pipe through which water vapor flows, and the mixing promoting means has a structure having a baffle plate in the pipe, water vapor flows. The channel cross-sectional area of the tube is preferably 1.5 times or more and 3 times or less, and more preferably 2 times or more and 2.5 times or less the channel cross-sectional area of the tube forming the mixing promoting means. When considering the cross-sectional area of the flow path, the baffle plate is ignored.

改質器としては、水蒸気改質反応を利用する公知の改質器を用いることができる。水蒸気改質反応に加えて部分酸化反応も利用する改質器を利用することもできる。   As the reformer, a known reformer utilizing a steam reforming reaction can be used. A reformer that utilizes a partial oxidation reaction in addition to the steam reforming reaction can also be used.

水蒸気改質反応は激しい吸熱を伴う。改質反応を進ませるために、熱を供給するが、このために燃焼手段を備える外熱式の改質器が知られている。外熱式の改質器には、燃焼用燃料を空気などの酸素含有ガスで燃焼させるバーナーなどの燃焼手段を有し、燃焼手段で発生する燃焼熱によって、例えば改質触媒を充填した反応管を加熱する。   The steam reforming reaction is accompanied by a violent endotherm. In order to advance the reforming reaction, heat is supplied. For this purpose, an externally heated reformer equipped with combustion means is known. The external heat type reformer has a combustion means such as a burner for burning combustion fuel with an oxygen-containing gas such as air, and a reaction tube filled with, for example, a reforming catalyst by the combustion heat generated by the combustion means. Heat.

図1にも、外熱式の改質器を示しており、バーナー1003aで燃焼を行い、改質触媒が充填された反応管1003bをその輻射熱によって加熱し、またその燃焼ガスを反応管1003bに接触させることで反応管を加熱する。燃焼用燃料としては、適宜公知の燃料を選択して用いればよいが、改質ガスの原料として用いる水素製造用原料を燃焼用燃料としても用いることが装置全体の簡素化のため好ましい。   FIG. 1 also shows an external heat type reformer, which burns with a burner 1003a, heats the reaction tube 1003b filled with the reforming catalyst with its radiant heat, and also transfers the combustion gas to the reaction tube 1003b. The reaction tube is heated by contact. As the combustion fuel, a known fuel may be appropriately selected and used. However, it is preferable to use a hydrogen production raw material used as a reformed gas raw material as a combustion fuel in order to simplify the entire apparatus.

改質触媒に供給する段階では、水素製造用原料と水蒸気との混合物は気体とされる。従って、混合促進手段から抜き出される混合物が液体を含んでいる場合、この液体を予め気化しておく。また、改質触媒に供給する混合物の温度を、改質反応に好適な温度に予熱することが好ましい。   At the stage of supplying to the reforming catalyst, the mixture of the raw material for hydrogen production and water vapor is made a gas. Therefore, when the mixture extracted from the mixing promoting means contains a liquid, the liquid is vaporized in advance. Moreover, it is preferable to preheat the temperature of the mixture supplied to the reforming catalyst to a temperature suitable for the reforming reaction.

この気化および/または予熱のために、水素製造用原料と水蒸気との混合物を加熱するための加熱手段を設けることができる。この加熱のために、上記燃焼ガスを利用することができる。加熱手段として、燃焼ガスを授熱流体とし、水素製造用原料と水蒸気との混合物を受熱流体とする熱交換手段を用いることができる。   For this vaporization and / or preheating, a heating means for heating the mixture of the raw material for hydrogen production and water vapor can be provided. The combustion gas can be used for this heating. As the heating means, heat exchange means using combustion gas as a heat transfer fluid and a mixture of a raw material for hydrogen production and water vapor as a heat reception fluid can be used.

例えば、改質器内の燃焼ガスが流れる流路内に、管がコイル状に巻かれた構造、または複数の直管が並列に接続された構造を有する熱交換手段1004を配することができる。複数の直管が並列に接続された構造としては、中間部に熱収縮を考慮した撓みを有した直管の両端がそれぞれ入口ヘッダーおよび出口ヘッダーに取り付けられた構造が好ましい。   For example, the heat exchange means 1004 having a structure in which a tube is wound in a coil shape or a structure in which a plurality of straight pipes are connected in parallel can be arranged in a flow path through which combustion gas in the reformer flows. . As a structure in which a plurality of straight pipes are connected in parallel, a structure in which both ends of a straight pipe having a deflection in consideration of heat shrinkage at the intermediate portion are respectively attached to an inlet header and an outlet header is preferable.

この熱交換手段において、水素製造用原料と水蒸気とを均質に混合させる観点から、さらには水素製造用原料が灯油等の液体である場合にはその気化を促進させる観点から、熱交換によって加熱される混合物の滞留時間を0.1秒以上とすることが好ましく、0.2秒以上とすることがより好ましい。つまり灯油等の炭化水素油をスチームと混合し、均質に蒸発させるためには、その混合物が熱交換手段を通過する際の滞留時間を0.1秒以上にし、燃焼ガスとの熱交換を促進させることが好ましい。また、上記熱交換手段を通過する流体の線速度は10m/s以上であることが境膜係数を低下させ、熱交換を促進させるために好ましい。より好ましくは20m/s以上とする。   In this heat exchange means, it is heated by heat exchange from the viewpoint of homogeneously mixing the raw material for hydrogen production and water vapor, and from the viewpoint of promoting vaporization when the raw material for hydrogen production is a liquid such as kerosene. The residence time of the mixture is preferably 0.1 seconds or more, and more preferably 0.2 seconds or more. In other words, in order to mix kerosene or other hydrocarbon oil with steam and evaporate it uniformly, the residence time when the mixture passes through the heat exchange means is set to 0.1 seconds or more to promote heat exchange with the combustion gas. It is preferable to make it. The linear velocity of the fluid passing through the heat exchange means is preferably 10 m / s or more in order to reduce the film coefficient and promote heat exchange. More preferably, it is 20 m / s or more.

前記熱交換手段入口の蒸気温度は、例えば水素製造用原料が灯油の場合にはその蒸発促進の観点から100℃以上が好ましく、150℃以上がより好ましい。   For example, when the hydrogen production raw material is kerosene, the steam temperature at the heat exchange means inlet is preferably 100 ° C. or higher, more preferably 150 ° C. or higher from the viewpoint of promoting evaporation.

該熱交換手段出口の混合物温度は改質触媒反応を促進させる観点から300℃以上が好ましく、450℃以上がより好ましい。また、熱分解によるコーク析出防止の観点から600℃以下とすることが好ましく、550℃以下がより好ましい。   The temperature of the mixture at the outlet of the heat exchange means is preferably 300 ° C. or higher, more preferably 450 ° C. or higher from the viewpoint of promoting the reforming catalyst reaction. Moreover, it is preferable to set it as 600 degrees C or less from a viewpoint of the coke precipitation prevention by thermal decomposition, and 550 degrees C or less is more preferable.

一方、熱交換に供する燃焼排ガスの温度は、例えば水素製造用原料が灯油の場合には灯油とスチームをより均質に気化混合させる観点から450℃以上が好ましく、550℃以上がより好ましい。また、システムの熱バランスの観点から700℃以下が好ましく、650℃以下がより好ましい。   On the other hand, the temperature of the flue gas used for heat exchange is preferably 450 ° C. or higher, and more preferably 550 ° C. or higher from the viewpoint of more uniformly vaporizing and mixing kerosene and steam when the raw material for hydrogen production is kerosene. Moreover, 700 degrees C or less is preferable from a viewpoint of the heat balance of a system, and 650 degrees C or less is more preferable.

以上説明したように、混合促進手段を用いることにより、混合手段で混合された混合物が気体である場合にはその混合がより均一になり、この混合物が気液混相である場合でも、おそらくは液中に気泡状の気体が取り込まれた形で混合が促進される。その結果、改質触媒に混合物が供給される段階において、混合物の均一さが優れたものになり、前述のコーキング等が抑制され、長期安定運転が可能となる。   As explained above, by using the mixing promoting means, when the mixture mixed by the mixing means is a gas, the mixing becomes more uniform, and even if this mixture is a gas-liquid mixed phase, it is probably in the liquid. Mixing is promoted in a form in which bubble-like gas is taken in. As a result, when the mixture is supplied to the reforming catalyst, the uniformity of the mixture becomes excellent, the above-mentioned coking and the like are suppressed, and long-term stable operation is possible.

一般的に、水素製造用原料が灯油などの炭化水素油である場合、コーキングが起きやすいなどの理由で長期安定運転が難しい傾向がある。また、気体と液体を混合する場合、気体同士を混合する場合に比べ、改質触媒に供給される段階における混合物を均一にすることがより難しい。本発明によればこのような場合であっても、改質触媒に供給される段階における混合物の均一性を良好にすることができ、より長期間安定した運転が可能となる。つまり、本発明の効果は、水素製造用原料が灯油などの炭化水素油である場合に、さらには混合手段に導入される炭化水素油が液体である場合に特に顕著である。   Generally, when the raw material for hydrogen production is a hydrocarbon oil such as kerosene, long-term stable operation tends to be difficult because coking is likely to occur. Moreover, when mixing gas and liquid, it is more difficult to make the mixture uniform in the stage supplied to a reforming catalyst compared with the case where gas is mixed. According to the present invention, even in such a case, the uniformity of the mixture at the stage of being supplied to the reforming catalyst can be improved, and a stable operation can be performed for a longer period of time. That is, the effect of the present invention is particularly remarkable when the raw material for producing hydrogen is a hydrocarbon oil such as kerosene, and further when the hydrocarbon oil introduced into the mixing means is a liquid.

〔水素製造用原料〕
水素製造の原料としては、水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを得ることのできる物質であれば使用できる。例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。また、25℃、0.101MPaで液体であり、分子中に炭素と水素を有する化合物を含み、水蒸気改質反応により水素を生成しうる有機化合物である炭化水素油を用いることができる。
[Raw materials for hydrogen production]
As a raw material for hydrogen production, any substance that can obtain a reformed gas containing hydrogen by a steam reforming reaction can be used. For example, compounds having carbon and hydrogen in the molecule, such as hydrocarbons, alcohols, and ethers, can be used. Alternatively, a hydrocarbon oil that is liquid at 25 ° C. and 0.101 MPa, includes a compound having carbon and hydrogen in the molecule, and is an organic compound capable of generating hydrogen by a steam reforming reaction can be used.

工業用あるいは民生用に安価に入手できる水素製造用原料の好ましい例として、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、メタン、都市ガス、LPG(液化石油ガス)を挙げることができ、また石油から得られるガソリン、ナフサ、灯油、軽油などの炭化水素油を挙げることができる。なかでも灯油は工業用としても民生用としても入手容易であり、その取り扱いも容易なため、好ましい。   Preferable examples of raw materials for hydrogen production that can be obtained at low cost for industrial use or consumer use include methanol, ethanol, dimethyl ether, methane, city gas, LPG (liquefied petroleum gas), and gasoline obtained from petroleum, naphtha. And hydrocarbon oils such as kerosene and light oil. Of these, kerosene is preferable because it is easily available for industrial use and consumer use, and is easy to handle.

なお、改質触媒などの触媒被毒を抑制するために、必要に応じ、水素製造用原料中の硫黄分を低減する脱硫を行うことができる。そのために、水素製造用原料を予め脱硫したうえで混合手段に導入することができる。   In addition, in order to suppress catalyst poisoning, such as a reforming catalyst, the desulfurization which reduces the sulfur content in the raw material for hydrogen production can be performed as needed. For this purpose, the raw material for hydrogen production can be desulfurized and introduced into the mixing means.

〔水素製造装置〕
本発明の改質装置は、燃料電池システムにおいて好適に用いることができる。改質器で得られた改質ガスを、他の反応器を経ずに燃料電池の燃料として利用することも可能である。しかし、例えば燃料電池が固体高分子形である場合、通例、改質ガス中のCO濃度を低減するためにCO変成器や選択酸化器などを設ける。以下、このような場合を例にして、本発明についてさらに詳細に説明する。なお、以下の説明において、改質器に加えてCO変成器および選択酸化器を有する装置を水素製造装置と称する。
[Hydrogen production equipment]
The reformer of the present invention can be suitably used in a fuel cell system. It is also possible to use the reformed gas obtained in the reformer as fuel for the fuel cell without passing through another reactor. However, when the fuel cell is of a solid polymer type, for example, a CO converter or a selective oxidizer is usually provided to reduce the CO concentration in the reformed gas. Hereinafter, the present invention will be described in more detail by taking such a case as an example. In the following description, an apparatus having a CO converter and a selective oxidizer in addition to the reformer is referred to as a hydrogen production apparatus.

ここで述べる水素製造装置は、熱効率を向上させ、占有体積を減らし、長寿命かつ運転条件の範囲を拡大できるという効果を有する水素製造装置である。   The hydrogen production apparatus described here is a hydrogen production apparatus that has the effects of improving thermal efficiency, reducing the occupied volume, extending the life span and operating conditions.

具体的には、この水素製造装置は、炭化水素油を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを得る改質管と、改質管を加熱するバーナーとを有する改質器;水蒸気改質に必要な水蒸気を発生するスチーム発生器;改質ガス中のCO濃度をシフト反応により低減するCO変成器;およびCO変成器でCO濃度が低減された改質ガス中のCO濃度を選択酸化反応によりさらに低減する選択酸化器を有する水素製造装置であって、
鉛直円柱状の領域である第1領域と、第1領域の外周側に位置し第1領域と同心の環状領域である第2領域と、第2領域の外周側に位置し第1領域と同心の環状領域である第3領域と、第3領域の外周側に位置し第1領域と同心の環状領域である第4領域とを有し、
第1領域に前記バーナーを有し、
第2領域に前記改質管を有し、
第3領域に前記スチーム発生器を有し、
第4領域に前記CO変成器および選択酸化器を有する。かつ、この水素製造装置は、スチーム発生器で発生させた水蒸気と、炭化水素油とを混合する混合手段と、混合手段で得られた混合物の混合を促進する混合促進手段を有する。
Specifically, this hydrogen production apparatus includes a reformer having a reforming pipe that obtains a reformed gas containing hydrogen by steam reforming hydrocarbon oil, and a burner that heats the reforming pipe; Steam generator for generating steam necessary for quality; CO converter for reducing CO concentration in reformed gas by shift reaction; and selective oxidation of CO concentration in reformed gas whose CO concentration is reduced by CO converter A hydrogen production apparatus having a selective oxidizer that is further reduced by reaction,
A first region that is a vertical cylindrical region, a second region that is an annular region that is concentric with the first region and located on the outer peripheral side of the first region, and a concentric with the first region that is located on the outer peripheral side of the second region A third region that is an annular region of the second region, and a fourth region that is an annular region that is located on the outer peripheral side of the third region and is concentric with the first region,
Having the burner in a first region;
Having the reforming tube in the second region;
Having the steam generator in a third region;
The fourth region includes the CO converter and the selective oxidizer. And this hydrogen production apparatus has a mixing means for mixing the steam generated by the steam generator and the hydrocarbon oil, and a mixing promoting means for promoting the mixing of the mixture obtained by the mixing means.

この水素製造装置において、前記第1領域、第2領域および第3領域が、一つの密閉可能な容器内に形成され、前記第4領域は該容器とは別の密閉可能な容器内に形成された形態がある。   In this hydrogen production apparatus, the first region, the second region, and the third region are formed in one sealable container, and the fourth region is formed in a sealable container different from the container. There are different forms.

また、前記第1領域、第2領域、第3領域および第4領域が一つの密閉可能な容器内に形成された形態がある。   Further, there is a form in which the first region, the second region, the third region, and the fourth region are formed in one sealable container.

この水素製造装置が、前記バーナーの燃焼ガスにより前記改質管、スチーム発生器、CO変成器および選択酸化器をこの順に加熱するための燃焼ガス流路を有することが好ましい。   The hydrogen production apparatus preferably has a combustion gas flow path for heating the reforming pipe, the steam generator, the CO converter and the selective oxidizer in this order by the combustion gas of the burner.

さらに、前記第3領域に、かつ前記燃焼ガス流路内に、炭化水素油を脱硫する脱硫器を有することができる。   Furthermore, a desulfurizer for desulfurizing hydrocarbon oil can be provided in the third region and in the combustion gas flow path.

あるいは、さらに、前記第1領域、第2領域、第3領域および第4領域のいずれも形成されない密閉可能な容器に脱硫剤が充填された脱硫器を有し、
前記改質管、スチーム発生器、CO変成器および選択酸化器を加熱した燃焼ガスにより、脱硫器を加熱するための流路を有することができる。
Alternatively, it further comprises a desulfurizer filled with a desulfurizing agent in a sealable container in which none of the first region, the second region, the third region, and the fourth region is formed,
A flow path for heating the desulfurizer can be provided by the combustion gas obtained by heating the reforming pipe, the steam generator, the CO converter, and the selective oxidizer.

前記バーナーが鉛直下向きに配され、かつ燃焼筒を有することが好ましい。   It is preferable that the burner is arranged vertically downward and has a combustion cylinder.

前記第4領域において、CO変成器と選択酸化器とが、鉛直方向に並べられた形態がある。   In the fourth region, the CO transformer and the selective oxidizer are arranged in the vertical direction.

あるいは、前記第4領域において、CO変成器と選択酸化器とが、周方向に並べられた形態がある。   Alternatively, in the fourth region, the CO transformer and the selective oxidizer are arranged in the circumferential direction.

前記スチーム発生器で発生した水蒸気により、前記CO変成器および選択酸化器を冷却する冷却ラインを有することが好ましい。   It is preferable to have a cooling line that cools the CO converter and the selective oxidizer with water vapor generated by the steam generator.

前記スチーム発生器に、500kPa〜1000kPaの圧力の水が供給されることが好ましい。   It is preferable that water having a pressure of 500 kPa to 1000 kPa is supplied to the steam generator.

上記水素製造装置と、この水素製造装置で製造された水素含有ガスを燃料とする燃料電池とを有する燃料電池システムは、効率の高い、コンパクトな燃料電池システムである。   A fuel cell system including the hydrogen production apparatus and a fuel cell using the hydrogen-containing gas produced by the hydrogen production apparatus as a fuel is a highly efficient and compact fuel cell system.

この燃料電池システムにおいて、前記第2領域に燃焼触媒が配され、かつ、
燃料電池のアノードオフガスを燃焼触媒に導くラインを有する形態がある。
In this fuel cell system, a combustion catalyst is disposed in the second region, and
There is a form having a line for guiding the anode off gas of the fuel cell to the combustion catalyst.

あるいは、前記バーナーが燃料電池のアノードオフガスと炭化水素油とを燃焼可能な混焼バーナーであり、燃料電池のアノードオフガスを該バーナーに導くラインを有する形態がある。   Alternatively, there is a mode in which the burner is a mixed combustion burner capable of combusting an anode off gas and hydrocarbon oil of a fuel cell, and has a line for guiding the anode off gas of the fuel cell to the burner.

〔脱硫〕
硫黄は水蒸気改質触媒を不活性化させる作用があるため、水蒸気改質反応器に供給される炭化水素油中の硫黄濃度はなるべく低いことが好ましい。好ましくは50質量ppm以下、より好ましくは20質量ppm以下である。このため、必要であれば水蒸気改質の前に炭化水素油を脱硫することができる。水素製造装置に供給する前に予め脱硫された炭化水素油を用いても良いし、水素製造装置内に脱硫器を設けても良い。脱硫器を設ける場合、脱硫器に供給する炭化水素油は、脱硫器において例えば上記硫黄濃度まで脱硫できるものを適宜使用することができる。
[Desulfurization]
Since sulfur has an effect of inactivating the steam reforming catalyst, the sulfur concentration in the hydrocarbon oil supplied to the steam reforming reactor is preferably as low as possible. Preferably it is 50 mass ppm or less, More preferably, it is 20 mass ppm or less. For this reason, if necessary, the hydrocarbon oil can be desulfurized before the steam reforming. A hydrocarbon oil that has been desulfurized before being supplied to the hydrogen production apparatus may be used, or a desulfurizer may be provided in the hydrogen production apparatus. When providing a desulfurizer, the hydrocarbon oil supplied to a desulfurizer can use suitably what can be desulfurized, for example to the said sulfur concentration in a desulfurizer.

脱硫方法としては、システムの簡素化、制御方法の簡便さ、および触媒の前処理の容易さの観点から、収着型脱硫触媒の存在下硫黄分を収着させる方法が好ましい。収着型脱硫触媒は吸着および/または吸収によって硫黄分を除去するもので、例えば、硫黄の吸着容量の観点からZn/ZnO、Cu/CuO、Ni/NiOなどを含むものが好ましい。   As the desulfurization method, a method of sorbing a sulfur component in the presence of a sorption-type desulfurization catalyst is preferable from the viewpoint of simplification of the system, ease of control method, and ease of catalyst pretreatment. The sorption-type desulfurization catalyst removes sulfur by adsorption and / or absorption. For example, a catalyst containing Zn / ZnO, Cu / CuO, Ni / NiO or the like is preferable from the viewpoint of sulfur adsorption capacity.

収着型脱硫触媒を用いる場合、脱硫触媒を良好に機能させる観点から、脱硫温度は100〜350℃が好ましい。   When a sorption type desulfurization catalyst is used, the desulfurization temperature is preferably 100 to 350 ° C. from the viewpoint of causing the desulfurization catalyst to function well.

また、脱硫触媒が、収着脱硫のみならず炭化水素油の分解反応を促進するものであってもよい。この場合脱硫器が、炭化水素油を一部分解するプレリフォーマーを兼ねる形態となる。   In addition, the desulfurization catalyst may accelerate the decomposition reaction of hydrocarbon oil as well as the detachable sulfur. In this case, the desulfurizer serves as a pre-reformer that partially decomposes the hydrocarbon oil.

〔改質管〕
水蒸気改質反応を行う改質管では、炭化水素油と水が反応して一酸化炭素と水素が得られる。この反応は大きな吸熱を伴うため、外部からの加熱が必要である。このため、水素製造装置にはバーナーが設けられ、燃焼熱により、改質管を外部から加熱する。
[Reform tube]
In the reforming tube that performs the steam reforming reaction, hydrocarbon oil and water react to obtain carbon monoxide and hydrogen. Since this reaction involves a large endotherm, heating from the outside is necessary. For this reason, the hydrogen production apparatus is provided with a burner, and the reforming pipe is heated from the outside by combustion heat.

例えば、改質管内に改質触媒を充填して形成した改質触媒層に、炭化水素油とスチームを供給し、改質管の外部から改質触媒層を加熱することができる。   For example, hydrocarbon oil and steam can be supplied to a reforming catalyst layer formed by filling a reforming tube with a reforming catalyst, and the reforming catalyst layer can be heated from the outside of the reforming tube.

水蒸気改質反応は、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのVIII族金属を代表例とする金属触媒の存在下反応を行うことができる。   The steam reforming reaction can be performed in the presence of a metal catalyst, typically a Group VIII metal such as nickel, cobalt, iron, ruthenium, rhodium, iridium and platinum.

反応温度は450℃〜900℃、好ましくは500℃〜850℃、さらに好ましくは550℃〜800℃の範囲で行うことができる。   The reaction temperature can be 450 ° C to 900 ° C, preferably 500 ° C to 850 ° C, more preferably 550 ° C to 800 ° C.

改質反応の圧力は、適宜設定できるが、好ましくは大気圧〜20MPa、より好ましくは大気圧〜5MPa、さらに好ましくは大気圧〜1MPaの範囲である。   The pressure of the reforming reaction can be appropriately set, but is preferably in the range of atmospheric pressure to 20 MPa, more preferably atmospheric pressure to 5 MPa, and still more preferably atmospheric pressure to 1 MPa.

反応系に導入するスチームの量は、炭化水素油に含まれる炭素原子モル数に対する水分子モル数の比(スチーム/カーボン比)として定義され、この値は好ましくは0.5〜10、より好ましくは1〜7、さらに好ましくは2〜5とされる。この時の液空間速度(LHSV)は炭化水素燃料の液体状態での流速をA(L/h)、触媒層体積をB(L)とした場合A/Bで表すことができ、この値は好ましくは0.05〜20h-1、より好ましくは0.1〜10h-1、さらに好ましくは0.2〜5h-1の範囲で設定される。 The amount of steam introduced into the reaction system is defined as the ratio of the number of moles of water molecules to the number of moles of carbon atoms contained in the hydrocarbon oil (steam / carbon ratio), and this value is preferably 0.5 to 10, more preferably. Is 1-7, more preferably 2-5. The liquid space velocity (LHSV) at this time can be expressed as A / B when the flow rate in the liquid state of the hydrocarbon fuel is A (L / h) and the catalyst layer volume is B (L). Preferably, it is set in the range of 0.05 to 20 h −1 , more preferably 0.1 to 10 h −1 , and still more preferably 0.2 to 5 h −1 .

改質管の形態としては、熱バランスの観点から、二重管型反応器が好ましい。二重管型反応器においては、二重管の外環部に改質触媒が充填され、内管には触媒は充填されない。改質の原料は外環部に導入され、触媒層を通過する際に水蒸気改質反応を起こし、導入された側とは反対の端部で折り返し、内管を通過して原料が導入される側の端部から排出される。   The form of the reforming tube is preferably a double tube reactor from the viewpoint of heat balance. In the double tube reactor, the reforming catalyst is filled in the outer ring portion of the double tube, and the catalyst is not filled in the inner tube. The reforming raw material is introduced into the outer ring portion, undergoes a steam reforming reaction when passing through the catalyst layer, turns back at the end opposite to the introduced side, and passes through the inner tube to introduce the raw material. Discharged from the end of the side.

〔バーナー〕
バーナーの燃焼のために供給される燃料としては、可燃物を適宜用いることができる。例えば、水素製造の原料として用いる炭化水素油を燃焼用に用いることが、水素製造装置あるいはその付帯設備の簡素化の観点から好ましい。また、水素製造装置を燃料電池システムに用いる場合には、燃料電池のアノード(燃料極)から排出されるアノードオフガスを用いることが、エネルギー効率の観点から好ましい。
〔burner〕
As the fuel supplied for burning the burner, combustible materials can be used as appropriate. For example, it is preferable to use a hydrocarbon oil used as a raw material for hydrogen production for combustion from the viewpoint of simplification of the hydrogen production apparatus or its incidental facilities. Moreover, when using a hydrogen production apparatus for a fuel cell system, it is preferable from an energy efficiency viewpoint to use anode off gas discharged | emitted from the anode (fuel electrode) of a fuel cell.

バーナーの燃焼最高温度は、改質管材料の耐熱温度の観点から800〜1000℃とすることが好ましい。   The maximum combustion temperature of the burner is preferably 800 to 1000 ° C. from the viewpoint of the heat resistance temperature of the reformed pipe material.

〔CO変成器〕
改質管で発生する改質ガスは水素の他に一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水蒸気を含む。水素濃度を高めるため、また一酸化炭素は触媒毒となることもあるので一酸化炭素濃度を低減するため、一酸化炭素を水と反応させ水素と二酸化炭素に転換するのがCO変成器である。Fe−Crの混合酸化物、Zn−Cuの混合酸化物、白金、ルテニウム、イリジウムなど貴金属を含有する触媒を用い、一酸化炭素含有量(ドライベースのモル%)を好ましくは2%以下、より好ましくは1%以下、さらに好ましくは0.5%以下までに落とすことができる。
[CO transformer]
The reformed gas generated in the reforming tube contains carbon monoxide, carbon dioxide, methane, and steam in addition to hydrogen. The CO converter converts carbon monoxide with water to convert it into hydrogen and carbon dioxide in order to increase the hydrogen concentration and carbon monoxide may be a catalyst poison. . Fe-Cr mixed oxide, Zn-Cu mixed oxide, platinum, ruthenium, iridium and other noble metal-containing catalysts are used, and the carbon monoxide content (mol% in dry base) is preferably 2% or less, more Preferably it can be reduced to 1% or less, more preferably 0.5% or less.

シフト反応を二段階で行うこともでき、この場合CO変成器を二つに分ける。一方は相対的に高い定格運転温度を持つ高温CO変成器であり、他方は相対的に低い定格運転温度を持つ低温CO変成器である。高温CO変成は300〜500℃を好適な使用温度とする高温CO変成触媒を用いて行うことができ、低温CO変成は100〜300℃を好適な使用温度とする低温CO変成触媒を用いて行うことができる。改質ガスの流れに対し、上流から、高温CO変成器、低温CO変成器の順に設置する。   The shift reaction can also be carried out in two stages, in which case the CO converter is divided in two. One is a high temperature CO transformer with a relatively high rated operating temperature, and the other is a low temperature CO transformer with a relatively low rated operating temperature. The high-temperature CO conversion can be performed using a high-temperature CO conversion catalyst having a preferable use temperature of 300 to 500 ° C, and the low-temperature CO conversion is performed using a low-temperature CO conversion catalyst having a preferable use temperature of 100 to 300 ° C. be able to. The high-temperature CO converter and the low-temperature CO converter are installed in this order from the upstream with respect to the reformed gas flow.

CO変成はガス空間速度GHSV(15℃、0.101MPa換算)800〜3000h-1で行うことが好ましい。 The CO conversion is preferably performed at a gas space velocity GHSV (15 ° C., 0.101 MPa conversion) 800 to 3000 h −1 .

〔高温CO変成器〕
高温CO変成器には、300〜500℃でシフト反応活性を有する触媒である高温CO変成触媒を用いることができる。
[High temperature CO transformer]
For the high temperature CO converter, a high temperature CO conversion catalyst which is a catalyst having shift reaction activity at 300 to 500 ° C. can be used.

高温CO変成触媒としては、300〜500℃におけるシフト反応活性の観点から、硫黄の他に、鉄、クロムおよび銅から選ばれる少なくとも一種の金属を含むものが好ましい。例えば、高温変成触媒の酸化物基準での質量組成としては、硫黄を含み、かつ鉄を60〜95%、クロムを1〜30%、銅を0.1〜10%含むものが好ましい。形状は球状,円柱状、塊状、リング状のものが好ましく、成型法はどのような方法でも構わないが、錠剤成型および押し出し成型が好ましい。   As the high-temperature CO conversion catalyst, a catalyst containing at least one metal selected from iron, chromium and copper in addition to sulfur is preferable from the viewpoint of shift reaction activity at 300 to 500 ° C. For example, as a mass composition on the oxide basis of a high-temperature shift catalyst, one containing sulfur and 60 to 95% iron, 1 to 30% chromium, and 0.1 to 10% copper is preferable. The shape is preferably spherical, columnar, massive, or ring-shaped, and any molding method may be used, but tablet molding and extrusion molding are preferable.

高温CO変成工程において、GHSVが200〜10000h-1であることが好ましい(GHSVは15℃、0.101MPa換算のガス空間速度を表す。以下同様。)。200h-1以上とすることでガス処理能力および経済性を良好にすることができ、10000h-1以下であればCO濃度低減能に優れる。 In the high-temperature CO conversion step, GHSV is preferably 200 to 10,000 h −1 (GHSV represents a gas space velocity in terms of 15 ° C. and 0.101 MPa. The same applies hereinafter). When it is 200 h −1 or more, the gas treatment capacity and economy can be improved, and when it is 10000 h −1 or less, the CO concentration reduction ability is excellent.

〔低温CO変成器〕
低温CO変成器には、100〜300℃でシフト反応活性を有する触媒である低温CO変成触媒を用いることができる。
[Low-temperature CO transformer]
For the low temperature CO converter, a low temperature CO conversion catalyst which is a catalyst having a shift reaction activity at 100 to 300 ° C. can be used.

低温変成触媒としては、シフト反応活性の観点から、銅、亜鉛、ニッケル、鉄、マンガン、白金、金、ルテニウム、ロジウムおよびレニウムから選ばれる少なくとも一種の金属を含むものが好ましい。含有する総金属量は酸化物基準で5〜90質量%が好ましく,形状は球状,円柱状、塊状、リング状のものが好ましく、成型法はどのような方法でも構わないが、錠剤成型および押し出し成型が好ましい。触媒調製法は特に限定しないが、共沈法、ゲル混練法、含浸法が好ましい。   As the low-temperature modification catalyst, a catalyst containing at least one metal selected from copper, zinc, nickel, iron, manganese, platinum, gold, ruthenium, rhodium and rhenium is preferable from the viewpoint of shift reaction activity. The total amount of metal contained is preferably 5 to 90% by mass on the oxide basis, and the shape is preferably spherical, cylindrical, massive, or ring-shaped, and any molding method may be used, but tablet molding and extrusion Molding is preferred. The catalyst preparation method is not particularly limited, but a coprecipitation method, a gel kneading method, and an impregnation method are preferable.

低温CO変成器に供給するガスは、高温CO変成触媒への負担が大きくなるのを防止して劣化を防止する観点からCO濃度(ドライベースのモル%)が2%以上であることが好ましく、低温CO変成触媒の負担が大きくなるのを防止して触媒劣化を防止する観点からCO濃度(ドライベースのモル%)が20%以下であることが好ましい。従って、高温CO変成器において、この範囲までCO濃度を低減することが好ましい。   The gas supplied to the low temperature CO converter preferably has a CO concentration (mol% of dry base) of 2% or more from the viewpoint of preventing the burden on the high temperature CO conversion catalyst from increasing and preventing deterioration. From the viewpoint of preventing an increase in the burden of the low-temperature CO conversion catalyst and preventing catalyst deterioration, the CO concentration (mol% in dry base) is preferably 20% or less. Therefore, it is preferable to reduce the CO concentration to this range in a high temperature CO transformer.

低温変CO変成器に供給されるガスについては、GHSVが200〜50000h-1であることが好ましい。200h-1以上とすることでガス処理能力および経済性を良好にすることができ、50000h-1以下であればCO濃度低減能に優れる。 As for the gas supplied to the low-temperature CO converter, the GHSV is preferably 200 to 50000 h −1 . 200h -1 or more and can be made good gas throughput and economy by, excellent CO concentration reduction ability as long 50000h -1 or less.

〔選択酸化器〕
例えば固体高分子形燃料電池システムでは、さらに一酸化炭素濃度を低減させることが好ましく、このためにCO変成器の出口ガスを選択酸化器で処理することができる。選択酸化器ではCOが選択的に酸化されて二酸化炭素となる。
[Selective oxidizer]
For example, in the polymer electrolyte fuel cell system, it is preferable to further reduce the concentration of carbon monoxide, and for this purpose, the outlet gas of the CO converter can be treated with a selective oxidizer. In the selective oxidizer, CO is selectively oxidized to carbon dioxide.

この反応には、鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、銅、銀、金などを含有する触媒を用い、残存する一酸化炭素モル数に対し好ましくは0.5〜10倍モル、より好ましくは0.7〜5倍モル、さらに好ましくは1〜3倍モルの酸素を添加することで一酸化炭素を選択的に二酸化炭素に転換することにより一酸化炭素濃度を好ましくは10ppm(ドライベースのモル基準)以下に低減させる。この場合、一酸化炭素の酸化と同時に共存する水素と反応させメタンを生成させることで一酸化炭素濃度の低減を図ることもできる。酸素源としては例えば空気を用いることができる。   For this reaction, a catalyst containing iron, cobalt, nickel, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum, copper, silver, gold, etc. is used, and preferably 0.5 mol relative to the number of moles of carbon monoxide remaining. The carbon monoxide concentration is reduced by selectively converting carbon monoxide to carbon dioxide by adding 10 to 10 times mol, more preferably 0.7 to 5 times mol, and still more preferably 1 to 3 times mol. Preferably, it is reduced to 10 ppm (mol basis of dry base) or less. In this case, the carbon monoxide concentration can be reduced by reacting with the coexisting hydrogen simultaneously with the oxidation of carbon monoxide to generate methane. For example, air can be used as the oxygen source.

選択酸化は、100〜200℃を好適な使用温度とする選択酸化触媒を用いて行うことができる。供給する酸素とCOのモル比(O2/CO比)は1.0〜2.0が好ましく、またGHSV(15℃、0.101MPa換算)で7000〜10000h-1が好ましい。 The selective oxidation can be performed using a selective oxidation catalyst having a suitable use temperature of 100 to 200 ° C. The molar ratio of oxygen to be supplied and CO (O 2 / CO ratio) is preferably 1.0 to 2.0, and preferably 7000 to 10,000 h −1 in terms of GHSV (15 ° C., 0.101 MPa conversion).

〔水/蒸気系〕
水蒸気改質に必要な水蒸気を供給するために、水素製造装置は水蒸発器(スチーム発生器)を備える。また、安定運転の観点から、水蒸発器は発生した水蒸気を過熱するスーパーヒート部を有することが好ましい。
[Water / steam system]
In order to supply steam necessary for steam reforming, the hydrogen production apparatus includes a water evaporator (steam generator). Further, from the viewpoint of stable operation, the water evaporator preferably has a superheat section that superheats the generated water vapor.

水素製造装置に供給する水の温度については、特に加熱することなく常温の水を用いることができ、あるいは例えば35〜60℃とすることができる。その圧力は適宜設定できるが、熱回収の促進による熱効率向上の観点から500kPa〜1000kPaが好ましい。   About the temperature of the water supplied to a hydrogen production apparatus, normal temperature water can be used, without heating in particular, or it can be 35-60 degreeC, for example. The pressure can be appropriately set, but is preferably 500 kPa to 1000 kPa from the viewpoint of improving thermal efficiency by promoting heat recovery.

発生させる水蒸気は例えば圧力に応じた飽和水蒸気でもよいが、これをスーパーヒートして例えば250〜450℃とすることができる。   The water vapor to be generated may be, for example, saturated water vapor depending on the pressure, but this can be superheated to, for example, 250 to 450 ° C.

〔配置〕
図2には、水素製造装置の概略を模式的に示す。水素製造装置は4つの領域を有する。第1領域1は鉛直に配置される円柱状の領域であり、第2領域2はその外周に配される環状の領域であり、第3領域3はさらにその外周に配される環状の領域であり、第4領域4はさらにその外周に配される環状の領域である。
[Arrangement]
FIG. 2 schematically shows an outline of the hydrogen production apparatus. The hydrogen production apparatus has four regions. The first region 1 is a columnar region arranged vertically, the second region 2 is an annular region disposed on the outer periphery thereof, and the third region 3 is an annular region disposed further on the outer periphery thereof. In addition, the fourth region 4 is an annular region disposed on the outer periphery thereof.

第1領域にはバーナーが、第2領域には改質管が、第3領域にはスチーム発生器が、第4領域にはCO変成器および選択酸化器が設けられる。   A burner is provided in the first region, a reforming tube is provided in the second region, a steam generator is provided in the third region, and a CO converter and a selective oxidizer are provided in the fourth region.

第1から第4の全ての領域が一つの密閉可能な容器内に形成されていてもよい。この場合、容器は円筒状の容器を用いることができる。この形態では、全領域を一つの容器に収め、その外側を保温材で覆うこと及び/または容器外壁を真空断熱構造とすることなどして、容器全体を保温することができ、熱効率の観点および断熱材スペース低減の観点から好ましい。真空断熱構造は、容器壁を内壁と外壁の二重構造とし、内壁と外壁の間を真空とするものである。   All the first to fourth regions may be formed in one sealable container. In this case, a cylindrical container can be used as the container. In this form, the whole region can be kept in one container and the outside is covered with a heat insulating material and / or the outer wall of the container has a vacuum heat insulating structure. This is preferable from the viewpoint of reducing the space for the heat insulating material. In the vacuum heat insulating structure, the container wall has a double structure of an inner wall and an outer wall, and a vacuum is formed between the inner wall and the outer wall.

また、全ての領域が一つの容器内にある必要はなく、例えば、第1から第3までの領域が一つの密閉可能な容器内に形成され、第4の領域がこの容器とは独立した密閉可能な容器に形成されていることもできる。この場合、前者の容器は円筒状とし、後者の容器は環状とし、両容器を間隔をあけて設置し、両容器を繋ぐ流路を設けることができる。両容器ともそれぞれ外壁を真空断熱構造とすることが好ましい。この形態は、例えば第4領域にあるCO変成器および選択酸化器の過熱を避けるため、第3領域と第4領域の間で直接熱伝導しない方が良い場合に好適に採用される。このとき、両容器をまとめて一体的に保温することが熱効率の観点および断熱材スペース低減の観点から好ましい。   Further, it is not necessary that all the regions are in one container. For example, the first to third regions are formed in one sealable container, and the fourth region is sealed independently from this container. It can also be formed in a possible container. In this case, the former container can be cylindrical, the latter container can be annular, and both containers can be installed with a space therebetween, and a flow path connecting the two containers can be provided. Both containers preferably have a vacuum heat insulating structure on the outer wall. This configuration is preferably employed when it is better not to conduct heat directly between the third region and the fourth region, for example, in order to avoid overheating of the CO converter and the selective oxidizer in the fourth region. At this time, it is preferable from the viewpoint of thermal efficiency and the reduction of the space for the heat insulating material that the two containers are collectively kept warm.

〔水素製造装置の第1の形態〕
上記水素製造装置の一形態につき、図3に垂直断面を模式的に、また図4に模式的水平断面を示す。なお以降の各図は説明のための図であって、必ずしも厳密に装置を表すものではない。この形態では、第1から第3領域までが一つの円筒状容器101内に隣接して形成され、第4領域は独立した環状の容器102に形成され、第3領域と第4領域とを接続する接続部103を有する。全ての領域の中心軸は一致する。
[First form of hydrogen production apparatus]
FIG. 3 schematically shows a vertical section and FIG. 4 shows a schematic horizontal section of one embodiment of the hydrogen production apparatus. The following drawings are for illustration purposes and do not necessarily represent the apparatus strictly. In this embodiment, the first to third regions are formed adjacent to each other in one cylindrical container 101, the fourth region is formed in an independent annular container 102, and the third region and the fourth region are connected. Connecting portion 103 to be connected. The central axes of all regions are coincident.

第1領域1にはバーナー11が容器101の上面を貫通して下向きに設けられ、燃焼時には火炎12が形成される。バーナーが下向きであると、液だれを効果的に防止できるため好ましい。また燃焼筒13を有し、燃焼筒により第1領域と第2領域とが区画される。燃焼筒は容器底面に達するが、下端近傍に開口14を有し、バーナーの燃焼ガスは開口を通って隣接する第2領域2へと流れる。バーナーは全ての領域の中心軸に沿う位置に設けられている。   In the first region 1, a burner 11 passes through the upper surface of the container 101 and is provided downward, and a flame 12 is formed during combustion. It is preferable for the burner to face downward because it can effectively prevent dripping. Moreover, it has the combustion cylinder 13, and a 1st area | region and a 2nd area | region are divided by the combustion cylinder. The combustion cylinder reaches the bottom of the container, but has an opening 14 near the lower end, and the combustion gas of the burner flows through the opening to the adjacent second region 2. The burner is provided at a position along the central axis of all regions.

燃焼筒には、例えばセラミック製の円筒を用いることができ、下部に開口部を有する。燃焼筒を用いることで燃焼ガスにより均一に第2領域の改質管を加熱できる。開口は、燃焼ガスが改質管を均等に加熱するように適宜設けることができるが、このために例えば燃焼筒長の下部30%程度から下端までの間に複数の開口を設けることができる。また、第1領域の底面には、断熱材15を設けることができる。   For example, a ceramic cylinder can be used as the combustion cylinder, and an opening is formed in the lower part. By using the combustion cylinder, the reforming pipe in the second region can be uniformly heated by the combustion gas. The openings can be appropriately provided so that the combustion gas uniformly heats the reforming tube. For this purpose, for example, a plurality of openings can be provided from the lower portion of the combustion cylinder length of about 30% to the lower end. Moreover, the heat insulating material 15 can be provided in the bottom face of a 1st area | region.

この水素製造装置を燃料電池システムにおいて用いる場合、このバーナーは、炭化水素油と燃料電池のアノードオフガスの両者を燃焼可能な混焼バーナーであることができる。このようにすると、アノードオフガスの有効利用を図り、炭化水素油の消費量を削減でき、熱効率の観点から好ましい。   When this hydrogen production apparatus is used in a fuel cell system, the burner can be a mixed combustion burner capable of combusting both hydrocarbon oil and anode off-gas of the fuel cell. This makes it possible to effectively use the anode off gas, reduce the consumption of hydrocarbon oil, and is preferable from the viewpoint of thermal efficiency.

第2領域には下端が閉じられた二重管式の改質管21が設けられ、改質管は燃焼ガスによって加熱される。一方、改質管の外環部には原料ガスマニホールド22から炭化水素油と水蒸気が混合された原料ガスが供給され、外環部に設けられた改質触媒層21aにて改質反応が起こり改質ガスに転換され、改質ガスは改質管の内管部を上昇し、連通部24を経て改質ガスマニホールド36に至る。隔壁23は第2領域と第3領域との間を区画する。隔壁は断熱材で形成することができる。   In the second region, a double pipe type reforming pipe 21 having a closed lower end is provided, and the reforming pipe is heated by the combustion gas. On the other hand, a raw material gas in which hydrocarbon oil and water vapor are mixed is supplied from the raw material gas manifold 22 to the outer ring portion of the reforming pipe, and a reforming reaction occurs in the reforming catalyst layer 21a provided in the outer ring portion. The reformed gas is converted into the reformed gas, and the reformed gas ascends the inner pipe portion of the reformer tube and reaches the reformed gas manifold 36 through the communication portion 24. The partition wall 23 partitions the second region and the third region. A partition can be formed with a heat insulating material.

なお、容器101の第1領域および第2領域の底面には断熱材110を設けることが、熱効率の観点から好ましい。   In addition, it is preferable from a viewpoint of thermal efficiency to provide the heat insulating material 110 in the bottom face of the 1st area | region and 2nd area | region of the container 101. FIG.

また、改質管出口改質ガス流路に、オリフィスを取り付け、複数本の改質管の圧力損失を均一化し、安定性を図ることもできる。例えば、オリフィスを各改質管出口部(内管の出口部)につけることができる。オリフィス径はオリフィス部の差圧が触媒充填した改質管差圧の好ましくは50%〜300%程度、より好ましくは100%〜150%程度となる径とする。オリフィスを取り付けることにより、複数の改質管への原料ガスの分布が均一となり、改質管温度のばらつきが少なくなるため、改質管温度制御が容易で、均質な改質ガスを得ることができる。   In addition, an orifice can be attached to the reforming pipe outlet reforming gas flow path, and the pressure loss of the plurality of reforming pipes can be made uniform to achieve stability. For example, an orifice can be attached to each reforming pipe outlet (inner pipe outlet). The orifice diameter is set such that the differential pressure at the orifice portion is preferably about 50% to 300%, more preferably about 100% to 150% of the differential pressure of the reforming pipe filled with the catalyst. By attaching the orifice, the distribution of the raw material gas to the plurality of reforming tubes becomes uniform and the variation of the reforming tube temperature is reduced, so that the reforming tube temperature control is easy and a homogeneous reformed gas can be obtained. it can.

改質管は、バーナーを取り囲むように、全領域の中心軸を中心とする円周に沿って複数設けられる。その本数は第二領域の大きさ及び原料ガスの流量分散性を考慮すると6〜12本が好ましい。ここでは9本の改質管が設けられている。また、改質管の外表面にフィンを設けることもできる。これにより燃焼ガスの熱が改質管内部の触媒に、より伝わりやすくなり、好ましい。   A plurality of reforming tubes are provided along a circumference centering on the central axis of the entire region so as to surround the burner. The number is preferably 6 to 12 in consideration of the size of the second region and the flow rate dispersibility of the source gas. Here, nine reforming pipes are provided. Also, fins can be provided on the outer surface of the reforming tube. This is preferable because the heat of the combustion gas is more easily transmitted to the catalyst inside the reforming tube.

第3領域には水蒸発器31および原料ガス予熱器32が設けられる。第2領域から供給される燃焼ガスは、原料ガス予熱器および水蒸気発生器にこの順に接し、これらを加熱し、燃焼ガス排出口33から容器101外に排出される。一方、水供給管34から供給された水が水蒸発器でスチームとされ、このスチームはスチーム供給管35を経て、後述するように第4領域で選択酸化器およびCO変成器を冷却するとともに自身は加熱され、混合器51で原料と混合され、さらに混合促進手段であるスタティックミキサー120を経た上で原料ガス予熱器32に供給される。原料ガス予熱器に供給される混合物が液体を含む場合には、原料ガス予熱器が気化器を兼ねる。原料ガス予熱器で加熱された原料ガス(気化した炭化水素油と水蒸気との混合ガス)は、原料ガスマニホールド22に供給され、改質に供される。なお図4では、説明のために第3領域を二つに分けて改質ガスマニホールド36と水蒸発器31が水平方向に並んでいるかのごとくに示してあるが、実際は図3に示されるようにこれらは上下に配置されている。   A water evaporator 31 and a raw material gas preheater 32 are provided in the third region. The combustion gas supplied from the second region contacts the raw material gas preheater and the steam generator in this order, heats them, and is discharged out of the container 101 from the combustion gas discharge port 33. On the other hand, the water supplied from the water supply pipe 34 is steamed by the water evaporator, and this steam cools the selective oxidizer and the CO converter in the fourth region as will be described later and passes through the steam supply pipe 35. Is heated, mixed with the raw material in the mixer 51, and further supplied to the raw material gas preheater 32 after passing through the static mixer 120 which is a mixing promoting means. When the mixture supplied to the source gas preheater contains a liquid, the source gas preheater also serves as a vaporizer. The raw material gas (mixed gas of vaporized hydrocarbon oil and water vapor) heated by the raw material gas preheater is supplied to the raw material gas manifold 22 and subjected to reforming. In FIG. 4, for the sake of explanation, the third region is divided into two parts so as to show whether the reformed gas manifold 36 and the water evaporator 31 are arranged in the horizontal direction, but actually, as shown in FIG. These are arranged one above the other.

水蒸発器、原料ガス予熱器は、単管が第3領域の周方向にコイル状に巻かれた形態を有する。   The water evaporator and the raw material gas preheater have a form in which a single tube is wound in a coil shape in the circumferential direction of the third region.

さらに、熱効率向上のために、第3領域にバーナー燃焼用の空気を予熱する空気予熱器を設けることもできる。たとえば、第3領域の改質ガス流れに対して最も下流に、第3領域の周方向にコイル状に巻かれた単管を設け、ここに空気を流して改質ガスによって加熱した上でバーナーに供給することができる。   Furthermore, in order to improve thermal efficiency, an air preheater for preheating the air for burner combustion can be provided in the third region. For example, a single pipe wound in a coil shape in the circumferential direction of the third region is provided on the most downstream side with respect to the reformed gas flow in the third region. Can be supplied to.

第4領域の内部は垂直な隔壁によって周方向に区画され、各区画に必要に応じて触媒が充填されてなる高温CO変成器41、改質ガス冷却器42、低温CO変成器43、第1の改質ガス空気混合器44、第1の選択酸化器45、第2の改質ガス空気混合器46および第2の選択酸化器47が周方向に並んでいる。接続部103を通して改質ガスマニホールド36から供給された改質ガスは、まず高温CO変成触媒が充填された高温CO変成器41内の高温CO変成触媒層41aにてシフト反応によりそのCO濃度が低減される。このとき高温CO変成器内を貫通する冷却管48を流れるスチームにより、高温CO変成器は冷却される。高温CO変成器を通過した改質ガスは、改質ガス冷却器42(触媒は充填されない)にて冷却管を流れるスチームにより、低温CO変成に好適な温度まで冷却され、低温CO変成触媒が充填された低温CO変成器43に供給される。ここで改質ガスは、シフト反応によりそのCO濃度がさらに低減される。このとき低温CO変成器内を貫通する冷却管を流れるスチームにより、低温CO変成器は冷却される。低温CO変成器を出た改質ガスは、第1の改質ガス空気混合器44(触媒は充填されない)にて、CO選択酸化のための空気と混合される。空気と混合された改質ガスは、選択酸化触媒が充填された第1の選択酸化器45にて、COの酸化により、そのCO濃度がさらに低減される。第1の選択酸化器を出た改質ガスは、さらに第2の改質ガス空気混合器46(触媒は充填されない)にて、空気と混合され、選択酸化触媒が充填された第2の選択酸化器47においてCOの酸化によりCO濃度が低減され、低CO濃度の水素含有ガスとして水素含有ガス取り出し口50から取り出される。なお、高温CO変成器41と改質ガス冷却器42の間を結ぶ改質ガス流路など、上記機器41〜47間をそれぞれ結ぶ改質ガス流路は図示を省略してある。   The inside of the fourth region is partitioned in the circumferential direction by vertical partition walls, and a high-temperature CO converter 41, a reformed gas cooler 42, a low-temperature CO converter 43, and a first chamber in which each partition is filled with a catalyst as necessary. The reformed gas / air mixer 44, the first selective oxidizer 45, the second reformed gas / air mixer 46, and the second selective oxidizer 47 are arranged in the circumferential direction. The reformed gas supplied from the reformed gas manifold 36 through the connecting portion 103 is first reduced in its CO concentration by a shift reaction in the high temperature CO shift catalyst layer 41a in the high temperature CO shift converter 41 filled with the high temperature CO shift catalyst. Is done. At this time, the high temperature CO transformer is cooled by the steam flowing through the cooling pipe 48 penetrating the inside of the high temperature CO transformer. The reformed gas that has passed through the high-temperature CO converter is cooled to a temperature suitable for low-temperature CO conversion by steam flowing through the cooling pipe in the reformed gas cooler 42 (the catalyst is not filled), and is filled with the low-temperature CO conversion catalyst. Is supplied to the low-temperature CO transformer 43. Here, the CO concentration of the reformed gas is further reduced by a shift reaction. At this time, the low temperature CO converter is cooled by the steam flowing through the cooling pipe passing through the inside of the low temperature CO converter. The reformed gas exiting the low temperature CO converter is mixed with air for CO selective oxidation in a first reformed gas air mixer 44 (not packed with catalyst). The reformed gas mixed with air is further reduced in CO concentration by oxidation of CO in the first selective oxidizer 45 filled with the selective oxidation catalyst. The reformed gas leaving the first selective oxidizer is further mixed with air in a second reformed gas air mixer 46 (not filled with catalyst), and the second selection filled with the selective oxidation catalyst. The CO concentration is reduced by oxidation of CO in the oxidizer 47, and is taken out from the hydrogen-containing gas outlet 50 as a hydrogen-containing gas having a low CO concentration. Note that the reformed gas flow paths connecting the devices 41 to 47 such as the reformed gas flow paths connecting the high temperature CO converter 41 and the reformed gas cooler 42 are not shown.

改質ガスと空気とをより良く混合する観点から、第1および第2の改質ガス空気混合器内には、それぞれ邪魔板が配され、いわゆるスタティックミキサーが形成されることが好ましい。第1および第2の選択酸化器は、それぞれその内部を貫通する冷却管を流れるスチームにより冷却される。なお、改質ガス空気混合器内には冷却管は設けなくてよい。   From the viewpoint of better mixing of the reformed gas and air, it is preferable that baffle plates are respectively disposed in the first and second reformed gas air mixers to form a so-called static mixer. Each of the first and second selective oxidizers is cooled by steam flowing through a cooling pipe penetrating the first and second selective oxidizers. In addition, it is not necessary to provide a cooling pipe in the reformed gas air mixer.

CO選択酸化を一段で行うことも可能であるが、上に示したように2段階でCO選択酸化を行うと、例えばCO濃度(ドライベースのモル基準)を1%から10ppmに容易に低減できるため好ましい。例えば第1のCO選択酸化によりCO濃度(ドライベースのモル基準)を1%から5000ppmまで低減し、第2のCO選択酸化により10ppmまで低減することができる。   Although it is possible to perform CO selective oxidation in one stage, as shown above, when CO selective oxidation is performed in two stages, for example, the CO concentration (on a dry basis, molar basis) can be easily reduced from 1% to 10 ppm. Therefore, it is preferable. For example, the first CO selective oxidation can reduce the CO concentration (dry basis molar basis) from 1% to 5000 ppm, and the second CO selective oxidation can reduce it to 10 ppm.

一方、水蒸発器31で発生したスチームはスチーム供給管35からスチームマニホールド49aに供給され、高温CO変成器41、改質ガス冷却器42、低温CO変成器43、第1の選択酸化器45、および第2の選択酸化器47内に配される冷却管を通過する際に改質ガスを冷却するとともに自身は加熱され、スチームマニホールド49bで集合し、混合器51で脱硫された炭化水素油と混合される。冷却管はいわゆるシェルアンドチューブ型の熱交換器のように、鉛直方向に設けられた複数の管であり、図4では一部のみ示してある。   On the other hand, the steam generated in the water evaporator 31 is supplied from the steam supply pipe 35 to the steam manifold 49a, and the high temperature CO converter 41, the reformed gas cooler 42, the low temperature CO converter 43, the first selective oxidizer 45, And the hydrocarbon gas cooled by the reformed gas when it passes through the cooling pipe disposed in the second selective oxidizer 47 and heated by itself, gathered in the steam manifold 49b, and desulfurized in the mixer 51; Mixed. The cooling pipes are a plurality of pipes provided in the vertical direction like a so-called shell and tube type heat exchanger, and only a part is shown in FIG.

炭化水素油の脱硫は、容器101、102とは独立した不図示の脱硫器にて行われる。この脱硫器は燃焼ガス排出口33から排出される燃焼ガスによって加熱される。この脱硫器の構造は、例えば、二重管式構造で外側が脱硫触媒層であり、原料が下部から上部に流れ、脱硫反応温度100℃〜350℃となるように、内管部を流れる燃焼ガスによって温度調節することができる。   The desulfurization of the hydrocarbon oil is performed in a desulfurizer (not shown) independent of the containers 101 and 102. This desulfurizer is heated by the combustion gas discharged from the combustion gas discharge port 33. The structure of this desulfurizer is, for example, a double pipe structure, the outer side is a desulfurization catalyst layer, the raw material flows from the lower part to the upper part, and the combustion flows through the inner pipe part so that the desulfurization reaction temperature is 100 ° C to 350 ° C Temperature can be adjusted by gas.

〔水素製造装置の第2の形態〕
図5に、上記水素製造装置の別の形態を示す。この形態は、改質器部分である第2領域に燃焼触媒層25を有し、またこの燃焼触媒に燃料電池のアノードオフガスを供給するアノードオフガス供給管26を有する。バーナーは炭化水素油を燃焼させるだけでよく、混焼バーナーである必要はない。酸素が残留するバーナーの燃焼ガスと、アノードオフガスが燃焼触媒によって燃焼し、その燃焼ガスが第2領域に供給される。燃焼触媒層はバーナーの燃焼ガスが全て燃焼触媒層を通るように設けることができる。例えば、改質管21の周りに、バーナーの燃焼ガス流路断面全域に設けることができる。
[Second form of hydrogen production apparatus]
FIG. 5 shows another form of the hydrogen production apparatus. In this embodiment, a combustion catalyst layer 25 is provided in the second region which is a reformer portion, and an anode off gas supply pipe 26 for supplying an anode off gas of the fuel cell to the combustion catalyst. The burner need only burn hydrocarbon oil and need not be a mixed burner. The burner combustion gas in which oxygen remains and the anode off-gas are combusted by the combustion catalyst, and the combustion gas is supplied to the second region. The combustion catalyst layer can be provided so that all the combustion gas of the burner passes through the combustion catalyst layer. For example, it can be provided around the reforming pipe 21 over the entire combustion gas flow path cross section of the burner.

この形態は、改質管温度分布の均質化及び排ガス性状の改善の点において好ましい。   This form is preferable in terms of homogenizing the reforming tube temperature distribution and improving the exhaust gas properties.

燃焼触媒は公知の燃焼触媒から適宜選ぶことができるが、例えばセラミックスや金属等のハニカム担体に、シリカ、アルミナ等の活性担体が担持され、かつその上にPt、Pd等の貴金属或いは複合酸化物が担持された構成の触媒を用いることができる。   The combustion catalyst can be appropriately selected from known combustion catalysts. For example, an active carrier such as silica or alumina is supported on a honeycomb carrier such as ceramics or metal, and a noble metal or composite oxide such as Pt or Pd is supported thereon. Can be used.

上記以外は、第1の形態と同様である。   Other than the above, the second embodiment is the same as the first embodiment.

第1の形態および第2の形態を含め上述の水素製造装置においては、水素製造に必要な改質器、CO変成器、選択酸化器などの反応器、水蒸発器、予熱器などの熱交換器類を一体的に構成することができ、また、それぞれの触媒の使用温度、空間速度等の反応条件が適正となるような装置構造及び機器配置等にすることで、触媒寿命により規定される寿命の長期化や運転条件範囲の拡大が達成できる。従って、この水素製造装置は、コンパクトで熱効率に優れ、長寿命かつ運転条件の範囲が広い水素製造装置である。また、この水素製造装置は、炭化水素油と水蒸気との混合物の混合が促進されるため、コーク析出やガス組成の変動が抑制され、長期間安定して運転可能である。   In the above-described hydrogen production apparatus including the first and second embodiments, heat exchange is performed for reactors necessary for hydrogen production, reactors such as a CO converter, selective oxidizer, water evaporator, preheater, etc. The equipment can be configured as a single unit, and the life of the catalyst is defined by the equipment structure and equipment layout that makes the reaction conditions such as the operating temperature and space velocity of each catalyst appropriate. Longer service life and extended operating conditions can be achieved. Therefore, this hydrogen production apparatus is a hydrogen production apparatus that is compact and excellent in thermal efficiency, has a long service life and a wide range of operating conditions. In addition, since the mixing of a mixture of hydrocarbon oil and water vapor is promoted in this hydrogen production apparatus, coke deposition and gas composition fluctuations are suppressed, and the hydrogen production apparatus can be operated stably for a long period of time.

〔燃料電池システム〕
上述の水素製造装置と、この水素製造装置から得られる水素含有ガスを燃料極供給ガスとして用いる燃料電池とを備える燃料電池システムには、カソードに空気等の酸素含有ガスを供給する手段、燃料電池から電気を取り出すための手段、計装制御機器など、従来から燃料電池システムに備わる機器等として公知の機器等を適宜設けることができる。
[Fuel cell system]
A fuel cell system including the above-described hydrogen production apparatus and a fuel cell using a hydrogen-containing gas obtained from the hydrogen production apparatus as a fuel electrode supply gas includes means for supplying an oxygen-containing gas such as air to the cathode, a fuel cell A known device or the like can be appropriately provided as a device conventionally provided in a fuel cell system, such as a means for extracting electricity from an instrument and an instrumentation control device.

燃料電池のアノードオフガスは、水素製造装置が混焼バーナーを有する場合(例えば前述の第1の形態)、バーナーで燃焼させることができる。水素製造装置が燃焼触媒を有する場合(例えば前述の第2の形態)、燃焼触媒にて燃焼させることができる。このため、燃料電池システムは、アノードオフガスを混焼バーナーに導くラインや、アノードオフガスを燃焼触媒に導くラインを有することができる。このラインは配管やバルブ等により適宜形成できる。   The anode off-gas of the fuel cell can be burned by a burner when the hydrogen production apparatus has a mixed combustion burner (for example, the first embodiment described above). When a hydrogen production apparatus has a combustion catalyst (for example, the above-mentioned 2nd form), it can be made to burn with a combustion catalyst. For this reason, the fuel cell system can have a line for guiding the anode off gas to the mixed combustion burner and a line for guiding the anode off gas to the combustion catalyst. This line can be appropriately formed by piping or valves.

このような構成により、例えば、燃料電池システムの起動時には炭化水素油を燃焼させるが、定格運転時にはアノードオフガスのみを燃焼させ、燃焼用の炭化水素油の消費を抑えることができる。   With such a configuration, for example, hydrocarbon oil is combusted when the fuel cell system is started, but only anode off gas is combusted during rated operation, and consumption of hydrocarbon oil for combustion can be suppressed.

上記燃料電池システムは、高効率かつコンパクト、長寿命かつ運転条件の範囲が広い燃料電池システムであり、また、コーク析出やガス組成の変動が抑制され、長期間安定して運転可能である。   The fuel cell system is a fuel cell system that is highly efficient, compact, has a long lifetime, and has a wide range of operating conditions. Further, coke deposition and fluctuations in gas composition are suppressed, and the fuel cell system can be stably operated for a long time.

本発明の改質装置は、水素製造に好適に用いることができ、燃料電池システムに好適に用いることができる。また本発明の燃料電池システムは、発電システムとして、あるいはコージェネレーションシステムとして好適に用いることができる。   The reformer of the present invention can be suitably used for hydrogen production and can be suitably used for a fuel cell system. The fuel cell system of the present invention can be suitably used as a power generation system or a cogeneration system.

本発明の改質装置の一形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one form of the reforming apparatus of this invention. 水素製造装置を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows a hydrogen production apparatus. 上記水素製造装置の第1の形態につき、垂直方向断面を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a vertical direction cross section typically about the 1st form of the said hydrogen production apparatus. 上記水素製造装置の第1の形態につき、水平垂直方向断面を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a horizontal-vertical direction cross section typically about the 1st form of the said hydrogen production apparatus. 上記水素製造装置の第2の形態につき、垂直方向断面を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a vertical direction cross section typically about the 2nd form of the said hydrogen production apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1 第1領域
2 第2領域
3 第3領域
4 第4領域
11 バーナー
12 火炎
13 燃焼筒
14 開口
15 断熱材
21 改質管
21a 改質触媒層
22 原料ガスマニホールド
23 隔壁
24 連通部
25 燃焼触媒層
26 アノードオフガス供給管
31 水蒸発器
32 原料ガス予熱器
33 燃焼ガス排出口
34 水供給管
35 スチーム供給管
36 改質ガスマニホールド
41 高温CO変成器
41a 高温CO変成触媒層
42 改質ガス冷却器
43 低温CO変成器
44 第1の改質ガス空気混合器
45 第1の選択酸化器
46 第2の改質ガス空気混合器
47 第2の選択酸化器
48 冷却管
49a、b スチームマニホールド
50 水素含有ガス取り出し口
51 混合器
101 第1から第3領域までを収める円筒状容器
102 第4領域を独立して収める環状容器
103 接続部
110 断熱材
120 混合促進手段
1001 混合手段
1002 混合促進手段
1003 改質器
1003a バーナー
1003b 反応管
1004 熱交換手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st area | region 2 2nd area | region 3 3rd area | region 4 4th area | region 11 Burner 12 Flame 13 Combustion cylinder 14 Opening 15 Heat insulating material 21 Reforming pipe 21a Reforming catalyst layer 22 Raw material gas manifold 23 Partition 24 Communication part 25 Combustion catalyst layer 26 Anode off gas supply pipe 31 Water evaporator 32 Raw material gas preheater 33 Combustion gas outlet 34 Water supply pipe 35 Steam supply pipe 36 Reformed gas manifold 41 High temperature CO converter 41a High temperature CO conversion catalyst layer 42 Reformed gas cooler 43 Low-temperature CO converter 44 First reformed gas air mixer 45 First selective oxidizer 46 Second reformed gas air mixer 47 Second selective oxidizer 48 Cooling pipes 49a, b Steam manifold 50 Hydrogen-containing gas 51 Outlet 51 Mixer 101 Cylindrical container for storing the first to third areas 102 Independently collecting the fourth area That the annular container 103 connection portion 110 heat insulator 120 mixing acceleration means 1001 mixing unit 1002 mixing acceleration means 1003 reformer 1003a burner 1003b reaction tube 1004 heat exchange means

Claims (13)

水素製造用原料と水蒸気を混合し、該混合物を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを得る改質装置において、
水素製造用原料と水蒸気とを混合する混合手段;
該混合手段の下流に配された、水素製造用原料と水蒸気との混合を促進する混合促進手段;および
該混合促進手段により混合が促進された混合物を改質触媒の存在下に改質する改質器
を有し、
前記混合手段の流路断面積が、混合促進手段の流路断面積の1.5倍以上3倍以下である改質装置。
In a reformer for mixing a raw material for hydrogen production and steam, and steam reforming the mixture to obtain a reformed gas containing hydrogen,
Mixing means for mixing the raw material for hydrogen production with water vapor;
A mixing promoting means for promoting the mixing of the raw material for hydrogen production and steam disposed downstream of the mixing means; and a reforming means for reforming the mixture promoted by the mixing promoting means in the presence of the reforming catalyst. It has a quality instrument,
A reformer in which the flow channel cross-sectional area of the mixing means is 1.5 to 3 times the flow cross-sectional area of the mixing promoting means .
前記混合促進手段が、管状部材の内部に邪魔板が配された構造を有する請求項1記載の改質装置。   The reforming apparatus according to claim 1, wherein the mixing promoting means has a structure in which a baffle plate is arranged inside a tubular member. さらに、前記混合促進手段の下流に、かつ、改質触媒の上流に、水素製造用原料と水蒸気との混合物を加熱するための加熱手段を有する請求項1または2記載の改質装置。 Further, downstream of the mixing acceleration means, and upstream of the reforming catalyst, the reforming apparatus according to claim 1 or 2, wherein a heating means for heating the mixture of hydrogen-producing feedstock and steam. 前記改質器が水蒸気改質に必要な熱を発生するための燃焼手段を有し、
前記加熱手段が、該燃焼手段の燃焼ガスが流れる流路内に配され、該燃焼ガスによって水素製造用原料と水蒸気との混合物を加熱する熱交換手段である請求項記載の改質装置。
The reformer has combustion means for generating heat necessary for steam reforming;
The reforming apparatus according to claim 3 , wherein the heating means is a heat exchange means that is disposed in a flow path through which the combustion gas of the combustion means flows, and that heats a mixture of the raw material for hydrogen production and water vapor with the combustion gas.
前記熱交換手段が、管がコイル状に巻かれた構造または複数の直管が並列に接続された構造を有する請求項記載の改質装置。 The reforming apparatus according to claim 4 , wherein the heat exchange means has a structure in which a tube is wound in a coil shape or a structure in which a plurality of straight tubes are connected in parallel. 水素製造用原料と水蒸気を混合し、該混合物を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを得る改質方法において、
水素製造用原料と水蒸気を混合し、該混合物を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを得る改質装置であって、水素製造用原料と水蒸気とを混合する混合手段;該混合手段の下流に配された、水素製造用原料と水蒸気との混合を促進する混合促進手段;および該混合促進手段により混合が促進された混合物を改質触媒の存在下に改質する改質器を有し、前記混合手段の流路断面積が混合促進手段の流路断面積の1.5倍以上3倍以下である改質装置を用い、
水素製造用原料と水蒸気とを混合する混合工程;
該混合工程の後に、水素製造用原料と水蒸気との混合を促進する混合促進工程;および
該混合促進工程で混合が促進された混合物を改質触媒の存在下に改質する改質工程
を有する改質方法。
In a reforming method of mixing a raw material for hydrogen production and steam, and steam reforming the mixture to obtain a reformed gas containing hydrogen,
A reforming apparatus for mixing a raw material for hydrogen production with steam and steam reforming the mixture to obtain a reformed gas containing hydrogen, the mixing means for mixing the raw material for hydrogen production with steam; A mixing promoting means for promoting the mixing of the raw material for hydrogen production and water vapor, and a reformer for reforming the mixture whose mixing is promoted by the mixing promoting means in the presence of the reforming catalyst. Using a reformer having a flow path cross-sectional area of the mixing means that is 1.5 to 3 times the flow path cross-sectional area of the mixing promoting means,
Mixing step of mixing raw material for hydrogen production and water vapor;
After the mixing step, a mixing promotion step for promoting mixing of the raw material for hydrogen production and steam; and a reforming step for reforming the mixture whose mixing has been promoted in the mixing promotion step in the presence of the reforming catalyst. Modification method.
前記混合工程において混合する水素製造用原料の温度を300℃以下とし、水蒸気の温度を100℃以上とする請求項記載の改質方法。 The reforming method according to claim 6 , wherein the temperature of the raw material for producing hydrogen mixed in the mixing step is set to 300 ° C. or lower, and the temperature of the water vapor is set to 100 ° C. or higher. さらに、前記混合促進工程の後、改質工程の前に、水素製造用原料と水蒸気との混合物を熱交換によって加熱する加熱工程を有する請求項または記載の改質方法。 The reforming method according to claim 6 or 7 , further comprising a heating step of heating the mixture of the raw material for hydrogen production and steam by heat exchange after the mixing promotion step and before the reforming step. 前記加熱工程において、熱交換によって加熱される混合物の滞留時間を0.1秒以上とする請求項記載の改質方法。 The reforming method according to claim 8 , wherein in the heating step, the residence time of the mixture heated by heat exchange is 0.1 seconds or more. 前記加熱工程において、熱交換によって加熱される混合物の線速度を10m/s以上とする請求項または記載の改質方法。 The reforming method according to claim 8 or 9 , wherein in the heating step, the linear velocity of the mixture heated by heat exchange is set to 10 m / s or more. 前記加熱工程において、前記混合物を300℃以上600℃以下に加熱する請求項10の何れか一項記載の改質方法。 The reforming method according to any one of claims 8 to 10 , wherein in the heating step, the mixture is heated to 300 ° C or higher and 600 ° C or lower. 前記改質工程において水蒸気改質に必要な熱を発生させるために燃焼を行い、
前記熱交換に用いる授熱流体として300℃以上700℃以下の該燃焼の燃焼ガスを用いる請求項11の何れか一項記載の改質方法。
In order to generate heat necessary for steam reforming in the reforming step, combustion is performed,
The reforming method according to any one of claims 8 to 11 , wherein a combustion gas of the combustion at 300 ° C or higher and 700 ° C or lower is used as the heat transfer fluid used for the heat exchange.
水素製造用原料と水蒸気を混合し、該混合物を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを得る改質装置と、該改質ガスを燃料とする燃料電池とを有する燃料電池システムにおいて、
該改質装置が請求項1〜の何れか一項記載の改質装置である燃料電池システム。
In a fuel cell system comprising a reforming device that mixes raw materials for hydrogen production and steam, reforms the steam to obtain a reformed gas containing hydrogen, and a fuel cell using the reformed gas as a fuel,
A fuel cell system, wherein the reformer is the reformer according to any one of claims 1 to 5 .
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