JP5461880B2 - Fuel cell reformer - Google Patents
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Description
本発明は、原燃料を改質して燃料電池で使用される改質ガスを生成する燃料電池用改質装置に関する。 The present invention relates to a reformer for a fuel cell that reforms raw fuel to generate a reformed gas used in a fuel cell.
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、固体高分子形燃料電池が知られている。 In recent years, fuel cells that have high energy conversion efficiency and do not generate harmful substances due to power generation reactions have attracted attention. As one of such fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell is known.
固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。 A polymer electrolyte fuel cell has a basic structure in which a polymer electrolyte membrane, which is an electrolyte membrane, is disposed between a fuel electrode and an air electrode. The fuel electrode contains hydrogen and the air electrode contains oxygen. It is a device that supplies the agent gas and generates power by the following electrochemical reaction.
燃料極:H2→2H++2e−・・・・(1)
空気極:1/2O2+2H++2e−→H2O・・・・(2)
実用的には、固体高分子形燃料電池の燃料となる水素は、比較的容易かつ安価に入手可能な天然ガス、ナフサ等の炭化水素系ガスまたはメタノール等のアルコール類の原燃料ガスと水蒸気とを混合して、改質部で改質することで得る手法が採用されている。改質により得られた水素ガスは燃料電池の燃料極に供給され、発電に用いられる。
The fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e - ···· (1)
Cathode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O ···· (2)
Practically, hydrogen used as a fuel for a polymer electrolyte fuel cell is a natural gas, a hydrocarbon gas such as naphtha, or a raw fuel gas of alcohols such as methanol and water vapor, which can be obtained relatively easily and inexpensively. The technique obtained by mixing and reforming in the reforming section is employed. Hydrogen gas obtained by reforming is supplied to the fuel electrode of the fuel cell and used for power generation.
図1は、従来の燃料電池システムの構成を示す概略図である。従来、燃料電池システム300では、まず、原燃料(天然ガスやLPGなどの炭化水素系ガス)が脱硫部310に供給され、原燃料から硫黄成分が除去される。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a conventional fuel cell system. Conventionally, in the
硫黄成分が除去された原燃料は改質部320に供給される。改質部320は、バーナー322で熱した触媒に原燃料を通すことにより原燃料を水蒸気改質し、改質ガスを生成する。
The raw fuel from which the sulfur component has been removed is supplied to the reforming
改質部320の起動時には、改質部320を昇温するために、バーナー322に原燃料の一部が供給される。燃料電池400が安定的に運転できるようになると、バーナー322への原燃料の供給を停止し、燃料電池400から排出される電池オフガスをバーナー322に供給することにより、改質部320の昇温が図られる。バーナー322の燃焼により生じる排ガスは、気化部330において改質水と熱交換した後、燃料電池システム300から外部へ排出される。また、バーナー322には、空気が供給され、バーナー322の燃焼に用いられる。
When starting up the reforming
改質部320によって生成された改質ガスは、熱交換部340で原燃料に加えられる前の改質水(水蒸気)と熱交換した後、CO変成部350に供給される。CO変成部350では、シフト反応により一酸化炭素が水素に変成される。これにより、水素濃度が高められるとともに、CO濃度が低減される。
The reformed gas generated by the reforming
CO変成部350によりCO濃度が低減された改質ガスは、熱交換部342で気化部330で気化された水蒸気と熱交換した後、CO除去部360に供給される。CO除去部360では、CO選択酸化触媒を用いたCO酸化反応によりCO濃度がさらに低減される。なお、CO変成部350によりCO濃度が低減された改質ガスには、CO酸化反応に必要な空気が供給される。
The reformed gas whose CO concentration has been reduced by the
CO除去部360によりCO濃度がさらに低減された改質ガスは、熱交換部344で水蒸気と熱交換した後、燃料電池400の燃料極に供給される。燃料電池400の空気極には酸化剤として空気が供給され、水素と酸素による電気化学反応により発電が行われる。
The reformed gas whose CO concentration is further reduced by the
改質部320における改質反応に必要な水蒸気は、燃料電池システム300の外部から供給された改質水から生成される。具体的には、外部から供給された液体の改質水は、気化部330において、バーナー322からの排ガスと熱交換することにより気化し、水蒸気となる。気化部330により生成した水蒸気は、熱交換部342、CO除去部360、熱交換部344の順で改質ガスと熱交換した後、CO変成部350、熱交換部340の順で改質ガスとさらに熱交換したのち、脱硫された原燃料に混合される。
The water vapor necessary for the reforming reaction in the reforming
従来の燃料電池システムでは、空気比や原燃料の量の変動に起因してバーナーからの排ガスの熱量が変化すると、気化部における改質水の気化ポイントが変動する。これにより、水蒸気の圧力変動や流量変動等が生じるため、改質部における改質反応の制御が困難となる。また、気化部で気化された水蒸気が改質部に導かれる間に、水蒸気の乾き度が変化しやすいため、水蒸気の圧力変動が生じやすくなる要因となっていた。 In the conventional fuel cell system, when the calorific value of the exhaust gas from the burner changes due to fluctuations in the air ratio or the amount of raw fuel, the vaporization point of the reformed water in the vaporization section varies. As a result, fluctuations in the pressure or flow rate of the water vapor occur, making it difficult to control the reforming reaction in the reforming section. In addition, while the steam vaporized in the vaporization section is guided to the reforming section, the dryness of the steam is likely to change.
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、原燃料の改質に用いられる水蒸気の圧力変動を抑制し、ロバスト性を向上させ、改質部における改質反応の安定性の向上を図ることができる技術の提供にある。 The present invention has been made in view of these problems, and its purpose is to suppress fluctuations in the pressure of water vapor used for reforming raw fuel, improve robustness, and stability of the reforming reaction in the reforming section. It is in the provision of the technology which can aim at improvement.
本発明のある態様は、燃料電池用改質装置である。当該燃料電池用改質装置は、原燃料を水蒸気改質により改質する改質部と、改質部で生成した改質ガスのCO濃度を低減するCO低減部と、改質部の加熱に用いられる燃焼手段から排出される排ガスの熱を用いて、改質部で生成した改質ガスと気化前の改質水との間で熱交換させることにより、前記改質水を加熱する気化前熱交換部と、気化前熱交換部を経由した改質水を気化させる気化部と、を備え、気化部で生じた水蒸気が原燃料とともに改質部に供給されることを特徴とする。 One embodiment of the present invention is a reformer for a fuel cell. The fuel cell reformer includes a reforming unit that reforms raw fuel by steam reforming, a CO reduction unit that reduces the CO concentration of reformed gas generated in the reforming unit, and heating of the reforming unit. Before the vaporization of heating the reformed water by heat exchange between the reformed gas generated in the reforming unit and the reformed water before vaporization using the heat of the exhaust gas discharged from the combustion means used A heat exchange part and a vaporization part for vaporizing the reformed water that has passed through the pre-vaporization heat exchange part are provided, and water vapor generated in the vaporization part is supplied to the reforming part together with the raw fuel.
この態様によれば、気化前熱交換部において改質ガスと熱交換することにより予め昇温された改質水が気化部に供給される。この結果、改質触媒を加熱するための燃焼手段からの排ガスの熱量の変化の影響が低減され、気化部にける気化ポイントが安定し、ロバスト性が向上する。 According to this aspect, the reforming water heated in advance by exchanging heat with the reformed gas in the pre-vaporization heat exchange section is supplied to the vaporization section. As a result, the influence of the change in the amount of heat of the exhaust gas from the combustion means for heating the reforming catalyst is reduced, the vaporization point in the vaporization section is stabilized, and the robustness is improved.
上記態様の燃料電池用改質装置において気化前熱交換部は、CO低減部に設けられていてもよい。また、CO低減部は、シフト反応により改質ガスのCO濃度を低減するCO変成部であってもよい。また、気化部に供給される改質水の圧力を減圧する減圧部をさらに備えてもよい。 In the fuel cell reforming apparatus of the above aspect, the pre-vaporization heat exchange section may be provided in the CO reduction section. The CO reduction unit may be a CO conversion unit that reduces the CO concentration of the reformed gas by a shift reaction. Moreover, you may further provide the pressure reduction part which pressure-reduces the pressure of the reforming water supplied to a vaporization part.
本発明によれば、原燃料の改質に用いられる水蒸気の圧力変動を抑制し、ロバスト性を向上させることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the pressure fluctuation of the water vapor | steam used for the reforming | reformation of raw fuel can be suppressed, and robustness can be improved.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
図2は、実施の形態に係る燃料電池用改質装置10を含む燃料電池システム100の構成を示す概略図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration of a
燃料電池用改質装置10は、脱硫部20、改質部30、バーナー32、CO変成部60、熱交換部50、52、CO除去部70および気化部40を含む。
The fuel
まず、原燃料(天然ガスやLPGなどの炭化水素系ガス)が脱硫部20に供給され、原燃料から硫黄成分が除去される。これにより、硫黄成分が改質部30や燃料電池12に含まれる触媒に対して触媒毒として作用し、硫黄被毒により燃料電池用改質装置10の改質性能や燃料電池12の発電性能が低下することが抑制される。脱硫部20は、たとえば、触媒の存在化で硫黄成分を含む原燃料と水素とを反応させて硫黄成分を除去する、いわゆる水素化脱硫方式、またはゼオライト等の硫黄成分を吸着させる吸着方式により原燃料の脱硫を行う。
First, raw fuel (hydrocarbon gas such as natural gas or LPG) is supplied to the
硫黄成分が除去された原燃料は改質部30に供給される。改質部30は、たとえば、アルミナ等の担体にルテニウム(Ru)などの金属触媒が担持された改質触媒からなる触媒層を有する。改質部30において、バーナー32で熱した改質触媒下で原燃料が水蒸気改質され、水素(燃料)を約80%含有する改質ガスが生成する。なお、水蒸気改質時の反応温度は、たとえば約650℃〜700℃の範囲である。
The raw fuel from which the sulfur component has been removed is supplied to the reforming
改質部30の起動時には、改質部30を昇温するために、バーナー32に原燃料の一部が供給される。燃料電池12が安定的に運転できるようになると、バーナー32への原燃料の供給を停止し、燃料電池12から排出される電池オフガスをバーナー32に供給することにより、改質部30の昇温が図られる。バーナー32の燃焼により生じる排ガスは、気化部40において改質水と熱交換した後、燃料電池システム100から外部へ排出される。また、バーナー32には、空気が供給され、バーナー32の燃焼に用いられる。
When starting up the reforming
改質部30によって生成された改質ガスは、熱交換部50を通過する際に気化部40を経由した水蒸気と熱交換した後、CO変成部60に供給される。CO変成部60は、たとえば、酸化銅や酸化亜鉛のペレットからなるCu−Zn系の触媒からなる触媒層を有し、CO変成部60において、シフト反応により一酸化炭素が水素に変成される。これにより、改質ガスの水素濃度が高められるとともに、CO濃度が0.5%以下に低減される。なお、CO選択酸化反応は、たとえば、約70℃〜180℃の範囲で行われる。
The reformed gas generated by the reforming
CO変成部60によりCO濃度が低減された改質ガスは、熱交換部52を通過する際に改質水と熱交換した後、CO除去部70に供給される。CO除去部70は、たとえば、アルミナ等の担体にRuを担持したCO選択酸化触媒からなる触媒層を有し、CO選択酸化触媒を用いたCO酸化反応により改質ガスのCO濃度が10ppm程度にまで低減される。なお、CO変成部60によりCO濃度が低減された改質ガスには、CO酸化反応に必要な空気が供給される。
The reformed gas whose CO concentration has been reduced by the
CO除去部70によりCO濃度がさらに低減された改質ガスは、燃料電池12の燃料極に供給される。燃料電池12は、たとえば、固体高分子形燃料電池であり、燃料極と空気極との間に固体高分子電解質膜が設けられた膜電極接合体(単セル)が複数積層された積層体を有する。燃料電池12の空気極には酸化剤として空気が供給され、水素と酸素による電気化学反応により発電が行われる。なお、CO変成部60およびCO除去部70は、改質ガスに含まれるCO濃度の低減に寄与するCO低減部の一例である。
The reformed gas whose CO concentration is further reduced by the
改質部30における改質反応に必要な水蒸気は、燃料電池システム100の外部から供給された改質水から生成される。改質水は、逆浸透膜とイオン交換樹脂等を備えた水処理装置(図示せず)により上水を処理することにより生成される。水処理装置により上水の導電率が低下するとともに、有機物の混入が抑制される。改質水の供給量は、改質水供給ポンプ90の出力を調整することで適宜制御される。
The steam necessary for the reforming reaction in the reforming
外部から供給された液体の改質水は、熱交換部52、CO変成部60の順で、改質ガスと熱交換することにより昇温した後、気化部40に供給される。改質水は、CO変成部60において改質ガスと熱交換する際に蒸発し始める。さらに、気化部40において、バーナー32からの排ガスと熱交換することにより気化が完了する。気化部40で気化された水蒸気は、原燃料とともに改質部30に供給される。なお、熱交換部52およびCO変成部60における熱交換は、改質水の気化が完了する前に改質ガスと熱交換を行う「気化前熱交換部」の一例である。
The liquid reforming water supplied from outside is heated up by heat exchange with the reformed gas in the order of the
以上説明した燃料電池用改質装置10の構成によれば、熱交換部52およびCO変成部60において改質ガスと熱交換することにより予め昇温された改質水が気化部40に供給されるため、バーナー32からの排ガスの熱量の変化の影響が低減され、気化部40にける気化ポイントが安定し、ロバスト性が向上する。
According to the configuration of the fuel
改質水が気化部40に供給される経路、本実施の形態では、熱交換部52とCO変成部60との間に、改質水の圧力を減圧する減圧部80が設けられている。減圧部80は、たとえば、オリフィス、キャピラリーである。
In the present embodiment, a
減圧部80により減圧を行うことにより、改質水が蒸発したときの乾き度を上昇させることができる。これにより、バーナー32からの排ガスの熱量に影響されずに、乾き度の高い(100%以上)水蒸気を安定的に得ることができ、水蒸気の圧力変動を抑制することができる。また、CO変成部60の冷却に乾き度が100%以下の水蒸気が使用されることにより、水蒸気の温度の変化が抑制され、CO変成部60の温度を安定させる効果も生じる。なお、減圧部80を通過する前の改質水の圧力および温度は、たとえば、それぞれ150kPa、20℃である。また、減圧部80を通過し、気化部40に導入される前の改質水の圧力、温度、乾き度は、たとえば、それぞれ130kPa、106℃、99%である。
By performing decompression by the
図3は、燃料電池用改質装置10のより詳細な構成を示す図である。燃料電池用改質装置10は、改質ユニット210、熱交換部52およびCO除去部70を含む。
FIG. 3 is a diagram showing a more detailed configuration of the fuel
改質ユニット210は、多重塔体状に一体化された改質部30およびCO変成部60と、バーナー32とを含む。
The reforming
バーナー32は、空気取入口34から取り入れた空気と燃料取入口36から取り入れた原燃料(または電池オフガス)とを混合して燃焼させる。バーナー32で原燃料ガス等が燃焼することによって、1200〜1300℃の高温の排ガス(燃焼排ガス)が発生する。
The
バーナー32の上方に、バーナー32からの排ガスを上方へ導く円筒状の燃焼筒220が設けられている。燃焼筒220の外側には、改質部(改質反応塔)30が設けられている。燃焼筒220と改質部30との間に排ガス流路222が形成されている。バーナー32からの排ガスは、燃焼筒220の上方で折り返し、排ガス流路222に導かれる。排ガス流路222は、改質部30の下部で上方に折り返し、改質部30の外側を通り、改質ユニット210の上部に設けられた排ガス室226に通じている。排ガスは、排ガス室226を経由して改質ユニット210の外部に排出される。
A
原燃料と水蒸気が混合された混合ガスは、原燃料供給路260を経由して改質ユニット210の外部から改質部30に供給される。
The mixed gas in which the raw fuel and water vapor are mixed is supplied to the reforming
改質部30は、排ガス流路222を介して燃焼筒220の外側に設けられている。改質部30は、二重構造になっており、触媒層230が設けられた内側流路232と、内側流路232の外側に設けられた外側流路234とを有する。内側流路232の下部と、外側流路234の下部とが連通されており、内側流路232において生成した改質ガスは、外側流路234を通って改質ユニット210の上部に設けられた改質ガス室240に導かれる。
The reforming
改質部30およびバーナー32の外側には、断熱部材250を介して、CO変成部60が設けられている。改質ガス室240とCO変成部60とは配管242により接続されており、改質ガス室240から改質ガスがCO変成部60に供給される。
A
CO変成部60は、二重構造になっており、内側流路62と、内側流路62の外側に設けられ、触媒層64が設けられた外側流路66とを有する。内側流路62の下部と、外側流路66の下部とが連通されており、内側流路62を通過した改質ガスは、外側流路66に導かれる。外側流路66に設けられた触媒層64によりシフト反応が進行し、改質ガスのCO濃度が低減される。
The
CO濃度が低減された改質ガスは、改質ユニット210の外部に送られ、熱交換部52を経由して、CO除去部70に供給される。CO濃度が低減された改質ガスには、CO変成部60の下流側において空気取入口68を経由して空気が加えられる。
The reformed gas having a reduced CO concentration is sent to the outside of the reforming
改質水は、熱交換部52において改質ガスと熱交換することにより昇温された後、減圧部80により減圧される。減圧部80により減圧された改質水は、CO変成部60の周囲に設けられた螺旋状の配管を通過する際に、CO変成部60を通過する改質ガスと熱交換し、蒸発し始める。
The reformed water is heated by exchanging heat with the reformed gas in the
CO変成部60において昇温された改質水は、排ガス室226に設けられた気化部40において排ガスと熱交換することにより気化が完了し、乾き度が100%以上の水蒸気となる。気化部40で生成した水蒸気は、改質ガス室240に設けられた熱交換部50において改質ガスと熱交換した後、原燃料に加えられ、改質部30において原燃料の改質に用いられる。
The reformed water whose temperature has been raised in the
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art. The form can also be included in the scope of the present invention.
例えば、上述の実施の形態では、減圧部80はCO変成部60で熱交換する前の改質水の減圧に用いられているが、減圧部80はCO変成部60で熱交換した後の改質水が通る経路に設けられていてもよい。
For example, in the above-described embodiment, the
また、気化部40で気化される前の改質水をCO除去部70で熱交換させることにより昇温させてもよい。
Alternatively, the temperature of the reformed water before being vaporized by the
10 燃料電池用改質装置、12 燃料電池、20 脱硫部、30 改質部、32 バーナー、34 空気取入口、36 燃料取入口、40 気化部、50 熱交換部、52 熱交換部、60 CO変成部、62 内側流路、 64 触媒層、66 外側流路、68 空気取入口、70 CO除去部、80 減圧部、100 燃料電池システム、210 改質ユニット、220 燃焼筒、222 排ガス流路、226 排ガス室、230 触媒層、232 内側流路、234 外側流路、240 改質ガス室、250 断熱部材、260 原燃料供給路
DESCRIPTION OF
Claims (1)
シフト反応により、改質部で生成した改質ガスのCO濃度を低減するCO変成部としてのCO低減部と、
前記改質部で生成した改質ガスと気化前の改質水との間で熱交換させることにより、前記改質水を加熱する気化前熱交換部と、
前記改質部の加熱に用いられる燃焼手段から排出される排ガスの熱を用いて、前記気化前熱交換部を経由した改質水を気化させる気化部と、
を備え、
前記気化部で生じた水蒸気が前記原燃料とともに前記改質部に供給され、
前記気化前熱交換部は、前記CO低減部に設けられ、
改質水の経路における前記CO低減部よりも上流側に設けられ、前記気化部に供給される改質水の圧力を減圧する減圧部と、
改質水の経路における前記減圧部よりも上流側に設けられ、前記CO低減部を経由した改質ガスと改質水との間で熱交換させることにより、前記改質水を加熱する熱交換部とをさらに備えることを特徴とする燃料電池用改質装置。 A reforming section for reforming raw fuel by steam reforming;
A CO reduction unit as a CO conversion unit that reduces the CO concentration of the reformed gas generated in the reforming unit by a shift reaction;
Heat exchange between the reformed gas generated in the reforming section and the reformed water before vaporization to heat the reformed water; and
A vaporization unit that vaporizes the reformed water that has passed through the pre-vaporization heat exchange unit using heat of exhaust gas discharged from the combustion means used for heating the reforming unit;
With
Water vapor generated in the vaporization unit is supplied to the reforming unit together with the raw fuel,
The pre-vaporization heat exchange unit is provided in the CO reduction unit,
A depressurization unit provided on the upstream side of the CO reduction unit in the path of the reforming water and depressurizing the pressure of the reforming water supplied to the vaporization unit ;
Heat exchange for heating the reformed water by exchanging heat between the reformed gas and the reformed water that is provided upstream of the decompression unit in the path of the reformed water and passes through the CO reducing unit. the reformer, characterized in that it further comprises a part.
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