JP5634729B2 - Hydrogen production apparatus and fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、水素製造装置及び燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a hydrogen production apparatus and a fuel cell system.
従来の水素製造装置としては、バーナを用いて原燃料を改質することにより水素を含有する改質ガスを生成する改質部と、改質部で生成した改質ガスをシフト反応させて該改質ガスの一酸化炭素濃度を低下させるシフト反応部と、シフト反応部でシフト反応させた改質ガスを選択酸化反応させて該改質ガスの一酸化炭素濃度をさらに低下させる選択酸化反応部と、を備えたものが知られている。このような水素製造装置では、起動時において、ヒータによってシフト反応部及び選択酸化反応部を加熱し昇温することが図られている(例えば、特許文献1,2参照)。
As a conventional hydrogen production apparatus, a reformer that generates a reformed gas containing hydrogen by reforming a raw fuel using a burner and a reformed gas generated in the reformer are subjected to a shift reaction. A shift reaction unit that lowers the carbon monoxide concentration of the reformed gas, and a selective oxidation reaction unit that further reduces the carbon monoxide concentration of the reformed gas by selectively oxidizing the reformed gas that has undergone the shift reaction in the shift reaction unit. The thing equipped with these is known. In such a hydrogen production apparatus, the temperature of the shift reaction section and the selective oxidation reaction section is increased by heating at the time of start-up (see, for example,
また、このような従来の水素製造装置は、周囲の熱を利用して水蒸気を生成する蒸発部をさらに備えており、例えば特許文献3に記載された水素製造装置では、その発熱部分に螺旋状の水管が蒸発部として巻きつけられている。 In addition, such a conventional hydrogen production apparatus further includes an evaporation unit that generates steam using ambient heat. For example, in the hydrogen production apparatus described in Patent Document 3, the heat generation portion has a spiral shape. The water pipe is wound as an evaporation part.
ところで、近年の水素製造装置においては、家庭用の燃料電池システムの普及に伴い、その性能向上が強く求められている。 By the way, in recent hydrogen production apparatuses, with the spread of household fuel cell systems, there is a strong demand for improved performance.
そこで、本発明は、性能向上が可能な水素製造装置及び燃料電池システムを提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the hydrogen production apparatus and fuel cell system which can improve performance.
上記課題を解決するため、本発明に係る水素製造装置は、バーナを用いて原燃料及び水蒸気を改質することにより、水素を含有する改質ガスを生成する改質部と、筒状に設けられ、改質部で生成した改質ガスをシフト反応させて該改質ガスの一酸化炭素濃度を低下させるシフト反応部と、筒状に設けられ、シフト反応部でシフト反応させた改質ガスの一酸化炭素濃度をさらに低下させる選択酸化反応部と、を備え、シフト反応部は、シフト反応部の軸に沿う筒状に設けられたシフト触媒部と、改質部で生成された改質ガスを、シフト反応部の外周部にて軸方向の一方側から他方側に流通させる第1改質ガス流路と、第1改質ガス流路を流通させた改質ガスを、シフト反応部の外周部側から内周部側に流通させる第2改質ガス流路と、第2改質ガス流路を流通させた改質ガスを、シフト反応部の内周部にて軸方向の他方側から一方側に流通させると共にシフト触媒部の軸方向の一方側に導入する第3改質ガス流路と、を含み、シフト反応部の第1改質ガス流路には、該第1改質ガス流路を流通する改質ガスを冷却する冷却部が近接されており、冷却部は、シフト反応部を囲繞する筒状に設けられ内部に貯留された水を周囲の熱を利用して加熱することにより水蒸気を生成する蒸発部を含んで構成され、選択酸化反応部は、選択酸化反応部の軸に沿う筒状に設けられた選択酸化触媒部を有し、蒸発部に貯留された水の水面の位置を調整する制御部をさらに備え、制御部は、水面の位置が選択酸化触媒部の上端よりも上側となるように、水面の位置を調整することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a hydrogen production apparatus according to the present invention is provided in a cylindrical shape with a reforming unit that generates a reformed gas containing hydrogen by reforming raw fuel and steam using a burner. A shift reaction unit that lowers the carbon monoxide concentration of the reformed gas by a shift reaction of the reformed gas generated in the reforming unit, and a reformed gas that is provided in a cylindrical shape and undergoes a shift reaction in the shift reaction unit A selective oxidation reaction section for further reducing the carbon monoxide concentration of the shift reaction section, a shift catalyst section provided in a cylindrical shape along the axis of the shift reaction section, and reforming generated in the reforming section A first reformed gas channel for flowing gas from one side to the other side in the axial direction at the outer periphery of the shift reaction unit; and a reformed gas that has been circulated through the first reformed gas channel Second reformed gas flow path that circulates from the outer periphery side to the inner periphery side, and the second reforming A third reformed gas that is circulated from the other side in the axial direction to one side in the inner periphery of the shift reaction section and is introduced to one side in the axial direction of the shift catalyst section. A cooling unit for cooling the reformed gas flowing through the first reformed gas channel is adjacent to the first reformed gas channel of the shift reaction unit . The shift reaction unit is provided in a cylindrical shape surrounding the shift reaction unit and includes an evaporation unit that generates water vapor by heating the water stored therein using ambient heat. The selective oxidation reaction unit is a selective oxidation reaction. A selective oxidation catalyst unit provided in a cylindrical shape along the axis of the unit, and further includes a control unit that adjusts the position of the water surface of the water stored in the evaporation unit, and the control unit is configured so that the position of the water surface is a selective oxidation catalyst. The position of the water surface is adjusted so as to be above the upper end of the part .
この本発明に係る水素製造装置では、シフト反応部(シフト触媒及びシフト触媒に供給される改質ガス)を冷却部で好適に冷却することができ、シフト反応部の温度を精度よく制御することができる。また、シフト反応部での発熱を、第1改質ガス流路を流通する改質ガスと、冷却部とによって回収することができ、効率を向上させることができる。従って、本発明によれば、水素製造装置の性能向上を実現することが可能となる。また、蒸発部内の水面の位置が選択酸化触媒部の上端よりも高くなることから、選択酸化触媒部の上端付近の冷却が不十分となるのを抑制でき、選択酸化触媒部の温度の急上昇を確実に防止することができる。 In the hydrogen production apparatus according to the present invention, the shift reaction section (the shift catalyst and the reformed gas supplied to the shift catalyst) can be suitably cooled by the cooling section, and the temperature of the shift reaction section can be controlled with high accuracy. Can do. Further, the heat generated in the shift reaction section can be recovered by the reformed gas flowing through the first reformed gas flow path and the cooling section, and the efficiency can be improved. Therefore, according to the present invention, it is possible to improve the performance of the hydrogen production apparatus. In addition, since the position of the water surface in the evaporation unit is higher than the upper end of the selective oxidation catalyst unit, it is possible to prevent the cooling near the upper end of the selective oxidation catalyst unit from being insufficient, and the temperature of the selective oxidation catalyst unit is rapidly increased. It can be surely prevented.
また、冷却部は、シフト反応部を囲繞する筒状に設けられ、バーナの排気ガスを流通させる排ガス流路と、排ガス流路を囲繞する筒状に設けられ、水蒸気を生成する蒸発部と、を含んで構成されていることが好ましい。この場合、起動時において、バーナを燃焼させて排気ガスを排ガス流路に流通させることで、シフト反応部を加熱し昇温させることができる。よって、起動時に用いるヒータが不要となり、部品点数を低減することが可能となる。加えて、排気ガスを蒸発部で冷却(排気ガスの熱を蒸発部へ移動)することができ、排気ガスを低温化して効率を向上させることができる。一方、蒸発部は、排気ガス及びシフト反応部からの熱を利用することができ、水蒸気の気化状態を安定化させることができる。よって、水素製造装置のさらなる性能向上を実現することが可能となる。 Further, the cooling unit is provided in a cylindrical shape surrounding the shift reaction unit, and an exhaust gas passage for circulating the exhaust gas of the burner, and an evaporation unit provided in a cylindrical shape surrounding the exhaust gas channel and generating water vapor, It is preferable that it is comprised including. In this case, at the time of start-up, the shift reaction unit can be heated and heated by burning the burner and causing the exhaust gas to flow through the exhaust gas passage. Therefore, the heater used at the time of starting becomes unnecessary, and it becomes possible to reduce the number of parts. In addition, the exhaust gas can be cooled (the heat of the exhaust gas is moved to the evaporation unit) at the evaporation unit, and the exhaust gas can be cooled to improve efficiency. On the other hand, the evaporation unit can utilize the heat from the exhaust gas and the shift reaction unit, and can stabilize the vaporized state of water vapor. Therefore, further performance improvement of the hydrogen production apparatus can be realized.
また、排ガス流路は、排気ガスを軸方向の一方側から他方側に流通させ、蒸発部は、軸方向の他方側より水を導入すると共に、軸方向の一方側から水蒸気を導出することが好ましい。この場合、蒸発部においては、排ガス流路の出口側(下流側)から水が導入されることから、排気ガスを出口側において特に低温化できるため、効率を一層向上させることが可能となる。 Further, the exhaust gas flow channel allows exhaust gas to flow from one side in the axial direction to the other side, and the evaporation unit can introduce water from the other side in the axial direction and lead water vapor from one side in the axial direction. preferable. In this case, in the evaporation section, water is introduced from the outlet side (downstream side) of the exhaust gas flow path, so that the exhaust gas can be lowered particularly on the outlet side, so that the efficiency can be further improved.
また、シフト反応部は、高温シフト反応を行う高温シフト反応部と、低温シフト反応を行う低温シフト反応部と、を有し、蒸発部の上端は、高温シフト反応部の高温シフト触媒部の下端よりも上方に位置しており、蒸発部は、高温シフト触媒の下端部を少なくとも覆うように構成されていることが好ましい。The shift reaction unit has a high temperature shift reaction unit that performs a high temperature shift reaction and a low temperature shift reaction unit that performs a low temperature shift reaction, and the upper end of the evaporation unit is the lower end of the high temperature shift catalyst unit of the high temperature shift reaction unit. It is preferable that the evaporator is configured to cover at least the lower end of the high temperature shift catalyst.
また、本発明に係る燃料電池システムは、上記水素製造装置と、水素製造装置によって生成した改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備えたことを特徴とする。 A fuel cell system according to the present invention includes the hydrogen production device and a fuel cell stack that generates power using the reformed gas generated by the hydrogen production device.
この燃料電池システムにおいても、上記水素製造装置を備えているため、部品点数を低減でき且つ性能向上が可能となるという上記効果が奏される。 This fuel cell system also has the above-described effect that the number of parts can be reduced and the performance can be improved because the hydrogen production apparatus is provided.
本発明によれば、水素製造装置及び燃料電池システムにおける性能向上が可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the performance improvement in a hydrogen production apparatus and a fuel cell system is attained.
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、「上」「下」の語は、図面の上下方向に対応するものであり便宜的なものである。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same or equivalent elements will be denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted. The terms “upper” and “lower” correspond to the vertical direction of the drawing and are for convenience.
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの一部を示すブロック図である。図1に示すように、水素製造装置(FPS:Fuel Processing System)1は、例えば家庭用の燃料電池システム100において水素供給源として利用されるものである。ここでの水素製造装置1は、原燃料として石油系炭化水素が用いられ、水素を含有する改質ガスをセルスタック(燃料電池スタック)20に供給する。
FIG. 1 is a block diagram showing a part of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a hydrogen production apparatus (FPS: Fuel Processing System) 1 is used as a hydrogen supply source in, for example, a household
なお、原燃料としては、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料、天然ガス、都市ガスを用いてもよい。また、石油系炭化水素としては、灯油、LPガスのほか、ナフサ、軽油などを原燃料として使用することができる。また、セルスタック20としては、固体高分子形、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形或いは固体酸化物形等の種々のものを用いてもよい。
In addition, as raw fuel, you may use alcohol, ethers, biofuel, natural gas, and city gas. Further, as petroleum-based hydrocarbons, naphtha, light oil, etc. can be used as raw fuel in addition to kerosene and LP gas. As the
図2は、図1の水素製造装置を示す概略正面端面図である。図2に示すように、水素製造装置1は、脱硫部2(図1参照)と、中心軸を軸Gとする円柱状外形の本体部3と、を備えている。脱硫部2は、外部から導入された原燃料を脱硫触媒によって脱硫して硫黄分を除去し、この原燃料を後述のフィード部5へ供給する。本体部3は、フィード部5、改質部6、シフト反応部7、選択酸化反応部8及び蒸発部9を備え、これらが一体で構成されている。
FIG. 2 is a schematic front end view showing the hydrogen production apparatus of FIG. As shown in FIG. 2, the
フィード部5は、脱硫部2で脱硫した原燃料及び水蒸気(スチーム)を合流・混合させて混合ガス(混合流体)を生成すると共に、生成した混合ガスを拡散しつつ改質部6に供給する。改質部(SR:Steam Reforming)6は、フィード部5により供給された混合ガスを改質触媒6xによって水蒸気改質して改質ガスを生成し、この改質ガスをシフト反応部7へ供給する。
The
この改質部6は、中心軸を軸Gとする円筒状外形を呈し、本体部3の上端側に設けられている。また、改質部6は、水蒸気改質反応が吸熱反応であるため、改質部6の改質触媒6xを加熱するための熱源としてバーナ10を利用している。
The reforming
バーナ10では、外部から原燃料がバーナ燃料として供給されて燃焼される。このバーナ10は、本体部3の上端部に設けられ軸Gを中心軸とする燃焼筒11に、バーナ10による火炎が取り囲まれるよう取り付けられている。なお、バーナ10においては、脱硫部2(図1参照)で脱硫した原燃料の一部が、バーナ燃料として供給されて燃焼される場合もある。
In the
シフト反応部7は、改質部6から供給された改質ガスの一酸化炭素濃度(CO濃度)を低下させるものであり、改質ガス中の一酸化炭素を発熱反応であるシフト反応させて水素及び二酸化炭素に転換する。ここでのシフト反応部7は、シフト反応を2段階に分けて行っており、高温(例えば400°C〜600°C)でのシフト反応である高温シフト反応を行う高温シフト反応部(HTS:High Temperature Shift)12と、高温シフト反応の温度よりも低温(例えば150°C〜350°C)でのシフト反応である低温シフト反応を行う低温シフト反応部(LTS:LowTemperature Shift)13と、を有している。
The
高温シフト反応部12は、改質部6から供給された改質ガス中の一酸化炭素を高温シフト触媒12xによって高温シフト反応させ、改質ガスのCO濃度を低下させる。高温シフト反応部12は、中心軸を軸Gとする円筒状外形を呈しており、高温シフト触媒12xが改質触媒6xの下端部を囲繞するよう改質部6の径方向外側に隣接配置されている。この高温シフト反応部12は、CO濃度を低下させた改質ガスを低温シフト反応部13へ供給する。
The high temperature
低温シフト反応部13は、高温シフト反応部12で高温シフト反応させた改質ガス中の一酸化炭素を低温シフト触媒(低温シフト触媒部)13xによって低温シフト反応させ、改質ガスのCO濃度を低下させる。低温シフト反応部13は、中心軸を軸Gとする円筒状外形を呈しており、本体部3の下端側に配設されている。この低温シフト反応部13は、CO濃度を低下させた改質ガスを選択酸化反応部8へ供給する。
The low temperature
選択酸化反応部(PROX:Preferential Oxidation)8は、低温シフト反応部13で低温シフト反応させた改質ガス中のCO濃度をさらに低下させる。これは、セルスタック20に高濃度の一酸化炭素を供給すると、セルスタック20の触媒が被毒して大きく性能低下するためである。この選択酸化反応部8は、具体的には、改質ガス中の一酸化炭素と外部から導入される空気とを、選択酸化触媒(選択酸化触媒部)8xによって発熱反応である選択酸化反応させて選択的に酸化し二酸化炭素に転換する。
A selective oxidation reaction unit (PROX) 8 further reduces the CO concentration in the reformed gas subjected to the low temperature shift reaction in the low temperature
この選択酸化反応部8は、中心軸を軸Gとする円筒状外形を呈しており、本体部3の下端から所定長上端側にて該本体部3の最外周側を構成するよう配設されている。この選択酸化反応部8は、CO濃度をさらに低下させた改質ガスを外部へ導出する。
The selective
蒸発部9は、その周囲の熱を利用して水蒸気を生成するためのものである。蒸発部9は、ジャケット構造とされ、中心軸を軸Gとする円筒状外形を呈している。この蒸発部9は、高温シフト反応部12及び低温シフト反応部13の径方向外側で且つ選択酸化反応部8の径方向内側に位置するよう配設されている。この蒸発部9は、生成した水蒸気をフィード部5に供給する。
The evaporating
この水素製造装置1では、まず、バーナ燃料及びセルスタック20からのオフガス(セルスタック20で反応に使用されない残ガス)の少なくとも一方と空気とがバーナ10に供給されて燃焼され、かかる燃焼によって改質触媒6xが加熱される。そして、バーナ10の排ガス(排気ガス)が排ガス流路L1を流通して外部へ排気される。
In this
これと共に、脱硫部2で脱硫された原燃料と蒸発部9からの水蒸気とがフィード部5で混合され、混合ガスが生成される。この混合ガスは、改質部6に供給されて改質触媒6xで水蒸気改質され、これにより、改質ガスが生成される。生成された改質ガスは、シフト反応部7によってその一酸化炭素濃度が例えば1%以下程度まで低下され、外部から導入された空気(以下、「PROX空気」という)と混合された後、選択酸化反応部8によってその一酸化炭素濃度が10ppm以下まで低下され、後段のセルスタック20へ導出される。
At the same time, the raw fuel desulfurized in the
なお、本実施形態においては、例えば各触媒6x,12x,13x,8xにて触媒反応を好適に行うため、次のように各部位の温度が設定されている。すなわち、改質部6に流入する混合ガスの温度が約300〜550℃とされ、改質部6から流出する改質ガスの温度が550℃〜800℃とされ、高温シフト反応部12に流入する改質ガスの温度が400℃〜600℃とされ、高温シフト反応部12から流出する改質ガスの温度が300℃〜500℃とされている。また、低温シフト反応部13に流入する改質ガスの温度が150℃〜350℃とされ、低温シフト反応部13から流出する改質ガスの温度が150℃〜250℃とされ、選択酸化反応部8に流入する改質ガスの温度が90℃〜210℃(120℃〜190℃)とされている。
In the present embodiment, for example, the temperature of each part is set as follows in order to suitably perform the catalytic reaction with each of the
次に、本実施形態の低温シフト反応部13の周辺構成について、より詳細に説明する。
Next, the peripheral configuration of the low temperature
本実施形態の水素製造装置1では、本体部3の軸G方向中央から下端部に亘る部分において、低温シフト反応部13、排ガス流路(冷却部)L1、蒸発部(冷却部)9及び選択酸化反応部8が、径方向内側から外側に向かう方向にこの順で配置されている。
In the
排ガス流路L1は、中心軸を軸Gとする円筒状外形を呈している。排ガス流路L1は、低温シフト反応部13を囲繞するように設けられており、低温シフト反応部13の径方向外側に隣接配置されている。この排ガス流路L1は、排気ガスを上方から下方に向けて(軸G方向の一方側から他方側)に流通させる。
The exhaust gas flow path L1 has a cylindrical outer shape with the central axis as the axis G. The exhaust gas flow path L <b> 1 is provided so as to surround the low temperature
蒸発部9は、排ガス流路L1を囲繞するように設けられており、排ガス流路L1の径方向外側に隣接配置されている。この蒸発部9は、外部から導入された水を内部に貯留させると共に、貯留させた水を周囲の熱を利用して(つまり、周囲から移動させた熱によって)気化させて水蒸気を生成する。そして、蒸発部9は、生成した水蒸気をフィード部5へ供給する。
The evaporating
この蒸発部9の下端部には、水を外部より導入(流入)する導入部9aが設けられていると共に、上端部には、水をフィード部5へ導出(流出)する導出部9bが設けられている。また、蒸発部9は、高温シフト反応部12の発熱を回収するため、その上端が高温シフト触媒12xの下端よりも上方に位置しており、蒸発部9が高温シフト触媒12xの下端部を少なくとも覆うように構成されている。選択酸化反応部8は、蒸発部9を囲繞するように設けられており、蒸発部9の径方向外側に隣接配置されている。
An
ここで、本実施形態の低温シフト反応部13では、その外周部の上方から供給された改質ガスを、外周部において下部まで流通させた後、内周部を通って廻り込むよう上部まで戻し、低温シフト触媒部13xに導入させている。具体的には、以下のように構成されている。
Here, in the low temperature
すなわち、低温シフト反応部13は、低温シフト触媒13x、外周部流路(第1改質ガス流路)S1、下部流路(第2改質ガス流路)S2、及び内周部流路(第3改質ガス流路)S3を含んで構成されている。低温シフト触媒13xは、中心軸を軸Gとする円筒状外形を呈し、その上端部に改質ガスが導入される導入部31を有すると共に、その下端部に改質ガスを導出する導出部32を有している。低温シフト触媒13xは、その上下端側のそれぞれに設けられた円環板状のパンチング板(不図示)で閉塞されている。
That is, the low temperature
外周部流路S1は、中心軸を軸Gとする円筒状外形を呈し、低温シフト反応部13の外周部に設けられ、低温シフト触媒13xの径方向外側に隣接配置されている。この外周部流路S1は、その上側が高温シフト反応部12と連通しており、高温シフト反応部12から供給された改質ガスを上方から下方に向けて流通させる。また、外周部流路S1には、蒸発部9及び排ガス流路L1が近接されている。
The outer peripheral flow path S1 has a cylindrical outer shape with the central axis as the axis G, is provided on the outer peripheral portion of the low temperature
下部流路S2は、中心軸を軸Gとする円環状外形を呈し、低温シフト反応部13の下部に設けられ、低温シフト触媒13xの下側に隣接配置されている。この下部流路S2は、その径方向外側が外周部流路S1と連通しており、外周部流路S1を流通した改質ガスを径方向外側(外周部側)から内側(内周部側)に向けて流通させる。
The lower flow path S2 has an annular outer shape with the central axis as the axis G, is provided below the low temperature
内周部流路S3は、円筒状外形を呈し、低温シフト反応部13の内周部に設けられ、低温シフト触媒13xの径方向内側に隣接配置されている。この内周部流路S3は、下方が下部流路S2と連通しており、下部流路S2を流通した改質ガスを下方から上方に向けて流通させる。また、内周部流路S3は、低温シフト触媒13xの上端部の導入部31と連通しており、流通させた改質ガスを低温シフト触媒13xの上端部へ導入する。
The inner peripheral channel S3 has a cylindrical outer shape, is provided in the inner peripheral portion of the low temperature
このような低温シフト反応部13は、具体的構成として、外周壁を構成する外筒33と、内周壁を構成する内筒34と、上端壁を構成する上端板35と、下端壁を構成する下端板36と、外筒33及び内筒34間の外側仕切筒37と、内筒34及び外側仕切筒37間の内側仕切筒38と、を有している。また、仕切筒37,38の下端部は、仕切板39で閉塞されている。この仕切板39には、低温シフト反応させた改質ガスを低温シフト反応部13から導出する導出管40が取り付けられている。
Such a low temperature
そして、外筒33及び外側仕切筒37により外周部流路S1が画設され、下端板36及び仕切板39により下部流路S2が画設され、内筒24及び内側仕切筒38により内周部流路S3が画設されている。また、上端板35、仕切筒37,38及び仕切板39内に、低温シフト触媒13xが配設されている。
An outer peripheral channel S1 is defined by the
以上のように構成された本実施形態の水素製造装置1では、起動時において、図3に示すように、まずバーナ燃料と空気とがバーナ10に供給されて該バーナ10が着火・燃焼され、バーナ10の排ガスが排ガス流路L1にて流通される(S101)。これにより、この流通させた排ガス及びバーナ10の燃焼による燃焼ガス顕熱の伝熱と輻射熱によって、蒸発部9、改質触媒6x、高温シフト触媒12x、低温シフト触媒13x及び選択酸化触媒8xが加熱されて昇温される。
In the
続いて、水素製造装置1の下部(例えば、バーナ10から遠い低温シフト反応部13の下部及び選択酸化反応部8の下部)の温度Tが、改質部6下部に凝縮水が溜まらない温度Taに達したとき、蒸発部9内の水位が所定水位(例えば選択酸化触媒8xの上端)を下回らないよう該蒸発部9に導入部9aから水が導入される(S102,S103)。これにより、水蒸気が生成されると共に、過熱水蒸気で水素製造装置1がさらに昇温される。
Subsequently, the temperature T at the lower part of the hydrogen production apparatus 1 (for example, the lower part of the low temperature
続いて、水蒸気が必要量以上の生成された場合、原燃料が改質部6に供給されて改質ガスが生成される。そして、選択酸化反応部8に改質ガスが到達された場合、PROX空気が導入される(S104〜S106)。これにより、セルスタック20へ導出される改質ガスのCO濃度が10ppm以下とされ発電が開始される(S107)。
Subsequently, when more than a necessary amount of water vapor is generated, raw fuel is supplied to the reforming
以上、本実施形態では、上述したように、起動時に、排ガスによって蒸発部9及び全ての触媒6x,12x,13x,8xを加熱して昇温することができ、ヒータを用いる必要がなくなる。従って、本実施形態によれば、部品点数を低減させることができ、低コスト化が可能となる。さらに、起動時の消費電力を低減することができる。
As described above, in the present embodiment, as described above, the temperature of the
また、本実施形態では、運転時(改質反応中)において以下の作用効果が奏される。すなわち、排ガス流路L1を流通する排気ガスが蒸発部9によって冷却され、排気ガスが低温化される。よって、水素製造装置1の効率を向上させることができる。
In the present embodiment, the following functions and effects are exhibited during operation (during the reforming reaction). That is, the exhaust gas flowing through the exhaust gas flow path L1 is cooled by the
また、低温シフト反応部13(低温シフト触媒13x及び低温シフト反応部13に供給される改質ガス)が蒸発部9によって冷却される。また、選択酸化反応部8(選択酸化触媒8x及び選択酸化反応部8に供給される改質ガス)が蒸発部9によって冷却される。特に、低温シフト反応部13に供給された改質ガスは、外周部流路S1、下部流路S2及び内周部流路S3をこの順に廻り込むよう流通した後、低温シフト触媒13xの導入部31に導入される。外周部流路S1では、排ガス流路L1に隣接していることから、低温化された排ガスにより改質ガスが好適に冷却される。また、選択酸化反応部8は、蒸発部9に隣接していることから該蒸発部9により好適に冷却される。よって、これら低温シフト反応部13及び選択酸化反応部8の温度を、精度よくコントロールすることが可能となる。
The low temperature shift reaction unit 13 (reformed gas supplied to the low
さらに、本実施形態では、低温シフト反応部13での発熱を、外周部流路S1を流通する改質ガスと、排ガス流路L1を流通する排ガスと、蒸発部9とによって回収することができる。その結果、低温シフト反応部13を適温に保つことができると共に、効率を一層向上させることができる。
Furthermore, in this embodiment, the heat generated in the low temperature
他方、蒸発部9では、排ガス流路L1を流通する排ガスの熱と、低温シフト反応部13及び選択酸化反応部8の発熱とが好適に利用されて水が加熱され、水蒸気が生成される。よって、水を確実に気化させて水蒸気を生成でき、且つ水蒸気の気化状態を安定化させることができる。
On the other hand, in the
従って、本実施形態によれば、水素製造装置1の性能向上、ひいては、燃料電池システム100の性能向上を実現することが可能となる。
Therefore, according to the present embodiment, it is possible to improve the performance of the
また、本実施形態の蒸発部9では、上述したように、排ガス流路L1の出口側(下流側)に対応する下方側の導入部21aから水が導入されるため、蒸発部9の温度の低い部分が排ガス流路L1の出口側に位置することとなる。よって、排気ガスを出口側にて特に低温化でき、外部へ排出されるエネルギを一層低減させることが可能となり、その結果、効率を一層向上させることが可能となる。
Moreover, in the
また、本実施形態の低温シフト触媒13xでは、上述したように、その上端部の導入部31から改質ガスが導入されると共に、その下端部の導出部32から改質ガスを導出している。よって、低温シフト触媒部13xにおいて高温に成り易い入口側が、排ガス流路L1の出口側と反対側に位置することとなる。よって、排気ガスにおける出口側の温度上昇を抑制でき、外部へ排出されるエネルギを一層低減させることが可能となる。
Further, in the low
なお、本実施形態では、上記のように、蒸発部9、低温シフト反応部13及び選択酸化反応部8を本体部3として一体化でき、水素製造装置1の小型化が可能となっている。また、低温シフト反応部13及び選択酸化反応部8を冷却する熱交換器としての機能を蒸発部9が有することとなる。さらに、選択酸化反応部8に供給される改質ガスの偏りを軽減することができ、PROX空気を分散させるための分散板を不要にすることが可能となる。
In the present embodiment, as described above, the
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明に係る水素製造装置及び燃料電池システムは、実施形態に係る上記水素製造装置1及び上記燃料電池システム100に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
The preferred embodiment of the present invention has been described above. However, the hydrogen production apparatus and the fuel cell system according to the present invention are not limited to the
例えば、水素製造装置の配置構成については、上記水素製造装置1を上下反転したような配置構成(例えば、バーナ10が下部に設置されて構成された水素製造装置)としてもよく、限定されるものではない。また、上記実施形態の水素製造装置1は、脱硫部2を備えない場合もある。また、改質部6は、原燃料及び水蒸気を改質するものであればよい。
For example, the arrangement configuration of the hydrogen production apparatus may be an arrangement arrangement in which the
また、上記実施形態は、改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応させるものとして高温シフト反応部12及び低温シフト反応部13を備えているが、低温シフト反応部13のみ備えていてもよい。
Moreover, although the said embodiment is provided with the high temperature
また、以下に例示するように、蒸発部9に貯留された水の水面の位置を調整する制御部を備え、この制御部は、水面の位置が選択酸化触媒8xの上端よりも上側となるように、かかる水面の位置を調整する場合がある。
In addition, as illustrated below, a control unit that adjusts the position of the water surface of the water stored in the
図4は、図1の水素製造装置の変形例を示す概略正面端面図である。図4に示すように、変形例に係る水素製造装置1´は、蒸発部9内に貯留された水の水面WFの位置を選択酸化触媒8xの上端8aよりも上側とする機能を有するものである。水素製造装置1´は、上記実施形態に対し、負荷検出センサCE、原燃料供給ポンプ110、水供給ポンプ120、バーナ燃料供給ポンプ130、空気供給ポンプ140、温度センサC1〜C5及び制御部150をさらに備えている。
FIG. 4 is a schematic front end view showing a modification of the hydrogen production apparatus of FIG. As shown in FIG. 4, the
負荷検出センサCEは、セルスタック20の負荷(セルスタック20に要求される電力量(W))を検出する機能を有しており、検出結果を制御部150へ出力する。原燃料供給ポンプ110は、改質部6へ原燃料を供給するポンプである。水供給ポンプ120は、蒸発部9へ水を供給するポンプである。バーナ燃料供給ポンプ130は、バーナ10にバーナ燃料を供給するポンプである。空気供給ポンプ140は、バーナ10に空気を供給するポンプである。各ポンプ110,120,130,140は、制御部150と電気的に接続されており、制御部150から入力された制御信号に基づいて駆動される。
The load detection sensor CE has a function of detecting the load of the cell stack 20 (the amount of power (W) required for the cell stack 20), and outputs the detection result to the
温度センサC1〜C5は、蒸発部9内の温度を検出することにより水面WFの位置を検出するセンサである。温度センサC1は、蒸発部9から導出される水蒸気の温度を検出する。温度センサC2〜C5は、上側から下側へ向かってこの順で蒸発部9内に設けられている。温度センサC2,C3は、選択酸化触媒8xの上端8aよりも上側に配置され、温度センサC4,C5は、選択酸化触媒8xの上端8aと下端8bとの間に配置されている。
The temperature sensors C1 to C5 are sensors that detect the position of the water surface WF by detecting the temperature in the
制御部150は、水素製造装置1全体の制御を行う機能を有しており、各ポンプ110,120,130,140を制御することによって、水面WFの位置が選択酸化反応部8の選択酸化触媒8xの上端8aよりも上側となるように、水面WFの位置を調整する。
The
この水素製造装置1´では、制御部150において以下の制御を実行することで、水面WFの位置を選択酸化触媒8xの上端8aよりも上側に位置させる。すなわち、セルスタック20の負荷変動に応じて所定の制御マップを用い、S/Cの設定値を最適値に変更することで、又はバーナ空気比の設定値を最適値に変更することで、水面WFの位置を選択酸化触媒8xの上端8aよりも上側に位置させる。
In this
或いは、温度センサC1、C2,C3,C4,C5を用いて水面WFの位置を検出し、水面WFが一定位置よりも上昇又は下降した場合、S/Cの設定値を最適値に変更することで、又はバーナ空気比の設定値を最適値に変更することで、水面WFの位置を選択酸化触媒8xの上端8aよりも上側に位置させる。
Alternatively, the position of the water surface WF is detected using the temperature sensors C1, C2, C3, C4, and C5, and when the water surface WF rises or falls below a certain position, the set value of S / C is changed to an optimum value. Or by changing the set value of the burner air ratio to the optimum value, the position of the water surface WF is positioned above the
このように、水素製造装置1´によれば、水面WFの位置が選択酸化触媒8xの上端8aよりも高くなることから、かかる上端8a付近の冷却が不十分となるのを抑制でき、選択酸化触媒8xの温度の急上昇を確実に防止することができる。
Thus, according to the
ここでの「水面WF」は、蒸発部9内の水が水蒸気となる境界部分である。また、「S/C」とは、改質部6に供給される原燃料中のカーボンに対する水蒸気の比率である。また、「バーナ空気比」とは、バーナ10に供給されるバーナ燃料を全て完全に燃焼できる空気量(理論空気量)に対する、バーナ10に供給される空気量の比率である。
Here, the “water surface WF” is a boundary portion where the water in the
ちなみに、上記の「筒状」とは、略円筒状だけでなく、略多角筒状を含むものである。また、略円筒状及び略多角筒状とは、円筒状及び多角筒状に概略等しいものや、円筒状及び多角筒状の部分を少なくとも含むもの等の広義の円筒状及び多角筒状を意味している。また、上記実施形態は、好ましいとして、中心軸を軸Gとする同軸構成とされているが、本発明は、略同軸構成又は軸Gに沿った構成とされていてもよい。 Incidentally, the above “tubular shape” includes not only a substantially cylindrical shape but also a substantially polygonal tubular shape. In addition, the substantially cylindrical shape and the substantially polygonal cylindrical shape mean a cylindrical shape and a polygonal cylindrical shape in a broad sense such as those substantially equal to the cylindrical shape and the polygonal cylindrical shape, and those including at least a cylindrical shape and a polygonal cylindrical shape. ing. Moreover, although the said embodiment is made into the coaxial structure which makes the center axis the axis | shaft G as a preferable, this invention may be set as the structure along the substantially coaxial structure or the axis | shaft G.
1,1´…水素製造装置、6…改質部、7…シフト反応部、9…蒸発部(冷却部)、10…バーナ、13…低温シフト反応部(シフト反応部)、13x…低温シフト触媒(シフト触媒部)、20…セルスタック(燃料電池スタック)、100…燃料電池システム、150…制御部、G…軸、L1…排ガス流路(冷却部)、S1…外周部流路(第1改質ガス流路)、S2…下部流路(第2改質ガス流路)、S3…内周部流路(第3改質ガス流路)。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
筒状に設けられ、前記改質部で生成した改質ガスをシフト反応させて該改質ガスの一酸化炭素濃度を低下させるシフト反応部と、
筒状に設けられ、前記シフト反応部でシフト反応させた改質ガスの一酸化炭素濃度をさらに低下させる選択酸化反応部と、を備え、
前記シフト反応部は、
前記シフト反応部の軸に沿う筒状に設けられたシフト触媒部と、
前記改質部で生成された改質ガスを、前記シフト反応部の外周部にて軸方向の一方側から他方側に流通させる第1改質ガス流路と、
前記第1改質ガス流路を流通させた前記改質ガスを、前記シフト反応部の外周部側から内周部側に流通させる第2改質ガス流路と、
前記第2改質ガス流路を流通させた前記改質ガスを、前記シフト反応部の内周部にて軸方向の他方側から一方側に流通させると共に前記シフト触媒部の軸方向の一方側に導入する第3改質ガス流路と、を含み、
前記シフト反応部の前記第1改質ガス流路には、該第1改質ガス流路を流通する前記改質ガスを冷却する冷却部が近接されており、
前記冷却部は、前記シフト反応部を囲繞する筒状に設けられ内部に貯留された水を周囲の熱を利用して加熱することにより前記水蒸気を生成する蒸発部を含んで構成され、
前記選択酸化反応部は、前記蒸発部を囲繞するように設けられており、前記蒸発部の径方向外側に隣接配置され、前記選択酸化反応部の軸に沿う筒状に設けられた選択酸化触媒部を有し、
前記蒸発部に貯留された水の水面の位置を調整する制御部をさらに備え、
前記制御部は、前記水面の位置が前記選択酸化触媒部の上端よりも上側となるように、前記水面の位置を調整することを特徴とする水素製造装置。 A reforming unit that generates reformed gas containing hydrogen by reforming raw fuel and steam using a burner;
A shift reaction unit that is provided in a cylindrical shape and shifts the reformed gas generated in the reforming unit to reduce the carbon monoxide concentration of the reformed gas;
A selective oxidation reaction section that is provided in a cylindrical shape and further reduces the carbon monoxide concentration of the reformed gas that has undergone a shift reaction in the shift reaction section,
The shift reaction part is
A shift catalyst portion provided in a cylindrical shape along the axis of the shift reaction portion;
A first reformed gas flow path for causing the reformed gas generated in the reforming section to flow from one side in the axial direction to the other side in the outer peripheral portion of the shift reaction section;
A second reformed gas flow path for flowing the reformed gas that has flowed through the first reformed gas flow path from an outer peripheral side to an inner peripheral side of the shift reaction unit;
The reformed gas that has been circulated through the second reformed gas flow path is circulated from the other axial side to the one side at the inner peripheral portion of the shift reaction portion and one axial side of the shift catalyst portion. A third reformed gas flow path to be introduced into
A cooling unit for cooling the reformed gas flowing through the first reformed gas channel is in close proximity to the first reformed gas channel of the shift reaction unit,
The cooling unit is configured to include an evaporation unit that generates water vapor by heating the water stored in the cylinder surrounding the shift reaction unit using ambient heat,
The selective oxidation reaction section is provided so as to surround the evaporation section, and is disposed adjacent to the outside in the radial direction of the evaporation section, and is provided in a cylindrical shape along the axis of the selective oxidation reaction section. Part
A control unit for adjusting the position of the water surface of the water stored in the evaporation unit;
The said control part adjusts the position of the said water surface so that the position of the said water surface may become above the upper end of the said selective oxidation catalyst part, The hydrogen production apparatus characterized by the above-mentioned.
前記シフト反応部を囲繞する筒状に設けられ、前記バーナの排気ガスを流通させる排ガス流路と、
前記排ガス流路を囲繞する筒状に設けられ、前記水蒸気を生成する蒸発部と、を含んで構成されていることを特徴とする請求項1記載の水素製造装置。 The cooling part is
An exhaust gas flow path that is provided in a cylindrical shape surrounding the shift reaction unit and that circulates the exhaust gas of the burner;
The hydrogen production apparatus according to claim 1, further comprising: an evaporation unit that is provided in a cylindrical shape surrounding the exhaust gas flow path and generates the water vapor.
前記蒸発部は、軸方向の他方側より水を導入すると共に、軸方向の一方側から前記水蒸気を導出することを特徴とする請求項2記載の水素製造装置。 The exhaust gas flow channel distributes the exhaust gas from one axial side to the other,
The hydrogen production apparatus according to claim 2, wherein the evaporating unit introduces water from the other side in the axial direction and derives the water vapor from one side in the axial direction.
高温シフト反応を行う筒状の高温シフト反応部を更に備え、
前記蒸発部は、前記高温シフト反応部の高温シフト触媒部の下端部を少なくとも覆うように構成され、
前記蒸発部の上端は、前記高温シフト触媒部の下端よりも上方に位置していることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の水素製造装置。 The shift reaction part is a low temperature shift reaction part that performs a low temperature shift reaction,
It further comprises a cylindrical high temperature shift reaction part for performing a high temperature shift reaction,
The evaporation unit is configured to cover at least the lower end of the high temperature shift catalyst unit of the high temperature shift reaction unit,
4. The hydrogen production apparatus according to claim 1 , wherein an upper end of the evaporation unit is located above a lower end of the high temperature shift catalyst unit .
前記水素製造装置によって生成した前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 The hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 4,
A fuel cell system comprising: a fuel cell stack that generates electric power using the reformed gas generated by the hydrogen production apparatus.
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