JP5807167B2 - Hydrogen generator - Google Patents
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Description
本発明は水素生成装置に関し、より詳しくは、燃料電池発電装置に組み込まれて、炭化水素系の原料ガスに含まれる硫黄化合物を除去する水添脱硫器を備えた水素生成装置に関する。 The present invention relates to a hydrogen generator, and more particularly to a hydrogen generator equipped with a hydrodesulfurizer that is incorporated in a fuel cell power generator and removes sulfur compounds contained in hydrocarbon-based source gas.
燃料電池発電装置では、燃料である水素は、LPガス、及び天然ガスなどのメタンを主成分とする炭化水素系ガスと水蒸気とからなる原料ガスが水素生成装置によって改質されて水素が生成される。生成された水素は燃料電池の燃料極に供給されて、発電が行われる。水素生成装置において、原料ガスは燃料改質器での改質反応により、水素リッチなガスに改質される。このように、炭化水素から燃料電池に供給される水素を発生することを改質という。改質反応で水素と同時に生じた一酸化炭素は、発電部であるスタックの発電特性を著しく低下させる。それを防止するために、一酸化炭素変成反応や選択酸化反応などを生じさせる一酸化炭素浄化器で、改質後の水素リッチなガスから一酸化炭素が除去されて、その含有率が低減される。 In a fuel cell power generation device, hydrogen, which is a fuel, is generated by reforming a gas source composed of a hydrocarbon gas mainly composed of methane such as LP gas and natural gas and water vapor by a hydrogen generator. The The generated hydrogen is supplied to the fuel electrode of the fuel cell to generate power. In the hydrogen generator, the raw material gas is reformed into a hydrogen-rich gas by a reforming reaction in the fuel reformer. The generation of hydrogen supplied from a hydrocarbon to a fuel cell in this way is called reforming. Carbon monoxide generated simultaneously with hydrogen in the reforming reaction significantly reduces the power generation characteristics of the stack, which is the power generation unit. In order to prevent this, a carbon monoxide purifier that generates carbon monoxide shift reaction, selective oxidation reaction, etc., the carbon monoxide is removed from the hydrogen-rich gas after reforming, and its content rate is reduced. The
原料ガスの改質には一般に水蒸気改質法が採用されている。具体的には、改質触媒としてPt(プラチナ)系、Ni(ニッケル)系、及びRu(ルテニウム)系などの金属触媒を用いて、約600℃から700℃で反応を生じさせる。また、一酸化炭素変成反応を生じる触媒には、CuZn(銅亜鉛)系が用いられ、150℃から350℃で反応を生じさせられる。選択酸化反応を生じる触媒には、Pt系やRu系が用いられ、80℃から200℃で反応を生じさせる。 A steam reforming method is generally employed for reforming the raw material gas. Specifically, using a metal catalyst such as Pt (platinum), Ni (nickel), and Ru (ruthenium) as the reforming catalyst, the reaction is caused at about 600 to 700 ° C. Further, a CuZn (copper zinc) system is used as a catalyst for causing the carbon monoxide shift reaction, and the reaction is caused to occur at 150 to 350 ° C. As a catalyst that causes a selective oxidation reaction, a Pt-based or Ru-based catalyst is used, and the reaction is caused at 80 to 200 ° C.
原料ガスである都市ガス、LPガス、及び天然ガスなどには付臭剤として有機硫黄化合物が添加されている。改質触媒は、硫黄化合物により被毒し性能劣化をきたすので、原料ガス中の硫黄化合物を許容濃度以下まで除去するために、改質触媒に原料ガスを通流させる前処理として脱硫工程を設ける必要がある。 An organic sulfur compound is added as an odorant to a source gas such as city gas, LP gas, and natural gas. Since the reforming catalyst is poisoned by the sulfur compound and deteriorates its performance, a desulfurization step is provided as a pretreatment for passing the raw material gas through the reforming catalyst in order to remove the sulfur compound in the raw material gas to an allowable concentration or less. There is a need.
原料ガス中の硫黄化合物を除去する脱硫方法の一つとして、原料ガスに水素を混合し硫黄化合物を除去する水添脱硫方式がある。水添脱硫方式は、硫黄分の吸着容量が大きいことから長期間にわたって吸着剤を交換する必要がない。一方、水添脱硫方式の脱硫反応には水素が必要であるため、改質触媒により生成された改質ガスの一部を原料ガスに添加して水添脱硫器に供給する。 As one of the desulfurization methods for removing the sulfur compound in the raw material gas, there is a hydrodesulfurization method in which hydrogen is mixed into the raw material gas to remove the sulfur compound. In the hydrodesulfurization method, since the adsorption capacity of sulfur is large, it is not necessary to replace the adsorbent over a long period of time. On the other hand, since hydrogen is required for the hydrodesulfurization type desulfurization reaction, a part of the reformed gas generated by the reforming catalyst is added to the raw material gas and supplied to the hydrodesulfurizer.
水添脱硫器では、水添脱硫触媒により硫黄化合物が水素と反応し除去される。このとき、触媒に適切な反応を生じさせる温度は、触媒種にもよるが、触媒を200℃〜400℃程度の高温状態に保つ必要がある。水添脱硫触媒はCuZn系、Ni系、CoMo(コバルト・モリブデン)系、ZnO(酸化亜鉛)系などが用いられる。 In the hydrodesulfurizer, sulfur compounds react with hydrogen and are removed by a hydrodesulfurization catalyst. At this time, the temperature at which an appropriate reaction occurs in the catalyst depends on the type of catalyst, but it is necessary to keep the catalyst at a high temperature of about 200 ° C to 400 ° C. As the hydrodesulfurization catalyst, CuZn-based, Ni-based, CoMo (cobalt / molybdenum) -based, ZnO (zinc oxide) -based, or the like is used.
図8に、従来の水素生成装置の一例として、特許文献1に提案されている水添脱硫器一体型円筒式水蒸気改質器を示す。水添脱硫器一体型円筒式水蒸気改質器GHcは、簡単に言えば、水素生成装置に水添脱硫器が組み込まれて一体化されて構成されている。具体的には、水添脱硫器200が水素生成装置本体201の変成器202が位置する下方、かつ改質器203が位置する外周に組み込まれている。改質器203の外周に配置するのは、約600℃と高温になる改質器203の熱を利用して水添脱硫触媒204を反応に適した温度に保つためである。 FIG. 8 shows a hydrodesulfurizer-integrated cylindrical steam reformer proposed in Patent Document 1 as an example of a conventional hydrogen generator. In short, the hydrodesulfurizer-integrated cylindrical steam reformer GHc is configured by integrating a hydrodesulfurizer into a hydrogen generator. Specifically, the hydrodesulfurizer 200 is incorporated in the lower part of the hydrogen generator main body 201 where the transformer 202 is located and on the outer periphery where the reformer 203 is located. The reason why it is arranged on the outer periphery of the reformer 203 is to keep the hydrodesulfurization catalyst 204 at a temperature suitable for the reaction by utilizing the heat of the reformer 203 that becomes a high temperature of about 600 ° C.
水添脱硫器200の反応容器は同心二重円筒形状で、外筒205と内筒206で囲まれた空間の上下端面を中空2重円筒形状の上面板207と底面板208とで閉塞した縦型の容器である。水添脱硫触媒204は、反応容器内の上下に配した仕切り板209の間に充填されている。触媒層を挟んで反応容器内の上側には上面板207と水添脱硫触媒204との間に上側ヘッダー210が形成され、また下側には底面板208と水添脱硫触媒204との間に下側ヘッダー211が形成されている。 The reaction vessel of the hydrodesulfurizer 200 has a concentric double cylindrical shape, and the upper and lower end surfaces of the space surrounded by the outer cylinder 205 and the inner cylinder 206 are closed with a hollow double cylindrical upper surface plate 207 and a bottom surface plate 208. This is a mold container. The hydrodesulfurization catalyst 204 is filled between the partition plates 209 arranged above and below in the reaction vessel. An upper header 210 is formed between the upper surface plate 207 and the hydrodesulfurization catalyst 204 on the upper side in the reaction vessel with the catalyst layer interposed therebetween, and between the bottom plate 208 and the hydrodesulfurization catalyst 204 on the lower side. A lower header 211 is formed.
そして、上面板207には、脱硫済の原料ガスを排出する原料ガス排出管212が接続され、底面板208には水素を添加した原料ガスを供給する原料ガス供給管213が下から接続されている。水素が添加された原料ガスは、原料ガス供給管213から下側ヘッダー211に導入され、触媒層(水添脱硫触媒204)を上昇する過程で原料ガス中の硫黄化合物が水素との脱硫反応により除去される。硫黄化合物が除去された原料ガスは、上側ヘッダー210に達し原料ガス排出管212を通って改質器203に向かう。 The top plate 207 is connected to a source gas discharge pipe 212 for discharging desulfurized source gas, and the bottom plate 208 is connected to a source gas supply pipe 213 for supplying a source gas added with hydrogen from below. Yes. The raw material gas to which hydrogen is added is introduced into the lower header 211 from the raw material gas supply pipe 213, and the sulfur compound in the raw material gas is subjected to a desulfurization reaction with hydrogen in the process of raising the catalyst layer (hydrodesulfurization catalyst 204). Removed. The raw material gas from which the sulfur compound has been removed reaches the upper header 210 and passes through the raw material gas discharge pipe 212 to the reformer 203.
上述の如く構成された水添脱硫器一体型円筒式水蒸気改質器GHc(水素生成装置)においては、原料ガス供給管213が水添脱硫器200が直接接続されているために、200℃〜400℃程の高温である水添脱硫触媒204の作動温度に比べて、遙かに低温である(常温で25℃)の原料ガスが水添脱硫器200に導入される。つまり、水添脱硫器200の原料ガス供給管213と出口付近では、適正な温度(200℃〜400℃程)に比べて、175℃〜275℃も低い原料ガスが流入することによって、水添脱硫器200に内部の均熱帯が壊れたり、その部分が過度に冷やされたりして触媒層全体を適正温度範囲に保つことがでない。そして、水添脱硫器200における脱硫反応が損なわれたり、最悪の事態では熱衝撃により水添脱硫器200が損傷を受けることもある。結果、硫黄化合物が十分に除去されていない原料ガス中が、反応容器に供給されてしまう。 In the hydrodesulfurizer-integrated cylindrical steam reformer GHc (hydrogen generator) configured as described above, since the hydrodesulfurizer 200 is directly connected to the raw material gas supply pipe 213, the hydrodesulfurizer 200 GHc Compared with the operating temperature of the hydrodesulfurization catalyst 204 which is as high as about 400 ° C., a raw material gas which is much lower in temperature (25 ° C. at normal temperature) is introduced into the hydrodesulfurizer 200. That is, in the vicinity of the raw material gas supply pipe 213 and the outlet of the hydrodesulfurizer 200, the raw material gas flows as low as 175 ° C. to 275 ° C. compared to the appropriate temperature (200 ° C. to 400 ° C.). The soaking zone inside the desulfurizer 200 is broken or the portion is excessively cooled, so that the entire catalyst layer cannot be kept in an appropriate temperature range. And the desulfurization reaction in the hydrodesulfurizer 200 may be impaired, or in the worst case, the hydrodesulfurizer 200 may be damaged by thermal shock. As a result, the raw material gas from which the sulfur compound is not sufficiently removed is supplied to the reaction vessel.
本発明は、上述の問題に鑑みて、水添脱硫器の作動温度との差を抑えて、原料ガスを水添脱硫器に供給できる水素生成装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a hydrogen generator capable of supplying a raw material gas to a hydrodesulfurizer while suppressing a difference from the operating temperature of the hydrodesulfurizer.
上記の課題を解決する為に、本発明は、水素生成装置であって、
原料ガスを用いて改質反応により水素含有ガスを生成する筒状の改質器と、
前記改質器で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する筒状の一酸化炭素浄化器と、
前記改質器の外周に設けられ、前記原料ガス中の硫黄化合物を除去する筒状の水添脱硫器と、
前記水添脱硫器に供給される原料ガスが流れる原料ガス供給路とを備え、
前記原料ガス供給路は、前記一酸化炭素浄化器の外周面に沿って熱交換可能に配設されていると共に、前記一酸化炭素浄化器の中心軸に平行に延在する第1の熱交換部と、外周方向に所定の中心角で規定される長さだけ延在する第2の熱交換部とを含むことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention is a hydrogen generator,
A cylindrical reformer that generates a hydrogen-containing gas by a reforming reaction using a raw material gas;
A cylindrical carbon monoxide purifier that reduces carbon monoxide in the hydrogen-containing gas produced by the reformer;
A cylindrical hydrodesulfurizer that is provided on the outer periphery of the reformer and removes sulfur compounds in the raw material gas;
A source gas supply path through which source gas supplied to the hydrodesulfurizer flows,
The raw material gas supply path is arranged so as to be capable of exchanging heat along the outer peripheral surface of the carbon monoxide purifier, and the first heat exchange extending parallel to the central axis of the carbon monoxide purifier And a second heat exchanging portion extending by a length defined by a predetermined central angle in the outer peripheral direction .
本発明の水素生成装置によれば、温度を適切にした原料ガスを水添脱硫器に供給することができる。 According to the hydrogen generator of the present invention, it is possible to supply a raw material gas having an appropriate temperature to the hydrodesulfurizer.
以下に、図1、図2、図3、図4、図5、図6、及び図7を参照して、本発明の実施の形態1〜4に係る水素生成装置について説明する。なお、異なる実施の形態において、同一或いは類似の部材については、原則的に同一の符号を付すと共に説明を省略する。 Hereinafter, hydrogen generators according to Embodiments 1 to 4 of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 2, 3, 4, 5, 6, and 7. Note that, in different embodiments, the same or similar members are in principle given the same reference numerals and description thereof is omitted.
(実施の形態1)
図1に、本発明の実施の形態1に係る水素生成装置の内部構造を示す。水素生成装置GH1は、上述の水添脱硫器一体型円筒式水蒸気改質器GHcと同様に、水添脱硫器103が、水素生成装置本体101の一酸化炭素浄化器104が位置する下方、かつ改質器102が位置する外周に断熱材107を介して配設されている。なお、本実施形態においては、水素生成装置GH1は円筒形に形成されているが、円筒形に限定されるものではない。また、改質器102や水添脱硫器103も、改質反応や、一酸化炭素変成反応及び選択酸化反応を効果的引き起こすことができる形状であれば何でもよい。そのような例として、円筒状、角筒状、及び筒状などの形状を挙げることができる。なお、燃料電池発電装置に組み込まれる場合は、円筒状が好ましい。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows the internal structure of the hydrogen generator according to Embodiment 1 of the present invention. Similar to the above-described hydrodesulfurizer integrated cylindrical steam reformer GHc, the hydrogen generator GH1 is configured such that the hydrodesulfurizer 103 is disposed below the carbon monoxide purifier 104 of the hydrogen generator main body 101, and A heat insulating material 107 is disposed on the outer periphery where the reformer 102 is located. In the present embodiment, the hydrogen generator GH1 is formed in a cylindrical shape, but is not limited to a cylindrical shape. The reformer 102 and the hydrodesulfurizer 103 may have any shape as long as they can effectively cause a reforming reaction, a carbon monoxide shift reaction, and a selective oxidation reaction. Examples of such a shape include a cylindrical shape, a rectangular tube shape, and a tubular shape. In addition, when incorporating in a fuel cell power generation device, a cylindrical shape is preferable.
一酸化炭素浄化器104とは、変成器105および選択酸化器106の少なくともいずれか一方を指す。一酸化炭素変成反応を生じる触媒には、CuZn(銅亜鉛)系が用いられ、150℃から350℃で反応が生じさせられる。改質器102で改質反応により生成された水素と、都市ガス、LPガス、及び天然ガスといった炭化水素系のガスとを混合させた原料ガスは、原料ガス供給路108を介して水添脱硫器103に充填された脱硫触媒内を通流して、硫黄化合物が除去された後に、原料ガス排出路110を通流し改質器102へ供給される。原料ガス供給路108は、変成器105の外周に接触または隣接させて配設されている。このような変成器105は、PEFC(固体高分子形燃料電池)やSOFC(固体酸化物形燃料電池)に水素を供給するための水素生成装置に設けられている。 The carbon monoxide purifier 104 refers to at least one of the transformer 105 and the selective oxidizer 106. A CuZn (copper zinc) system is used as a catalyst for causing the carbon monoxide shift reaction, and the reaction is caused to occur at 150 to 350 ° C. A raw material gas obtained by mixing hydrogen generated by the reforming reaction in the reformer 102 and a hydrocarbon-based gas such as city gas, LP gas, and natural gas is hydrodesulfurized via the raw material gas supply path 108. After the sulfur compound is removed through the desulfurization catalyst filled in the vessel 103, the raw material gas discharge passage 110 is passed through and supplied to the reformer 102. The source gas supply path 108 is disposed in contact with or adjacent to the outer periphery of the transformer 105. Such a transformer 105 is provided in a hydrogen generator for supplying hydrogen to PEFC (solid polymer fuel cell) or SOFC (solid oxide fuel cell).
図2に、水素生成装置GH1の外観を部分的に示す。水添脱硫器103に原料ガスを供給する原料ガス供給路108は、選択酸化器106と変成器105との側面に沿って配置され変成器105の下端近傍で、変成器105の側面の周方向に折り返され、変成器105の外周に沿って接触または隣接されるように配される。この変成器105の外周に沿って変成器105に接触または隣接する部分を、原料ガス供給路の熱交換部Hex1と呼ぶ。原料ガス供給路108及び熱交換部Hex1は、それぞれ、変成器105と熱交換可能となるように、変成器105の外周に沿って接触または隣接して配設されている。なお、熱交換機能の観点から言えば、原料ガス供給路108は補助的なもので、原料ガスの温度を安定化するには、変成熱交換部Hex1が必須である。 FIG. 2 partially shows the appearance of the hydrogen generator GH1. A raw material gas supply passage 108 for supplying a raw material gas to the hydrodesulfurizer 103 is disposed along the side surfaces of the selective oxidizer 106 and the transformer 105, and in the vicinity of the lower end of the transformer 105, the circumferential direction of the side surface of the transformer 105. And is arranged so as to be in contact with or adjacent to the outer periphery of the transformer 105. A portion that contacts or is adjacent to the transformer 105 along the outer periphery of the transformer 105 is referred to as a heat exchange section Hex1 of the source gas supply path. The source gas supply path 108 and the heat exchange part Hex1 are arranged in contact with or adjacent to each other along the outer periphery of the transformer 105 so that heat exchange with the transformer 105 is possible. From the viewpoint of the heat exchange function, the raw material gas supply path 108 is an auxiliary one, and in order to stabilize the temperature of the raw material gas, the transformation heat exchange part Hex1 is essential.
つまり、原料ガス供給路108は、一酸化炭素浄化器104(変成器105)の長さ方向に延在させる構造的制約があるため、延在長に対応する吸熱量(原料ガスの昇温度)の制御が難しい。これに対して、熱交換部Hex1は、変成器105の周方向に延在(巻回)させるために、吸熱量(原料ガスの昇温度)に対する延在(巻回)長さ制御が(中心角θによって)容易である。よって、本発明においては、熱交換部Hex1が主な熱交換手段であり、原料ガス供給路108が補助の熱交換手段である。具体的に言えば、原料ガス供給路108では熱交換を十分するだけの熱交換面積が足りないので、単独では、温度制御ができないので、補助的熱交換手段として用いて、温度制御が容易な熱交換部Hex1を主な熱交換手段として用いている。 That is, since the raw material gas supply path 108 has a structural restriction that extends in the length direction of the carbon monoxide purifier 104 (transformer 105), the endothermic amount corresponding to the extended length (increased temperature of the raw material gas). Is difficult to control. On the other hand, since the heat exchanging section Hex1 extends (winds) in the circumferential direction of the transformer 105, the extension (winding) length control with respect to the endothermic amount (the rising temperature of the raw material gas) is (center). Easy). Therefore, in the present invention, the heat exchanging unit Hex1 is the main heat exchanging means, and the source gas supply path 108 is the auxiliary heat exchanging means. Specifically, since the raw material gas supply path 108 does not have a sufficient heat exchange area for sufficient heat exchange, the temperature cannot be controlled by itself, so that it can be easily used as an auxiliary heat exchange means. The heat exchange part Hex1 is used as the main heat exchange means.
仮に、原料ガス供給路108に十分な吸熱(原料ガスの昇温)能力を持たせてしまった場合について考える。上述のように、原料ガス供給路108は一酸化炭素浄化器104(変成器105)の長さ方向に延在させるという構造的制約があるために、原料ガス供給路108自体では吸熱量を減少するように制御できない。よって、意に反して、原料ガスを過剰に加熱してしまうことが起こりえる。この場合、過熱された原料ガスを冷却する必要が生じるが、そのために本来不必要な設備や工数を要求されるばかりでなく、原料ガスの加熱のために変成器105から吸収された熱が無駄である。つまり、本発明においては、構造的制約を有する原料ガス供給路108の吸熱能力を、原料ガスを所望の温度に加熱するのに必要とされる最低限より小さく設定しておき、不足する加熱能力は構造的制約のない変成熱交換部Hex1の吸熱能力を制御することによって、原料ガスの安定加熱をはかっているとも言える。 Let us consider a case where the source gas supply path 108 has sufficient endothermic (source gas temperature rising) capability. As described above, the source gas supply path 108 has a structural restriction that it extends in the length direction of the carbon monoxide purifier 104 (transformer 105), so that the amount of heat absorption is reduced in the source gas supply path 108 itself. I can't control it. Therefore, contrary to the intention, the source gas may be heated excessively. In this case, it is necessary to cool the overheated raw material gas, which not only requires unnecessary facilities and man-hours, but also wastes heat absorbed from the transformer 105 for heating the raw material gas. It is. That is, in the present invention, the heat absorption capacity of the raw material gas supply passage 108 having structural constraints is set smaller than the minimum required for heating the raw material gas to a desired temperature, and the insufficient heating capacity is set. It can be said that the raw material gas is stably heated by controlling the endothermic ability of the metamorphic heat exchange part Hex1 without structural constraints.
原料ガス供給路108及び変成器105と熱交換部Hex1とが熱交換可能な構成となるように接触するか、または隣接しているとは、熱的に接触、または隣接していることを意味する。物理的に接触、または隣接していても間に断熱材料が挟まれるなどして、熱的に遮断されることがないようにする。また隣接する場合は、原料ガス供給路108及び変成器105と熱交換部Hex1との距離が、2mm以下であることが好ましい。さらに、原料ガス供給路108の熱交換部Hex1は、所定の中心角θが約300°以上の円弧となるように変成器105の外周に沿って巻かれるように配設されることが好ましい。なお、このように、熱交換部Hex1が変成器105の外周に沿って巻かれる中心角度θを熱交換部Hex1の巻回角θと呼ぶものとする。 The material gas supply path 108 and the transformer 105 and the heat exchanging unit Hex1 are in contact with or adjacent to each other so as to have a heat exchangeable configuration means that they are in thermal contact with or adjacent to each other. To do. Even if they are in physical contact or adjacent to each other, a thermal insulation material is sandwiched between them so that they are not thermally blocked. When adjacent to each other, it is preferable that the distance between the raw material gas supply path 108 and the transformer 105 and the heat exchange part Hex1 is 2 mm or less. Furthermore, the heat exchange part Hex1 of the source gas supply path 108 is preferably disposed so as to be wound around the outer periphery of the transformer 105 so that the predetermined center angle θ is an arc having a radius of about 300 ° or more. As described above, the central angle θ around which the heat exchanging unit Hex1 is wound along the outer periphery of the transformer 105 is referred to as a winding angle θ of the heat exchanging unit Hex1.
上述のような、原料ガス供給路108の熱交換部Hex1の配置は、変成器105と水添脱硫器103に充填される各々の触媒がCuZn系といった同種である場合に、制御温度が変成器105と水添脱硫器103のそれぞれにおいて150℃から350℃と同領域となるため特に有効である。熱交換部Hex1で変成器105と十分に熱交換させることで、水添脱硫器103に通流させる原料ガス温度を最適な温度に近づけることができる。また、水添脱硫器103に充填される触媒の制御温度が変成器105に充填された触媒の制御温度よりも高温である場合は、変成器105の下方にある改質器102に原料ガス供給路108の熱交換部Hex1を接触または隣接させることで、水添脱硫器103に供給する原料ガス温度を適切な範囲の値にできる。 The arrangement of the heat exchange part Hex1 in the raw material gas supply path 108 as described above is such that when the catalysts filled in the converter 105 and the hydrodesulfurizer 103 are of the same type such as CuZn, the control temperature is the converter. This is particularly effective because it is in the same region of 150 ° C. to 350 ° C. in each of 105 and hydrodesulfurizer 103. By sufficiently exchanging heat with the transformer 105 in the heat exchange section Hex1, the temperature of the raw material gas passed through the hydrodesulfurizer 103 can be brought close to the optimum temperature. Further, when the control temperature of the catalyst charged in the hydrodesulfurizer 103 is higher than the control temperature of the catalyst charged in the transformer 105, the raw material gas is supplied to the reformer 102 below the transformer 105. By bringing the heat exchange part Hex1 of the passage 108 into contact with or adjacent to each other, the temperature of the raw material gas supplied to the hydrodesulfurizer 103 can be set to an appropriate value.
このように、原料ガス供給路108と原料ガス供給路108の熱交換部Hex1とを一酸化炭素浄化器104(変成器105)の外周に沿って配置することにより、原料ガス供給路108と熱交換部Hex1とが一酸化炭素浄化器104と熱交換可能な構成とすることで、水添脱硫触媒の温度を適切に保ち反応を良好にすることができる。つまり、このように、150℃〜350℃の温度範囲内にある一酸化炭素浄化器104(変成器105)から、原料ガス供給路108と熱交換部Hex1は熱交換、つまり熱を貰って昇温することができる。しかしながら、水添脱硫器103に供給される原料ガスの温度は好ましくは、200℃〜280℃である。また、原料ガスは水添脱硫器103の内部で、改質反応熱によりさらに昇温される。これらの状況を勘案して、水添脱硫器103に供給される原料ガスの温度が所定の温度(200℃〜280℃)になるように、熱交換部Hex1の巻回角θが決定される。 As described above, the raw material gas supply path 108 and the heat exchange part Hex1 of the raw material gas supply path 108 are arranged along the outer periphery of the carbon monoxide purifier 104 (transformer 105). By making the exchange part Hex1 heat exchangeable with the carbon monoxide purifier 104, the temperature of the hydrodesulfurization catalyst can be appropriately maintained to improve the reaction. That is, in this way, from the carbon monoxide purifier 104 (transformer 105) within the temperature range of 150 ° C. to 350 ° C., the raw material gas supply path 108 and the heat exchange unit Hex1 rise through heat exchange, that is, heat. Can be warmed. However, the temperature of the raw material gas supplied to the hydrodesulfurizer 103 is preferably 200 ° C. to 280 ° C. The source gas is further heated by the reforming reaction heat inside the hydrodesulfurizer 103. Considering these situations, the winding angle θ of the heat exchange unit Hex1 is determined so that the temperature of the raw material gas supplied to the hydrodesulfurizer 103 becomes a predetermined temperature (200 ° C. to 280 ° C.). .
(実施の形態2)
図3に、本発明の実施の形態2に係る水素生成装置の外観を部分的に示す。水素生成装置GH2の水素生成装置本体101bは、実施の形態1に係る水素生成装置本体101と基本的に同様の構成である。しかし、水素生成装置本体101においては、原料ガス供給路108と原料ガス排出路110とは互いに離間しているが、実施の形態2では、原料ガス供給路108と原料ガス排出路110とが接触または隣接する位置に配されている。具体的には、原料ガス供給路108と原料ガス排出路110とが、一酸化炭素浄化器104の同一側(図3においては左側)において接触または隣接しているが、このような配置に限られるものではない。このように本実施の形態においては、熱交換部Hex2は、実施の形態1の熱交換部Hex1と同様に変成器105から吸熱(熱交換)し、原料ガス供給路108は実施の形態1とは異なり原料ガス排出路110からも吸熱(熱交換)可能に構成されている。
(Embodiment 2)
FIG. 3 partially shows the appearance of the hydrogen generator according to Embodiment 2 of the present invention. The hydrogen generator main body 101b of the hydrogen generator GH2 has basically the same configuration as the hydrogen generator main body 101 according to the first embodiment. However, in the hydrogen generator main body 101, the source gas supply path 108 and the source gas discharge path 110 are separated from each other, but in the second embodiment, the source gas supply path 108 and the source gas discharge path 110 are in contact with each other. Or it is arranged in an adjacent position. Specifically, the source gas supply path 108 and the source gas discharge path 110 are in contact with or adjacent to each other on the same side (the left side in FIG. 3) of the carbon monoxide purifier 104. It is not something that can be done. Thus, in the present embodiment, the heat exchanging unit Hex2 absorbs heat (heat exchange) from the transformer 105 in the same manner as the heat exchanging unit Hex1 of the first embodiment, and the source gas supply path 108 is the same as that of the first embodiment. Unlike the above, the raw material gas discharge passage 110 is also configured to absorb heat (heat exchange).
本実施の形態においては、原料ガス排出路110の熱を有効に利用することを目的の一つにしている。つまり、原料ガス排出路110のガスは、排出されるガスの露点より高く凝縮しないような高温(60℃以上)である。排出されるガスの熱を変成反応に有効に利用するため、排出ガスから熱をできる限り取り去る(排出されるガスの温度を下げる)ことを意図している。この観点より、原料ガス供給路108は、変成器105と原料ガス排出路110との両方と熱交換可能に構成されている。 In the present embodiment, one of the purposes is to effectively use the heat of the source gas discharge passage 110. That is, the gas in the source gas discharge path 110 is at a high temperature (60 ° C. or higher) that is higher than the dew point of the discharged gas and does not condense. In order to effectively use the heat of the exhaust gas for the metamorphic reaction, it is intended to remove heat from the exhaust gas as much as possible (lower the temperature of the exhaust gas). From this point of view, the source gas supply path 108 is configured to be able to exchange heat with both the transformer 105 and the source gas discharge path 110.
具体的には、原料ガス供給路108内を通流された原料ガスは、水添脱硫器103を介して硫黄化合物を取り除かれた後、原料ガス排出路110から改質器102に通流させる経路に送られる。原料ガス排出路110から出た原料ガスは最適な反応制御温度に加温される。特にCuZn系の触媒を用いる場合、約150℃から約350℃と高温となる。そのため、原料ガス排出路110が長ければ外気への放熱により原料ガス排出路110を通流する原料ガスの熱量が取り去られるため、この熱量を、水添脱硫器103に供給される原料ガス温度の調整に、十分に利用できない。 Specifically, the raw material gas passed through the raw material gas supply path 108 is removed from the sulfur compound via the hydrodesulfurizer 103 and then passed from the raw material gas discharge path 110 to the reformer 102. Sent to the route. The source gas discharged from the source gas discharge path 110 is heated to an optimum reaction control temperature. Particularly when a CuZn-based catalyst is used, the temperature is as high as about 150 ° C. to about 350 ° C. Therefore, if the raw material gas discharge path 110 is long, the amount of heat of the raw material gas flowing through the raw material gas discharge path 110 is removed by heat radiation to the outside air, and this amount of heat is converted to the raw material gas temperature supplied to the hydrodesulfurizer 103. Not enough for adjustment.
熱利用を十分に行うためには、原料ガス排出路110を通流する原料ガスの熱量を原料ガス供給路108または変成器105へ供給する必要がある。また、原料ガス供給路108も同様に、長さが短いほど放熱が少なくなり熱を効率的に使える。したがって、図3に示すように、水素生成装置GH2の、原料ガス供給路108と原料ガス排出路110とを接触または隣接させ熱交換を行い、原料ガス供給路108を通流する原料ガスの温度を上げることは効果的である。上述のように、本実施形態においては、原料ガス排出路110内を流れるガスの熱を奪うことを目的の一つにしている。つまり、変成器105を流れるガスの温度は200℃〜350℃と高温である一方、原料ガス供給路108内を流れるガスは常温に近い低温である。よって、水添脱硫器103から返ってくるガスの温度を排出ガスの露点よりは高い60℃まで下げるために上述の如く構成されている。 In order to sufficiently use heat, it is necessary to supply the amount of heat of the raw material gas flowing through the raw material gas discharge passage 110 to the raw material gas supply passage 108 or the transformer 105. Similarly, the shorter the length of the source gas supply path 108, the less heat is released and the heat can be used efficiently. Therefore, as shown in FIG. 3, the temperature of the raw material gas flowing through the raw material gas supply passage 108 by performing heat exchange by bringing the raw material gas supply passage 108 and the raw material gas discharge passage 110 into contact with or adjacent to each other in the hydrogen generator GH 2. It is effective to raise As described above, in the present embodiment, one of the purposes is to remove the heat of the gas flowing in the source gas discharge path 110. That is, the temperature of the gas flowing through the transformer 105 is as high as 200 ° C. to 350 ° C., while the gas flowing through the source gas supply path 108 is a low temperature close to room temperature. Therefore, it is configured as described above in order to lower the temperature of the gas returned from the hydrodesulfurizer 103 to 60 ° C., which is higher than the dew point of the exhaust gas.
原料ガスの流量が約15NLM以下であれば、原料ガス供給路108と原料ガス排出路110との接触または隣接させる長さは50mm以上であることが好ましい。原料ガス供給路108と原料ガス排出路110とを隣接させる場合は、両者の間の距離は2mm以内であることが好ましい。このように、原料ガス供給路108と原料ガス供給路108の熱交換部Hex2とを一酸化炭素浄化器104の外周に沿って配置することにより、原料ガス供給路108と熱交換部Hex2とが一酸化炭素浄化器104と熱交換可能な構成とし、さらに、原料ガス供給路108と原料ガス排出路110を接触または隣接させて配置することにより、水添脱硫触媒の温度を適切に保ち反応を良好にすることができる。 If the flow rate of the source gas is about 15 NLM or less, it is preferable that the length in which the source gas supply path 108 and the source gas discharge path 110 are in contact with or adjacent to each other is 50 mm or more. When the source gas supply path 108 and the source gas discharge path 110 are adjacent to each other, the distance between the two is preferably within 2 mm. Thus, by arranging the source gas supply path 108 and the heat exchange part Hex2 of the source gas supply path 108 along the outer periphery of the carbon monoxide purifier 104, the source gas supply path 108 and the heat exchange part Hex2 are arranged. The structure can exchange heat with the carbon monoxide purifier 104, and further, the raw material gas supply passage 108 and the raw material gas discharge passage 110 are arranged in contact with each other or adjacent to each other, thereby maintaining the temperature of the hydrodesulfurization catalyst appropriately. Can be good.
なお、本実施の形態においては、原料ガスは150℃〜350℃まで加熱/昇温され得る。しかし、原料ガス排出路110との熱交換で、原料ガス供給路108中の原料ガスは予熱(大体50℃〜100℃温度上昇)されるため、変成器105との熱交換面積を小さくし、水添脱硫器103の入口での温度を適切に保つことが必要である。例えば、実施の形態1では、変成器105に巻きつける巻回角θを300℃以上としているが、それよりも小さくすることが適当である。 In the present embodiment, the source gas can be heated / heated up to 150 ° C. to 350 ° C. However, since the raw material gas in the raw material gas supply passage 108 is preheated by heat exchange with the raw material gas discharge passage 110 (temperature increase of about 50 ° C. to 100 ° C.), the heat exchange area with the transformer 105 is reduced, It is necessary to keep the temperature at the inlet of the hydrodesulfurizer 103 appropriately. For example, in the first embodiment, the winding angle θ wound around the transformer 105 is 300 ° C. or more, but it is appropriate to make it smaller than that.
(実施の形態3)
図4に、本発明の実施の形態3に係る水素生成装置の内部構造を示す。水素生成装置GH3の水素生成装置本体101cは、実施の形態1に係る水素生成装置本体101と基本的に同様の構成である。しかし、水素生成装置本体101においては、変成器105と水添脱硫器103とは互いに離間しているが、実施の形態3では、水添脱硫器103cの一部が変成器105の外周に接触または隣接するように配されている。このように構成すると、水添脱硫器103cと変成器105とを熱交換させることにより、水添脱硫器103cの温度を適切に保ち、水添脱硫触媒の温度を適切に保つことができる。
(Embodiment 3)
FIG. 4 shows the internal structure of the hydrogen generator according to Embodiment 3 of the present invention. The hydrogen generator main body 101c of the hydrogen generator GH3 has basically the same configuration as the hydrogen generator main body 101 according to the first embodiment. However, in the hydrogen generator main body 101, the transformer 105 and the hydrodesulfurizer 103 are separated from each other, but in the third embodiment, a part of the hydrodesulfurizer 103c contacts the outer periphery of the transformer 105. Or it is arranged to be adjacent. If comprised in this way, the temperature of the hydrodesulfurizer 103c can be maintained appropriately, and the temperature of the hydrodesulfurization catalyst can be maintained appropriately by heat-exchanging the hydrodesulfurizer 103c and the converter 105.
水添脱硫器103cは、その一部分が変成器105の外周に接して配設され、水添脱硫器103cの当該一部分以外の部分が改質器102の位置する外周に断熱材107cを介して接して配設される。原料ガス供給路108内を流通された原料ガスは、変成器105で予熱された後に水添脱硫器103cに通流される。しかしながら、水素生成装置本体101cを起動する際や水素生成量を変化させる運転負荷変動時、特に原料ガス流量を急激に増加させる場合には、原料ガスを十分に加温するために、原料ガス供給路108と熱交換部Hex1との変成部105との熱交換にて、水添脱硫器103cと変成器105とが熱交換される。これにより、総熱交換量が多くなり、水添脱硫器103cの温度をより適切に保つことができる。 A portion of the hydrodesulfurizer 103c is disposed in contact with the outer periphery of the transformer 105, and a portion other than the portion of the hydrodesulfurizer 103c is in contact with the outer periphery where the reformer 102 is located via a heat insulating material 107c. Arranged. The raw material gas circulated in the raw material gas supply path 108 is preheated by the transformer 105 and then passed to the hydrodesulfurizer 103c. However, when starting up the hydrogen generator main body 101c or when the operating load fluctuates to change the amount of hydrogen generated, especially when the raw material gas flow rate is rapidly increased, the raw material gas supply is performed in order to sufficiently warm the raw material gas. The heat exchange between the hydrodesulfurizer 103c and the transformer 105 is exchanged by heat exchange between the passage 108 and the transformer 105 of the heat exchange part Hex1. Thereby, total heat exchange amount increases and it can maintain the temperature of the hydrodesulfurizer 103c more appropriately.
特に変成器105に封入される触媒と水添脱硫器103cに封入される触媒が例えばCuZn系触媒などの同系の触媒となる場合、制御温度の範囲が夫々近いためより効果的である。このように、原料ガス供給路108と原料ガス供給路108の熱交換部Hex1とを一酸化炭素浄化器104の外周に沿って配置することにより、原料ガス供給路108と熱交換部とが一酸化炭素浄化器104と熱交換可能な構成とし、さらに、水添脱硫器103cの一部が変成器105の外周に接触または隣接するように配することにより、水添脱硫触媒の温度を適切に保ち反応を良好にすることができる。本実施の形態において、150℃から350℃の反応温度で運転している一酸化炭素浄化器104(変成器105)から吸熱して、150℃から350℃の範囲内に昇温/加熱され得るが、昇温後の温度は200℃〜280℃が好ましい。 In particular, when the catalyst sealed in the transformer 105 and the catalyst sealed in the hydrodesulfurizer 103c are similar catalysts such as a CuZn-based catalyst, it is more effective because the control temperature ranges are close to each other. As described above, by arranging the source gas supply path 108 and the heat exchange part Hex1 of the source gas supply path 108 along the outer periphery of the carbon monoxide purifier 104, the source gas supply path 108 and the heat exchange part are integrated. A structure capable of exchanging heat with the carbon oxide purifier 104 is arranged so that a part of the hydrodesulfurizer 103c is in contact with or adjacent to the outer periphery of the transformer 105, so that the temperature of the hydrodesulfurization catalyst is appropriately adjusted. The keeping reaction can be improved. In the present embodiment, heat can be absorbed from the carbon monoxide purifier 104 (transformer 105) operating at a reaction temperature of 150 ° C. to 350 ° C., and the temperature can be raised / heated within a range of 150 ° C. to 350 ° C. However, the temperature after the temperature rise is preferably 200 ° C to 280 ° C.
(実施の形態4)
図5に、本発明の実施の形態4に係る水素生成装置の外観を部分的に示す。水素生成装置GH4の水素生成装置本体101dは、実施の形態1に係る水素生成装置本体101と基本的に同様の構成である。しかし、実施の形態4では、熱交換部Hex4は変成器105と水添脱硫器103の外周に接触または隣接させて配設されている。このように構成すると、熱交換部Hex4を、水添脱硫器103と変成器105との双方と熱交換させることにより、水添脱硫触媒の温度を適切に保つことができる。
(Embodiment 4)
FIG. 5 partially shows the appearance of the hydrogen generator according to Embodiment 4 of the present invention. The hydrogen generator main body 101d of the hydrogen generator GH4 has basically the same configuration as the hydrogen generator main body 101 according to the first embodiment. However, in the fourth embodiment, the heat exchange unit Hex4 is disposed in contact with or adjacent to the outer periphery of the transformer 105 and the hydrodesulfurizer 103. If comprised in this way, the temperature of a hydrodesulfurization catalyst can be maintained appropriately by heat-exchanging the heat exchange part Hex4 with both the hydrodesulfurizer 103 and the converter 105. FIG.
水添脱硫器103は、水素生成装置本体101dの一酸化炭素浄化器104が位置する下方、かつ改質器102が位置する外周に断熱材107を介して配設される。原料ガス供給路108の、変成器105の外周に沿って変成器105と水添脱硫器103とに接触または隣接する部分を、原料ガス供給路108の熱交換部Hex4と呼ぶ。原料ガス供給路108は、熱交換部Hex4を、変成器105と水添脱硫器103との外周に沿って接触または隣接させて、変成器105及び水添脱硫器103と、原料ガス供給路108と熱交換部Hex4とが熱交換可能な構成となるように配される。 The hydrodesulfurizer 103 is disposed via a heat insulating material 107 below the carbon monoxide purifier 104 where the hydrogen generator main body 101d is located and on the outer periphery where the reformer 102 is located. A portion of the source gas supply path 108 that contacts or is adjacent to the transformer 105 and the hydrodesulfurizer 103 along the outer periphery of the transformer 105 is referred to as a heat exchange section Hex4 of the source gas supply path 108. The raw material gas supply path 108 is configured such that the heat exchanging unit Hex4 is brought into contact with or adjacent to the outer periphery of the transformer 105 and the hydrodesulfurizer 103 so that the transformer 105, the hydrodesulfurizer 103, and the raw gas supply path 108 are in contact with each other. And the heat exchanging unit Hex4 are arranged so as to be capable of exchanging heat.
原料ガス供給路108の熱交換部Hex4を水添脱硫器103と熱交換させることにより、水添脱硫器103から放熱される熱量の一部を原料ガス供給路108の熱交換部Hex4を通流する原料ガスに戻すことができ熱を有効利用できる。原料ガス供給路108の熱交換部Hex4からも放熱は生じるが、水添脱硫器103よりも原料ガスの上流側に位置するためと水添脱硫器103と比して低温であるため放熱量は小さくより放熱量を小さく抑えられるという効果を有する。 By exchanging heat with the hydrodesulfurizer 103 in the heat exchange part Hex4 of the raw material gas supply path 108, a part of the heat radiated from the hydrodesulfurizer 103 flows through the heat exchange part Hex4 of the raw material gas supply path 108. Can be returned to the raw material gas, and heat can be used effectively. Although heat radiation also occurs from the heat exchange part Hex4 of the raw material gas supply path 108, the heat radiation amount is because it is located on the upstream side of the raw material gas relative to the hydrodesulfurizer 103 and because it is at a lower temperature than the hydrodesulfurizer 103. It has the effect that the amount of heat radiation can be kept smaller.
このように、一酸化炭素浄化器104の外周に沿って、原料ガス供給路108と熱交換部Hex4とを熱交換可能な構成とし、さらに、熱交換部Hex4を変成器105と水添脱硫器103の外周に接触または隣接させて配設することにより、水添脱硫触媒の温度を適切に保ち反応を良好にすることができる。本実施の形態における吸熱(熱交換)対象は、一酸化炭素浄化器104(変成器105)及び水添脱硫器103であり、吸熱対象の温度は両方とも150℃から350℃である。つまり、水添脱硫器103の熱を原料ガスに与えることで、一酸化炭素浄化器104単独の場合に比べてより原料ガスの温度を上げることができる。 In this way, the raw material gas supply path 108 and the heat exchange part Hex4 can be heat exchanged along the outer periphery of the carbon monoxide purifier 104, and the heat exchange part Hex4 is further converted into the transformer 105 and the hydrodesulfurizer. By disposing it in contact with or adjacent to the outer periphery of 103, the temperature of the hydrodesulfurization catalyst can be appropriately maintained to improve the reaction. The endothermic (heat exchange) targets in the present embodiment are the carbon monoxide purifier 104 (transformer 105) and the hydrodesulfurizer 103, and the endothermic target temperatures are both 150 ° C. to 350 ° C. That is, by supplying the heat of the hydrodesulfurizer 103 to the raw material gas, the temperature of the raw material gas can be increased more than in the case of the carbon monoxide purifier 104 alone.
原料ガスの昇温は、熱交換部Hex4の巻き方により変わるが、好ましくは水添脱硫器103に入る原料ガスの温度を200℃〜280℃にすることである。また、水添脱硫器103の熱を原料ガスに戻しているため、水添脱硫器103の温度上昇が、実施の形態l及び2よりも上がりにくく、より適切な温度状態を保つことができる。 The temperature rise of the raw material gas varies depending on how the heat exchange section Hex4 is wound, but preferably the temperature of the raw material gas entering the hydrodesulfurizer 103 is set to 200 ° C to 280 ° C. Further, since the heat of the hydrodesulfurizer 103 is returned to the raw material gas, the temperature rise of the hydrodesulfurizer 103 is less likely to rise than in the first and second embodiments, and a more appropriate temperature state can be maintained.
次に、図6及び図7を参照して、実機運転を行った際に実機を通流するガス温度の測定結果について述べる。なお、実機運転とは、上述の実施の形態1に係る水素生成装置GH1の構成を用いて、実際の燃料電池システムを運転した時の状態をいう。図6において、点A,B、C、D、E、F、及びGは、それぞれ実機において、通流するガスの温度を測定した場所、つまり測定点を示している。具体的には、測定点A及びBは原料ガス供給路の両端部における点である。測定点C、D、及びEは水添脱硫器の触媒中で、原料ガス供給路側端部から他端部側の間の、所定の間隔で離間した点である。測定点F及びGは変成器の触媒内部で両端部側の点である。 Next, with reference to FIG.6 and FIG.7, the measurement result of the gas temperature which flows through an actual machine when an actual machine operation is performed is described. The actual machine operation refers to a state when an actual fuel cell system is operated using the configuration of the hydrogen generator GH1 according to the first embodiment described above. In FIG. 6, points A, B, C, D, E, F, and G respectively indicate locations where the temperature of the flowing gas is measured, that is, measurement points in the actual machine. Specifically, measurement points A and B are points at both ends of the source gas supply path. Measurement points C, D, and E are points separated from the source gas supply path side end to the other end side at a predetermined interval in the catalyst of the hydrodesulfurizer. Measurement points F and G are points on both end sides inside the catalyst of the transformer.
実機試験の条件は、水素生成装置に対して、原料ガスとして都市ガスを流量2.96NLMで、水を7.8cc/minで、燃焼空気を18.3NLMで、S/C(水蒸気とカーボン比率)が2.8で、改質触媒の制御温度を630℃である。原料ガスに混合させる改質器で生成した水素含有ガスを300CCMと設定した。また、原料ガスの流入温度は常温である22℃とした。触媒は、変成触媒および水添脱硫触媒はCuZn系を用いており、夫々の触媒の制御温度は150℃から300℃とする。 The actual machine test conditions were as follows: city gas as raw material gas at a flow rate of 2.96 NLM, water at 7.8 cc / min, combustion air at 18.3 NLM, and S / C (water vapor to carbon ratio). ) Is 2.8, and the control temperature of the reforming catalyst is 630 ° C. The hydrogen-containing gas produced by the reformer mixed with the raw material gas was set to 300 CCM. The inflow temperature of the raw material gas was set to 22 ° C., which is normal temperature. As the catalyst, the shift catalyst and the hydrodesulfurization catalyst are CuZn-based, and the control temperature of each catalyst is 150 ° C. to 300 ° C.
図7に、各測定毎の測定されたガスの温度を示す。図7(a)において、点Ta及びTbは原料ガス供給路の両端部での測定点A及びBにおける測定温度を示している。線L1は、測定点A及び測定点B間での温度勾配を表している。具体的には、測定点Aでのガス温度Taは22℃であり、測定点Bでのガス温度Tbは237℃であった。 FIG. 7 shows the measured gas temperature for each measurement. In FIG. 7A, points Ta and Tb indicate measurement temperatures at measurement points A and B at both ends of the source gas supply path. A line L1 represents a temperature gradient between the measurement point A and the measurement point B. Specifically, the gas temperature Ta at the measurement point A was 22 ° C., and the gas temperature Tb at the measurement point B was 237 ° C.
図7(b)において、点Tc、Td、及びTeはそれぞれ、水添脱硫器の触媒中の測定点C、D、及びEの温度、つまり触媒温度を示している。線L2は、測定点C、D、及びE間での温度勾配を表している。具体的には、測定点Aでの触媒温度Tcは207℃であり、測定点Dでの触媒温度Tdは235℃であり、測定点Eでの触媒温度Teは274℃であった。 In FIG. 7B, points Tc, Td, and Te respectively indicate the temperatures of the measurement points C, D, and E in the hydrodesulfurization catalyst, that is, the catalyst temperature. Line L2 represents the temperature gradient between measurement points C, D, and E. Specifically, the catalyst temperature Tc at the measurement point A was 207 ° C., the catalyst temperature Td at the measurement point D was 235 ° C., and the catalyst temperature Te at the measurement point E was 274 ° C.
図7(c)において、点Tf及びTgはそれぞれ、変成器の触媒中の測定点F及びGの温度、つまり触媒温度を示している。線L3は、測定点Tf及び測定点Tg間の温度勾配を表している。具体的には、測定点Fでの触媒温度Tfは258℃であり、測定点Gでの触媒温度Tgは178℃であった。 In FIG. 7C, points Tf and Tg indicate the temperatures of the measurement points F and G in the catalyst of the transformer, that is, the catalyst temperature, respectively. A line L3 represents a temperature gradient between the measurement point Tf and the measurement point Tg. Specifically, the catalyst temperature Tf at the measurement point F was 258 ° C., and the catalyst temperature Tg at the measurement point G was 178 ° C.
上記測定結果より、以下の事実が確認される。つまり、常温で投入された原料ガスは、原料ガス供給路を通流する間に変成器の上流の測定点Fでは、258℃の温度帯で熱交換されて、22℃(Ta)から測定点Bに到達した時点で、237℃(Tb)に昇温される。そして、水添脱硫器入口の測定点Cで207℃(Tc)に下がるが、中流の測定点Dで235℃(Td)を経て、出口の測定点Eで274℃(Te)まで昇温される。水添脱硫器入口の測定点Cで207℃(Tc)が測定点Bで237℃(Tb)に比べ30℃温度低下しているのは放熱による影響と考えられる。しかしながら、本発明の構成により、水添脱硫器の入口側から触媒の仕様温度を満足できる構成となっていることがわかる。このことから、本発明は効果的であることがわかる。 The following facts are confirmed from the measurement results. That is, the raw material gas introduced at room temperature is heat-exchanged at a temperature point of 258 ° C. at the measurement point F upstream of the transformer while flowing through the raw material gas supply path, and the measurement point from 22 ° C. (Ta). When the temperature reaches B, the temperature is raised to 237 ° C. (Tb). And it falls to 207 ° C. (Tc) at the measurement point C at the hydrodesulfurizer inlet, but it is raised to 274 ° C. (Te) at the measurement point E at the outlet after passing through 235 ° C. (Td) at the middle measurement point D. The The fact that 207 ° C. (Tc) at measurement point C at the hydrodesulfurizer inlet is 30 ° C. lower than 237 ° C. (Tb) at measurement point B is considered to be due to heat dissipation. However, it can be seen that the configuration of the present invention satisfies the specified temperature of the catalyst from the inlet side of the hydrodesulfurizer. From this, it can be seen that the present invention is effective.
なお、上述の如く、水素生成装置GH1〜GH4(必要に応じて、水素生成装置GHと総称)の各部はそれぞれ所定の温度範囲で運転されている。具体的には、改質器102は600℃〜700℃、一酸化炭素浄化器104(変成器105)は80℃〜200℃、及び水添脱硫器103は200℃〜400℃である。つまり、各部はそれぞれ所定の温度範囲内で任意の温度になり得る。よって、各部の温度によっては、原料ガスは水添脱硫器103の入り口での温度と同一することができない。 As described above, each part of the hydrogen generators GH1 to GH4 (generally referred to as a hydrogen generator GH as necessary) is operated in a predetermined temperature range. Specifically, the reformer 102 is 600 ° C to 700 ° C, the carbon monoxide purifier 104 (transformer 105) is 80 ° C to 200 ° C, and the hydrodesulfurizer 103 is 200 ° C to 400 ° C. That is, each part can be at an arbitrary temperature within a predetermined temperature range. Therefore, depending on the temperature of each part, the raw material gas cannot be the same as the temperature at the entrance of the hydrodesulfurizer 103.
詳しくいえば、熱交換部Hexや原料ガス供給路108の吸熱対象が、原料ガスの望まれる温度より高い場合には、熱交換部Hexや原料ガス供給路108を工夫(例えば、熱交換部Hexの巻回角θの調節他)で吸熱量を制限することで、原料ガスの必要以上の加熱を防止して、好ましい温度にすることができる。この場合、原料ガスと水添脱硫器103の内部とは温度差が無い、つまり均一な温度で改質できるという効果を奏する。 More specifically, if the heat absorption target of the heat exchange unit Hex or the source gas supply path 108 is higher than the desired temperature of the source gas, the heat exchange unit Hex or the source gas supply path 108 is devised (for example, the heat exchange unit Hex By limiting the endothermic amount by adjusting the winding angle θ, etc., it is possible to prevent the source gas from being heated more than necessary and to achieve a preferable temperature. In this case, there is no temperature difference between the source gas and the inside of the hydrodesulfurizer 103, that is, there is an effect that the reforming can be performed at a uniform temperature.
しかしながら、吸熱対象の温度が原料ガスの望まれる温度より高い場合には、原料ガスは好ましい温度まで加熱することができない。この場合、原料ガスと水添脱硫器103の内部とは温度差があるが、水添脱硫器103の内部温度との差は、従来の技術における差に比べて55℃も減少する。このような、温度差の緩和によって、水添脱硫器103に内部の均熱帯が崩壊も緩和され、その部分が過度の冷却が防止される。結果、水添脱硫器103における脱硫反応が損なわれたり、最悪の事態では熱衝撃により水添脱硫器103が損傷したりするのを防止できるという効果を奏する。 However, when the endothermic temperature is higher than the desired temperature of the source gas, the source gas cannot be heated to a preferred temperature. In this case, although there is a temperature difference between the raw material gas and the inside of the hydrodesulfurizer 103, the difference from the internal temperature of the hydrodesulfurizer 103 is reduced by 55 ° C. as compared with the difference in the prior art. By relaxing the temperature difference as described above, the collapse of the soaking zone inside the hydrodesulfurizer 103 is also alleviated, and the portion is prevented from being excessively cooled. As a result, it is possible to prevent the desulfurization reaction in the hydrodesulfurizer 103 from being damaged, or in the worst case, the hydrodesulfurizer 103 can be prevented from being damaged by thermal shock.
なお、上述の実機運転においては、図6の測定点A及と測定点Bとの距離を200mm、原料ガス排出路110及び原料ガス供給路108は2mmの間隔をあけて設置されている。熱交換部Hex2の巻回角θは300°であり、半径は140mmである。変成器105と熱交換部Hex2も2mmの間隔をあけて設置されている。結果、22℃の原料ガスを原料ガス供給路108に供給した場合でも、水添脱硫器103の入り口では207℃となっておいる。なお、従来の水素生成装置で、22℃の原料ガスは変成器105で22℃かそれに極めて近い温度になる。 In the above-described actual machine operation, the distance between the measurement point A and the measurement point B in FIG. 6 is 200 mm, and the source gas discharge path 110 and the source gas supply path 108 are installed with an interval of 2 mm. The winding angle θ of the heat exchange part Hex2 is 300 ° and the radius is 140 mm. The transformer 105 and the heat exchange part Hex2 are also installed with an interval of 2 mm. As a result, even when a source gas of 22 ° C. is supplied to the source gas supply path 108, the temperature is 207 ° C. at the inlet of the hydrodesulfurizer 103. In the conventional hydrogen generator, the raw material gas at 22 ° C. becomes 22 ° C. or very close to the temperature at the transformer 105.
本発明にかかる水添脱硫器を備えた水素生成装置は、水素生成装置と、当該水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える燃料電池システムに適用できる。 The hydrogen generator provided with the hydrodesulfurizer according to the present invention can be applied to a fuel cell system including a hydrogen generator and a fuel cell that generates power using a hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generator.
本発明にかかる水添脱硫器を備えた水素生成装置は、PEFC(固体高分子形燃料電池)やSOFC(固体酸化物形燃料電池)に水素を供給する水素生成装置に利用できる。 The hydrogen generator equipped with the hydrodesulfurizer according to the present invention can be used for a hydrogen generator that supplies hydrogen to PEFC (solid polymer fuel cell) or SOFC (solid oxide fuel cell).
GHc、GH1、GH2、GH3、GH4 水素生成装置
Hex1、Hex2、Hex4 熱交換部
101、101b、101c、101d 水素生成装置本体
102 改質器
103、103c 水添脱硫器
104 一酸化炭素浄化器
105 変成器
106 選択酸化器
107、107c 断熱材
108 原料ガス供給路
109 原料ガス入口ヘッダー
110 原料ガス排出路
201 水素生成装置本体
202 変成器
203 改質器
204 水添脱硫触媒
205 外筒
206 内筒
207 上面板
208 底面板
209 仕切り板
210 上側ヘッダー
211 下側ヘッダー
212 原料ガス排出管
213 原料ガス供給管
GHc, GH1, GH2, GH3, GH4 Hydrogen generator Hex1, Hex2, Hex4 Heat exchanger 101, 101b, 101c, 101d Hydrogen generator body 102 Reformer 103, 103c Hydrodesulfurizer 104 Carbon monoxide purifier 105 Metamorphic Unit 106 Selective oxidizer 107, 107c Heat insulating material 108 Source gas supply path 109 Source gas inlet header 110 Source gas discharge path 201 Hydrogen generator main body 202 Transformer 203 Reformer 204 Hydrodesulfurization catalyst 205 Outer cylinder 206 Inner cylinder 207 Top Face plate 208 Bottom plate 209 Partition plate 210 Upper header 211 Lower header 212 Source gas discharge pipe 213 Source gas supply pipe
Claims (5)
前記改質器で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する筒状の一酸化炭素浄化器と、
前記改質器の外周に設けられ、前記原料ガス中の硫黄化合物を除去する筒状の水添脱硫器と、
前記水添脱硫器に供給される原料ガスが流れる原料ガス供給路とを備え、
前記原料ガス供給路は、前記一酸化炭素浄化器の外周面に沿って熱交換可能に配設されていると共に、前記一酸化炭素浄化器の中心軸に平行に延在する第1の熱交換部と、外周方向に所定の中心角で規定される長さだけ延在する第2の熱交換部とを含むことを特徴とする水素生成装置。 A cylindrical reformer that generates a hydrogen-containing gas by a reforming reaction using a raw material gas;
A cylindrical carbon monoxide purifier that reduces carbon monoxide in the hydrogen-containing gas produced by the reformer;
A cylindrical hydrodesulfurizer that is provided on the outer periphery of the reformer and removes sulfur compounds in the raw material gas;
A source gas supply path through which source gas supplied to the hydrodesulfurizer flows,
The raw material gas supply path is arranged so as to be capable of exchanging heat along the outer peripheral surface of the carbon monoxide purifier, and the first heat exchange extending parallel to the central axis of the carbon monoxide purifier And a second heat exchanging portion extending for a length defined by a predetermined central angle in the outer circumferential direction .
当該原料ガス排出路は、前記第1の熱交換部と熱交換可能に配設されていることを特徴とする請求項1に記載の水素生成装置。 A raw material gas discharge passage through which the raw material gas discharged from the hydrodesulfurizer flows;
The raw material gas discharge passage, the hydrogen generating apparatus according to claim 1, characterized in that it is the first heat exchanging portion and the heat exchangeably disposed.
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