JP6197561B2 - Hydrogen generator - Google Patents
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本発明は、炭化水素ガスと水蒸気とを反応させて水素含有ガスを生成させる水素生成装置に係り、特に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 that reacts a hydrocarbon gas with water vapor to generate a hydrogen-containing gas, and more particularly to a hydrogen generator that includes a hydrodesulfurizer.
一般に、燃料電池発電システムにおいては、まず、改質部によって原料ガス(炭化水素ガス)と水蒸気を原料として水蒸気改質反応により水素、二酸化炭素、一酸化炭素、未反応の原料ガス及び水蒸気等を含む改質ガスを生成させる。つぎに、変成部や選択酸化部などの一酸化炭素低減部によって一酸化炭素を除去して水素含有ガスを生成させ、得られた水素含有ガスを用いて燃料電池で発電を行う。原料ガスがメタンの場合、改質反応は、典型的には次の(1)及び(2)式として表わされる。
CH4+H2O → CO+3H2 ・・・(1)
CO+H2O → CO2+H2 ・・・(2)
In general, in a fuel cell power generation system, first, hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide, unreacted source gas, water vapor, and the like are generated by a steam reforming reaction using raw material gas (hydrocarbon gas) and steam as raw materials by a reforming unit. A reformed gas containing is generated. Next, carbon monoxide is removed by a carbon monoxide reduction unit such as a shift conversion unit or a selective oxidation unit to generate a hydrogen-containing gas, and electricity is generated in the fuel cell using the obtained hydrogen-containing gas. When the raw material gas is methane, the reforming reaction is typically expressed by the following equations (1) and (2).
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (1)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (2)
水蒸気改質反応に必要な水蒸気は、改質部の上流に設けた蒸発部で、水を蒸発させることにより得られる。蒸発に要する熱としては、通常、燃料電池から排出されるアノードオフガスを燃焼部で燃焼して得られる熱や、改質ガスが有する熱が用いられる。 The water vapor necessary for the steam reforming reaction is obtained by evaporating water in an evaporation section provided upstream of the reforming section. As the heat required for evaporation, heat obtained by burning the anode off-gas discharged from the fuel cell in the combustion section or heat of the reformed gas is usually used.
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として、常温脱硫方式と水添脱硫方式がある。水添脱硫方式は、原料ガスに水素を混合し硫黄化合物を水素化した後、吸着剤で吸着除去するものである。水添脱硫方式による硫黄化合物の吸着容量は、常温脱硫方式による硫黄化合物の吸着容量に比べて多いので、水添脱硫方式は、水素生成装置の長期間運転による低コスト化において有利である。 There are a room temperature desulfurization method and a hydrodesulfurization method as desulfurization methods for removing sulfur compounds in the raw material gas. In the hydrodesulfurization method, hydrogen is mixed with a raw material gas to hydrogenate a sulfur compound, and then adsorbed and removed with an adsorbent. Since the adsorption capacity of the sulfur compound by the hydrodesulfurization method is larger than the adsorption capacity of the sulfur compound by the room temperature desulfurization method, the hydrodesulfurization method is advantageous in reducing the cost by long-term operation of the hydrogen generator.
水添脱硫器では、水素化触媒により硫黄化合物が水素と反応して分解され、吸着剤によって吸着除去される。水素化触媒としてはCuZn系、Ni系、CoMo(コバルト・モリブデン)系などが用いられ、吸着剤としてはZnO(酸化亜鉛)系、その他金属酸化物(例えば、酸化鉄、酸化マンガン)などが用いられる。触媒に適切な反応を生じさせるために、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。 In a hydrodesulfurizer, a sulfur compound reacts with hydrogen by a hydrogenation catalyst and decomposes, and is adsorbed and removed by an adsorbent. CuZn-based, Ni-based, CoMo (cobalt / molybdenum) -based materials are used as hydrogenation catalysts, and ZnO (zinc oxide) -based materials and other metal oxides (for example, iron oxide and manganese oxide) are used as adsorbents. It is done. In order to cause an appropriate reaction in the catalyst, it is necessary to keep the catalyst at a high temperature of about 200 ° C. to 400 ° C., depending on the type of catalyst.
水添脱硫器への熱供給の高効率化および水添脱硫器のコンパクト化を図るため、改質器の周囲に同心円状に水添脱硫器を設置した水素生成装置や、変成器の周囲に同心円状に水添脱硫器を設置した水素生成装置が提案されている。 In order to increase the efficiency of heat supply to the hydrodesulfurizer and to make the hydrodesulfurizer more compact, a hydrodesulfurizer installed concentrically around the reformer and around the transformer A hydrogen generation apparatus in which hydrodesulfurizers are installed concentrically has been proposed.
特許文献1の水素生成装置では、水添脱硫器が、変成器またはCO除去器と伝熱するよう設置されている。水添脱硫剤は、水素化剤と吸着剤で構成されるもの、あるいは、水素化かつ吸着の両方の機能をもつ剤で構成され、吸着の機能をもつ剤はCuを含む。この特許文献1の水素生成装置では、燃料処理装置の最も外側に配される変成器またはCO除去器の周囲に全ての水添脱硫剤を設置すると、燃料処理装置の幅が大きくなり、広い設置スペースを必要としてしまう。 In the hydrogen generator of Patent Document 1, a hydrodesulfurizer is installed so as to transfer heat with a shift converter or a CO remover. The hydrodesulfurization agent is composed of a hydrogenating agent and an adsorbent, or an agent having both hydrogenation and adsorption functions, and the agent having the adsorption function contains Cu. In the hydrogen generator of Patent Document 1, when all the hydrodesulfurization agents are installed around the transformer or the CO remover disposed on the outermost side of the fuel processor, the width of the fuel processor increases, and the installation is wide. It needs space.
特許文献2の水素生成装置では、水添脱硫器が、改質器と伝熱するよう断熱材を介して設置されている。また、改質器と伝熱し、かつCO浄化部(変成器、CO除去器を示す)と伝熱するよう設置されている。また、原料ガスの予熱がCO浄化部の外周面でおこなわれる。この特許文献2では、CO浄化部に原料ガスの予熱配管を設置すると、構造が複雑になる。また、水添脱硫器への伝熱を断熱材を介して改質器から行う場合、水添脱硫剤の温度が燃料処理装置の負荷変動による影響を受けやすくなり、水添脱硫剤を適正な温度に保つことが難しくなる。 In the hydrogen generator of Patent Document 2, a hydrodesulfurizer is installed via a heat insulating material so as to transfer heat to the reformer. Further, it is installed so as to transfer heat to the reformer and to transfer heat to the CO purification unit (showing a transformer and a CO remover). Further, the preheating of the source gas is performed on the outer peripheral surface of the CO purification unit. In Patent Document 2, if a preheating pipe for raw material gas is installed in the CO purification section, the structure becomes complicated. In addition, when heat transfer to the hydrodesulfurizer is performed from the reformer via a heat insulating material, the temperature of the hydrodesulfurization agent is easily affected by load fluctuations of the fuel processing device, and the hydrodesulfurization agent is It becomes difficult to keep the temperature.
特許文献3の水素含有ガス生成装置では、水添脱硫器が、改質器と変成器の間に設置され、改質器と伝熱する。改質器は温度が高いため、特許文献3では、水添脱硫剤にとって適正な温度を得ることが難しい。従って、使用する水添脱硫剤が限定される、また、使用する脱硫剤の量を適正化することが難しいなどの難点がある。
In the hydrogen-containing gas generator of
特許文献4の燃料改質装置では、水添脱硫器が変成器と伝熱するよう設置されている。また、上部から未気化の改質用水と原料が投入される。この特許文献4では、燃料改質装置の最も外側に配される変成器の周囲に全ての水添脱硫剤を設置すると、燃料改質装置の幅が大きくなり、広い設置スペースを必要としてしまう。 In the fuel reformer of Patent Document 4, a hydrodesulfurizer is installed so as to transfer heat to the transformer. Also, unvaporized reforming water and raw materials are introduced from the top. In Patent Document 4, when all the hydrodesulfurization agents are installed around the transformer disposed on the outermost side of the fuel reformer, the width of the fuel reformer becomes large and a large installation space is required.
特許文献5,6の水添脱硫器一体型円筒式水蒸気改質器では、水添脱硫器が、改質器と伝熱するよう、断熱材を介して設置されている。また、水添脱硫剤が水添触媒層、第1吸着剤層及び第2吸着剤層の3種で構成されている。この特許文献5,6では、燃料処理装置の触媒層表面からの伝熱を、断熱材を介しておこなう場合、水添脱硫剤の温度を一定に保つことが難しく、特に負荷変動で流量が変わったり、本体の温度が変わる等の際に、水添脱硫剤を適正な温度に保つことが難しくなる。 In the hydrodesulfurizer-integrated cylindrical steam reformer of Patent Documents 5 and 6, the hydrodesulfurizer is installed via a heat insulating material so as to transfer heat to the reformer. Further, the hydrodesulfurization agent is composed of three types of hydrogenation catalyst layer, first adsorbent layer, and second adsorbent layer. In Patent Documents 5 and 6, when heat transfer from the catalyst layer surface of the fuel processor is performed via a heat insulating material, it is difficult to keep the temperature of the hydrodesulfurization agent constant. When the temperature of the main body changes, it becomes difficult to keep the hydrodesulfurizing agent at an appropriate temperature.
改質器周囲に水添脱硫器を設置する場合、水添脱硫器が高温に曝されやすくなる。例えば、改質器は、通常、400℃〜700℃の温度範囲で使用されるため、水添脱硫器が高温になり、水添脱硫触媒の熱劣化により、水素化反応、吸着反応の性能が低下する。 When a hydrodesulfurizer is installed around the reformer, the hydrodesulfurizer is easily exposed to high temperatures. For example, since the reformer is usually used in a temperature range of 400 ° C. to 700 ° C., the hydrodesulfurizer becomes hot, and the hydrodesulfurization catalyst is thermally deteriorated so that the performance of the hydrogenation reaction and the adsorption reaction is improved. descend.
また、変成器周囲に水添脱硫器を設置した場合、改質器周囲に設置する場合に比べ、水添脱硫器の温度は低温化するが、吸着剤の種類によっては、硫化水素の吸着容量が小さいものとなる。 In addition, when a hydrodesulfurizer is installed around the transformer, the hydrodesulfurizer temperature is lower than when installed around the reformer, but depending on the type of adsorbent, the adsorption capacity of hydrogen sulfide. Is small.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来の水素生成装置に比べて、水添脱硫器による硫化水素の吸着容量が向上し、小型化が可能な水素生成装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a hydrogen generator that can be reduced in size by improving the adsorption capacity of hydrogen sulfide by a hydrodesulfurizer compared to a conventional hydrogen generator. The purpose is to do.
本発明の水素生成装置は、筒軸心方向を上下方向とした筒状の燃焼室内にバーナーが設置され、該燃焼室の外周囲に、下段側から改質触媒の充填層、変成触媒の充填層及び選択酸化触媒の充填層が設置されており、さらに外周囲に水素化触媒の充填層と、第1の吸着剤充填層と、第2の吸着剤充填層とが設けられており、水素添加原料ガスが該水素化触媒の充填層に供給され、順次に第1の吸着剤充填層、第2の吸着剤充填層、改質触媒の充填層、変成触媒の充填層及び選択酸化触媒の充填層を通過する水素生成装置において、該第1の吸着剤充填層の少なくとも一部が該改質触媒充填層から該変成触媒層に通じるガス流路(17a)に隣接して配置され、該第2の吸着剤充填層が該変成触媒充填層の外周囲に配置されていることを特徴とするものである。 In the hydrogen generator of the present invention, a burner is installed in a cylindrical combustion chamber whose vertical direction is the cylinder axis direction, and a reforming catalyst packed bed and a shift catalyst packing are formed on the outer periphery of the combustion chamber from the lower stage side. A hydrogenation catalyst packed bed, a first adsorbent packed bed, and a second adsorbent packed bed are provided around the outer periphery, and a hydrogen absorbing catalyst packed bed is provided. The additive raw material gas is supplied to the hydrogenation catalyst packed bed, and sequentially, the first adsorbent packed bed, the second adsorbent packed bed, the reforming catalyst packed bed, the shift catalyst packed bed, and the selective oxidation catalyst In the hydrogen generator that passes through the packed bed, at least a part of the first adsorbent packed bed is disposed adjacent to the gas flow path (17a) leading from the reformed catalyst packed bed to the shift catalyst bed, A second adsorbent packed bed is disposed on the outer periphery of the shift catalyst packed bed. It is intended.
前記第1の吸着剤充填層や、第1の吸着剤充填層を出た原料ガスからの伝熱によって水素添加原料ガスを予熱するための予熱手段が設けられていることが好ましい。 It is preferable that preheating means for preheating the hydrogenated raw material gas by heat transfer from the first adsorbent packed layer or the raw material gas exiting the first adsorbent packed layer is provided.
前記改質触媒充填層と変成触媒充填層とが上下に離隔しており、この改質触媒充填層から変成触媒充填層に通じるガス流路(17a)に隣接して前記水素化触媒層が配置されていることが好ましい。 The reforming catalyst packed bed and the shift catalyst packed bed are separated from each other in the vertical direction, and the hydrogenation catalyst layer is disposed adjacent to the gas flow path (17a) leading from the reformed catalyst packed bed to the shift catalyst packed bed. It is preferable that
本発明では、前記第1の吸着剤の充填層の外周囲に前記水素化触媒充填層が設けられていることが好ましい。 In the present invention, it is preferable that the hydrogenation catalyst packed bed is provided on the outer periphery of the packed bed of the first adsorbent.
本発明の一態様では、該水素生成装置の下部に前記第1の吸着剤の充填層が設けられており、該装置下部において同心状に5重に金属製筒体が設置され、内側から1番目の筒体内が前記燃焼室となっており、1番目と2番目の筒体の間が、該燃焼室からの燃焼ガスの上昇流路となっており、2番目と3番目の筒体の間に前記改質触媒充填層と、原料ガスと水蒸気の混合ガス流路が設けられ、3番目と4番目の筒体間が該改質触媒充填層を通過したガスの上昇流路となっており、4番目と5番目の筒体の間のうち上位側に水素化触媒の充填層が設けられ、下位側に第1の吸着剤充填層が設けられている。 In one aspect of the present invention, a packed bed of the first adsorbent is provided in the lower part of the hydrogen generator, and metal cylinders are installed in a concentric five-fold manner in the lower part of the apparatus. The second cylinder is the combustion chamber, and the passage between the first and second cylinders is an upward flow path for the combustion gas from the combustion chamber, and the second and third cylinders Between the reforming catalyst packed bed and the mixed gas flow path of the raw material gas and water vapor, the third and fourth cylinders serve as the rising flow path of the gas passing through the reforming catalyst packed bed. In addition, a hydrogenation catalyst packed bed is provided on the upper side between the fourth and fifth cylinders, and a first adsorbent packed bed is provided on the lower side.
本発明の別の一態様では、該水素生成装置の下部に前記第1の吸着剤の充填層が設けられており、該装置下部において同心状に6重に金属製筒体が設置され、内側から1番目の筒体内が前記燃焼室となっており、1番目と2番目の筒体の間が、該燃焼室からの燃焼ガスの上昇流路となっており、2番目と3番目の筒体の間に前記改質触媒充填層と、原料ガスと水蒸気の混合ガス流路が設けられ、3番目と4番目の筒体間が該改質触媒充填層を通過したガスの上昇流路となっており、4番目と5番目の筒体の間に第1の吸着剤充填層が設けられ、5番目と6番目の筒体の間に水素化触媒充填層が設けられている。 In another aspect of the present invention, a packed bed of the first adsorbent is provided in the lower part of the hydrogen generator, and six metal cylinders are installed concentrically in the lower part of the apparatus. The first cylinder from the combustion chamber is the combustion chamber, and between the first and second cylinders is a combustion gas rising passage from the combustion chamber. The second and third cylinders The reforming catalyst packed bed and the mixed gas flow path of the raw material gas and water vapor are provided between the bodies, and the gas rising path passing through the reforming catalyst packed bed is provided between the third and fourth cylinders. The first adsorbent packed bed is provided between the fourth and fifth cylinders, and the hydrogenation catalyst packed bed is provided between the fifth and sixth cylinders.
本発明では、該水素生成装置の上下方向の途中部に前記第2の吸着剤の充填層が設けられており、該装置途中部において同心状に6重に金属製筒体が設置され、内側から1番目の筒体内が前記燃焼室となっており、1番目と2番目の筒体の間が、該燃焼室からの燃焼ガスの上昇流路となっており、2番目と3番目の筒体の間が蒸発部となっており、3番目と4番目の筒体の間が水蒸気と原料ガスとの混合室及び原料ガス流路となっており、4番目と5番目の筒体の間に前記変成触媒の充填層が設けられており、5番目と6番目の筒体の間に第2の吸着剤充填層が設けられていることが好ましい。 In the present invention, a packed bed of the second adsorbent is provided in the middle part of the hydrogen generating apparatus in the vertical direction, and a metal cylinder is installed in a six-fold concentric manner in the middle part of the apparatus. The first cylinder from the combustion chamber is the combustion chamber, and between the first and second cylinders is a combustion gas rising passage from the combustion chamber. The second and third cylinders Between the bodies is an evaporation section, and between the third and fourth cylinders is a mixing chamber of water vapor and source gas and a source gas flow path, between the fourth and fifth cylinders It is preferable that a packed bed of the shift catalyst is provided, and a second adsorbent packed bed is provided between the fifth and sixth cylinders.
本発明では、前記予熱手段は、前記第1の吸着剤充填層や、第1の吸着剤充填層を出た原料ガスからの伝熱によって前記水素添加原料ガスを加熱するように設けられていることが好ましい。 In the present invention, the preheating means is provided so as to heat the hydrogenated raw material gas by heat transfer from the first adsorbent packed bed or the raw material gas exiting the first adsorbent packed bed. It is preferable.
前記水素化触媒は最適温度が250〜400℃であり、第1の吸着剤は最適温度が350〜400℃であり、第2の吸着剤は最適温度が200〜300℃であることが好ましい。 It is preferable that the hydrogenation catalyst has an optimum temperature of 250 to 400 ° C, the first adsorbent has an optimum temperature of 350 to 400 ° C, and the second adsorbent has an optimum temperature of 200 to 300 ° C.
本発明の水素生成装置は、硫黄化合物含有原料ガス中の硫黄化合物を水素と反応させて硫黄化合物を分解し、この分解生成物を含む原料ガスを第1の吸着剤及び第2の吸着剤に順次に通して分解生成物を吸着除去し、その後、この原料ガスを改質反応させるようにしたものである。本発明の水素生成装置によれば、第1の吸着剤及び第2の吸着剤をそれぞれ適切な温度に維持することができ、水添脱硫器による硫化水素等の吸着容量が向上する。 In the hydrogen generator of the present invention, a sulfur compound in a sulfur compound-containing raw material gas is reacted with hydrogen to decompose the sulfur compound, and the raw material gas containing the decomposition product is used as the first adsorbent and the second adsorbent. The decomposition product is adsorbed and removed sequentially, and then this raw material gas is subjected to a reforming reaction. According to the hydrogen generator of the present invention, the first adsorbent and the second adsorbent can be maintained at appropriate temperatures, respectively, and the adsorption capacity of hydrogen sulfide and the like by the hydrodesulfurizer is improved.
本発明の水素生成装置は、前記特許文献1〜6のものに比べて次の長所を有する。 The hydrogen generator of the present invention has the following advantages over those of Patent Documents 1-6.
特許文献1,4では、変成器、CO除去器の周囲に全ての水添脱硫剤を設置するため、燃料処理装置の外径が大きくなり、燃料電池への燃料処理装置設置に際し、大きな設置スペースを必要とする。本発明では、水素化触媒と第1の吸着剤とを外径が小さい改質器上流部から変成器手前に設置する構成とすることにより、水素生成装置の外径を小さくし、コンパクト化することが可能である。 In Patent Documents 1 and 4, since all hydrodesulfurization agents are installed around the transformer and the CO remover, the outer diameter of the fuel processing device becomes large, and a large installation space is required when installing the fuel processing device in the fuel cell. Need. In the present invention, the hydrogen generating device and the first adsorbent are installed from the upstream portion of the reformer having a small outer diameter in front of the transformer, thereby reducing the outer diameter of the hydrogen generator and making it compact. It is possible.
特許文献2では、原料ガスの予熱をCO浄化器の外周でおこなっているが、CO浄化器の外周に水添脱硫剤を設置する場合、構造が複雑になる。また、水添脱硫器への伝熱を断熱材を介して改質器から行う場合、水添脱硫剤の温度が燃料処理装置の負荷変動による影響を受けやすくなり、水添脱硫剤を適正な温度に保つことが難しくなる。本発明では、予熱を第1の吸着剤の外周からの伝熱で行うことにより、構造の簡素化が可能である。 In Patent Document 2, the source gas is preheated on the outer periphery of the CO purifier. However, when a hydrodesulfurizing agent is installed on the outer periphery of the CO purifier, the structure becomes complicated. In addition, when heat transfer to the hydrodesulfurizer is performed from the reformer via a heat insulating material, the temperature of the hydrodesulfurization agent is easily affected by load fluctuations of the fuel processing device, and the hydrodesulfurization agent is It becomes difficult to keep the temperature. In the present invention, the structure can be simplified by performing preheating by heat transfer from the outer periphery of the first adsorbent.
特許文献3では、原料ガスの予熱を改質器の外周でおこなっているが、改質器は高温のため、水添脱硫剤の種類、設置可能場所が限定される可能性がある。本発明では、水素化触媒、第1の吸着剤、第2の吸着剤を別個に配置することにより、水素化触媒及び各吸着剤の適正温度範囲を広く取ることが出来る。また、原料ガス量に対する水蒸気量の割合が高い燃料処理装置仕様(高S/C仕様)の場合、水蒸気量が増加する事で反応が促進され、改質器の温度を低くする事が可能になるため、水素化触媒及び各吸着剤の適正温度範囲を広く取ることが出来る。これらの特徴により、水素化触媒及び各吸着剤の温度を最適化する事が可能となり、水添脱硫触媒搭載量の低減、水添脱硫器のコンパクト化、ひいては水素生成装置の低コスト化が可能となる。
In
特許文献5では、断熱材を介して改質器より伝熱するため、水素化触媒と吸着剤の温度を一定に保つことが難しく、特に負荷変動で流量が変わる等の際に、水素化触媒と吸着剤を適正な温度に保つことが難しくなる。本発明では、断熱材を使用せずに水素化触媒と吸着剤に伝熱させるため、水素化触媒と吸着剤の温度を適正に保つことが可能となる。 In Patent Document 5, since the heat is transferred from the reformer via the heat insulating material, it is difficult to keep the temperature of the hydrogenation catalyst and the adsorbent constant, especially when the flow rate changes due to load fluctuations. It becomes difficult to keep the adsorbent at an appropriate temperature. In the present invention, since heat is transferred to the hydrogenation catalyst and the adsorbent without using a heat insulating material, the temperatures of the hydrogenation catalyst and the adsorbent can be maintained appropriately.
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。図1は第1の実施の形態に係る水素生成装置1の縦断面図である。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a hydrogen generator 1 according to the first embodiment.
この水素生成装置1は、バーナ2を備えた燃焼室3の外周囲に、改質触媒4、変成触媒5、選択酸化触媒6、蒸発部8および脱硫器9を配置したものであり、水素添加原料ガスを脱硫器9で脱硫処理した後、蒸発部8からの水蒸気を添加混合し、改質触媒4で改質反応させ、変成触媒5、選択酸化触媒6を経て水素含有ガス出口14bから水素含有ガスを取り出すようにしたものである。
In this hydrogen generator 1, a reforming catalyst 4, a shift catalyst 5, a selective oxidation catalyst 6, an
燃焼室3は、円筒状の第1筒体11で囲まれており、その軸心部に上方からバーナ2が差し込まれている。第1筒体11と燃焼室底面との間の間隙から燃焼ガスが流出し、第1筒体11と、該第1筒体11を取り巻く第2筒体12との間の流路11aを上昇し、ガス排出口11bから流出する。
The
第2筒体12と、該第2筒体12を取り巻く第3筒体13との間に螺旋棒12aが配置され、該筒体12,13間に螺旋状の通路よりなる蒸発部8が形成されている。この蒸発部8に給水口8aから水が導入され、螺旋状の蒸発部8を流れる間に加熱されて蒸発し、水蒸気となる。
A
第1筒体11及び第2筒体12は、水素生成装置1のほぼ全高にわたって上下方向に延在しているが、第3筒体13は、第2筒体12の上部から第2筒体12の上下方向の中間よりも若干下位にまで延在している。
The
第3筒体13の上部を取り巻くように第4筒体14が設けられ、この筒体13,14間が水素含有ガスの流路14aとなっている。該流路14aの上端は水素含有ガスの出口14bに連通している。
A
第3筒体13の下方には、第2筒体12を取り巻く第5筒体15が設けられている。第3筒体13の下部と、該第5筒体15と、第2筒体12の下部とを取り巻くように第6筒体16が設けられており、第3筒体13の下部及び第5筒体15と第6筒体16の上部との間が第1混合室16aとなっている。第5筒体15と第6筒体16との間に螺旋棒16bが設置され、該第1混合室16aの下部が螺旋状に形成されている。
A
第3筒体13の下端と第5筒体15の上端との間は離隔して間隙が形成されており、蒸発部8からの水蒸気がこの間隙を通って第1混合室16aに流入する。
A gap is formed between the lower end of the
第2筒体12と第5筒体15との間が第2混合室15aとなっている。この第2混合室15aに螺旋棒15bが設置され、第2混合室15aが螺旋状に形成されている。
A space between the
この第2混合室15aは、第5筒体15に設けられた開口15cを介して第1混合室16aの下部(螺旋棒16bよりも下側)に連通している。第5筒体15の下端と第6筒体16との間は仕切壁15dで閉鎖されている。
The second mixing chamber 15a communicates with the lower portion of the
第6筒体16の下部と、第2筒体12の下部との間に改質触媒4が充填されている。
The reforming catalyst 4 is filled between the lower part of the
第6筒体16の下部を第7筒体17が取り巻いており、筒体16,17間がガスの上昇流路17aとなっている。この上昇流路17aの上部には螺旋棒(符号略)が設置され、該流路17aが螺旋状となっていても良い。なお、上昇流路17aの上部の螺旋棒については設置されなくてもよい。
A
第7筒体17の上部を第8筒体18が取り巻いており、筒体17,18間が触媒及び吸着剤の充填室となっている。この充填室内の上部に水素化触媒24が充填され、下部に高温型の第1の吸着剤25が充填されている。この第1の吸着剤としては、350〜400℃において吸着特性が最も良好となるものが好ましい。このような第1の吸着剤としては、例えばZnO系、その他金属酸化物(例えば、酸化鉄、酸化マンガン)などを用いることができる。
An
第6筒体16の上部及び第3筒体13の下部の外周を取り巻くように第9筒体19が設置されている。筒体16,13と筒体19との間が触媒充填室となっている。この触媒充填室は、水平な仕切板19aによって上下2室に区画されており、下側の室に変成触媒5が充填され、上側の室に選択酸化触媒6が充填されている。
A
変成触媒5が充填された下側の室の下部は、上昇流路17aに連通している。また、この室の上部スペース(変成触媒5と仕切板19aとの間のスペース)に空気を吹き込むように空気供給口19bが設けられている。
The lower part of the lower chamber filled with the shift catalyst 5 communicates with the ascending
選択酸化触媒6を収容した上側の触媒充填室は、筒体13,14間の流路14aに連通している。選択酸化触媒6を収容した上側の室と、変成触媒5を収容した下側の室とは、仕切板19aに設けられた開口19cによって連通している。
The upper catalyst filling chamber containing the selective oxidation catalyst 6 communicates with the
なお、図1では第8筒体18と第9筒体19とは同一直径となっているが、異なってもよい。
In FIG. 1, the
第9筒体19のうち、変成触媒5の充填部の外周を取り巻くように第10筒体20が設けられ、該第9筒体19と第10筒体20との間の室に低温型の第2の吸着剤27が充填されている。第2の吸着剤としては、200〜300℃において吸着特性が最も良好となるものが好ましい。このような第2の吸着剤としては例えばCuZn系のものを用いることができる。
A tenth
第8筒体18のうち第1の吸着剤25の充填部下部の外周を取り巻くように、原料ガス加熱用のチューブ(配管)22が螺旋状に巻きつけられている。このチューブ22は、伝熱によって第1の吸着剤25を出た原料ガスを冷却し、水素化触媒24に入る原料ガスを加熱する。チューブ22の末端は水素化触媒24の充填部の上部に連通している。第1の吸着剤25の充填部の下端は、配管26を介して第10筒体20内の第2の吸着剤27の充填部の下端に接続されている。第2の吸着剤27の充填部の上端は配管28を介して第1混合室16aに連通している。前記脱硫器9は、このチューブ22と、水素化触媒24、吸着剤25,27及び配管26,28等によって構成されている。水素化触媒24としてはCuZn系、Ni系、CoMo系などが用いられる。
A source gas heating tube (pipe) 22 is spirally wound so as to surround the outer periphery of the lower portion of the first adsorbent 25 in the eighth
なお、上記筒体11〜20及び後述の筒体21はいずれもステンレス等の金属製である。
The
この実施の形態では、水素生成装置1の下部に第1の吸着剤25の充填層が設けられており、該装置下部において同心状に5重に金属製筒体11,12,16,17,18が設置され、内側から1番目の筒体11内が燃焼室3となっており、1番目と2番目の筒体11,12の間が、該燃焼室3からの燃焼ガスの上昇流路11aとなっており、2番目と3番目の筒体12,16の間に改質触媒4の充填層と、原料ガスと水蒸気の混合ガス流路が設けられ、3番目と4番目の筒体16,17間が該改質触媒充填層を通過したガスの上昇流路17aとなっており、4番目と5番目の筒体17,18の間のうち上位側に水素化触媒24の充填層が設けられ、下位側に第1の吸着剤25の充填層が設けられている。
In this embodiment, a packed bed of the first adsorbent 25 is provided in the lower part of the hydrogen generator 1, and the
また、この実施の形態では、水素生成装置1の上下方向の途中部に前記第2の吸着剤27の充填層が設けられており、該装置途中部において同心状に6重に金属製筒体11,12,13,16,19,20が設置され、内側から1番目の筒体11内が燃焼室3となっており、1番目と2番目の筒体11,12の間が、該燃焼室3からの燃焼ガスの上昇流路11aとなっており、2番目と3番目の筒体12,13の間が蒸発部8となっており、3番目と4番目の筒体13,16の間が水蒸気と原料ガスとの混合用の第1の混合室16aとなっており、4番目と5番目の筒体16,19の間に変成触媒5の充填層が設けられており、5番目と6番目の筒体19,20の間に第2の吸着剤27の充填層が設けられている。
Further, in this embodiment, a packed bed of the
この水素生成装置1により処理される原料ガスとしては、都市ガス、LPガス、天然ガスなどが例示される。付臭剤として添加される硫黄化合物としては、メルカプタン類などが例示される。 Examples of the raw material gas processed by the hydrogen generator 1 include city gas, LP gas, and natural gas. Examples of the sulfur compound added as an odorant include mercaptans.
改質触媒4としてはRu系、Pt系などが用いられる。変成触媒5としては、Cu−Zn系などの遷移金属系またはPt、Ru系などの貴金属系のものが用いられ、CO選択酸化触媒6としては、例えば、粒状のアルミナ担体にPtやRu等の貴金属を担持したものが用いられる。水蒸気改質反応に必要な反応熱を供給するバーナ2の燃料としては、燃料電池から排出されるアノードオフガスが用いられる。 As the reforming catalyst 4, Ru-based, Pt-based or the like is used. As the shift catalyst 5, a transition metal type such as Cu—Zn type or a noble metal type such as Pt, Ru type is used. As the CO selective oxidation catalyst 6, for example, a granular alumina carrier such as Pt or Ru is used. Those carrying a noble metal are used. As the fuel for the burner 2 that supplies reaction heat necessary for the steam reforming reaction, anode off-gas discharged from the fuel cell is used.
このように構成された水素生成装置1において、原料ガスに水素を添加したガスがチューブ22に供給され、筒体18を介して伝わる熱によって好ましくは250〜400℃に加熱された後、水素化触媒24と接触し、硫黄化合物が水素と反応し、硫化水素等に分解される。この硫化水素等を含有した炭化水素ガスは、好ましくは350〜400℃に維持された第1の吸着剤25の充填層を通過し、硫化水素の多くが吸着除去された後、配管26から、好ましくは200〜300℃に維持された第2の吸着剤27の充填層に導かれ、残りの硫化水素が吸着除去される。
In the hydrogen generator 1 configured as described above, a gas obtained by adding hydrogen to the raw material gas is supplied to the
このように硫黄化合物が除去された炭化水素ガスが、配管28から第1混合室16aに導入される。
The hydrocarbon gas from which the sulfur compound has been removed is introduced from the
給水口8aから供給された水は、螺旋棒12aによって区切られた螺旋状の空間(流路)よりなる蒸発部8を流下しながら加熱されて水蒸気となる。この水蒸気が第1混合室16aに流入し、配管28からの炭化水素ガスに添加混合される。
The water supplied from the
水蒸気と炭化水素ガスとは、第1混合室16a内を螺旋棒16bに沿って螺旋状に流れながら混合され、次いで開口15cから第2混合室15aに流入し、螺旋棒15bに沿って螺旋状に流れ、十分に混合される。この炭化水素ガスと水蒸気との混合ガスが改質触媒4の充填層を通過し、改質触媒4の作用により、炭化水素と水蒸気とが反応して、水素、二酸化炭素、一酸化炭素、未反応のメタン及び水蒸気等を含む改質ガスが生成する。
The water vapor and the hydrocarbon gas are mixed while flowing spirally along the
この改質ガスは、筒体16の下端を回り込んで上昇流路17aを上昇し、変成触媒4の充填層を通過し、改質ガスに含まれる一酸化炭素が、変成触媒5によって改質ガス中の水蒸気と反応して1%以下程度の濃度にまで低減される。
The reformed gas goes around the lower end of the
変成触媒4の充填層を通過した改質ガスは、空気供給口19bから供給された空気と混合され、選択酸化触媒6によって一酸化炭素が選択的に酸化され、10ppm以下程度のCO濃度にまで低減された水素含有ガスが生成する。生成した水素含有ガスは、流路14aを経て水素含有ガス出口14bから取り出され、燃料電池へ供給される。この水素含有ガスの一部は、チューブ22に向う原料ガス(炭化水素ガス)に添加される。
The reformed gas that has passed through the packed bed of the shift catalyst 4 is mixed with the air supplied from the
この実施の形態では、水素化触媒24を、改質触媒4の充填層と変成触媒5の充填層との間に配置しており、250〜400℃の温度に維持されるようになり、水素化反応が効率よく進行する。 In this embodiment, the hydrogenation catalyst 24 is disposed between the packed bed of the reforming catalyst 4 and the packed bed of the shift catalyst 5, and is maintained at a temperature of 250 to 400 ° C. The reaction proceeds efficiently.
また、第1の吸着剤25を改質触媒4の外周位置に配置していると共に、その外周にチューブ22を配置しており、350〜400℃の温度に維持される第1の吸着剤25、特に第1の吸着剤25を出た原料ガスからの伝熱により、原料ガスが予熱される。また、第2の吸着剤27が、変成触媒5の外周に配置されており、第1の吸着剤25を出た原料ガスが配管26により冷却され、200〜300℃の温度に維持され、効率よく硫化水素が吸着される。
In addition, the first adsorbent 25 is disposed at the outer peripheral position of the reforming catalyst 4, and the
この実施の形態では、蒸発部8の伝熱面積を大きくするとよい。それにより水の蒸発能力が向上し、原料ガス量に対する水蒸気量の割合が高い燃料処理装置仕様(高S/C仕様)とすることができる。水蒸気量が増加することで改質反応が促進され、改質触媒の温度を低くすることが可能となり、水素化触媒24の温度を250〜400℃、第1の吸着剤25の温度を350〜400℃に維持することが容易となる。
In this embodiment, the heat transfer area of the
この実施の形態では、水素化触媒24の充填層の下方位置に第1の吸着剤25の充填層を設けており、水素化触媒24の温度を制御しやすくする事が出来、構造を簡素化する事が出来る。 In this embodiment, the packed bed of the first adsorbent 25 is provided below the packed bed of the hydrogenation catalyst 24, the temperature of the hydrogenated catalyst 24 can be easily controlled, and the structure is simplified. I can do it.
図1の実施の形態では筒体17,18間の充填室に水素化触媒と吸着剤25とを充填しているが、本発明では、図2に示す第2の実施の形態に係る水素生成装置1’のように、筒体18の外周に第11の筒体21を設け、筒体18,21間の充填室に水素化触媒24を充填してもよい。筒体17,18間の充填室には吸着剤25のみを充填している。
In the embodiment of FIG. 1, the filling chamber between the
筒体21の上下長さは筒体18よりも短い。筒体21の上端は筒体18の上端と同一であるが、若干下位でもよい。筒体21の下端は筒体18の下端よりも上位となっている。筒体18の下部は筒体21で包囲されておらず、この筒体18下部にチューブ22が巻き付けられている。
The vertical length of the
チューブ22の末端は、筒体21の下端に接続され、水素化触媒24の充填室内に連通している。筒体17,18間の充填室と、筒体18,21間の充填室とは、筒体18の上部に設けられた開口18bによって連通している。チューブ22を通って加熱された水素添加原料ガスは、筒体18,21間の水素化触媒24と接触した後、この開口18bを通って筒体17,18間の吸着剤25の充填層に導入される。
The end of the
この水素生成装置1’では、該装置1’の下部において同心状に6重に金属製筒体11,12,16,17,18,21が設置され、内側から1番目の筒体11内が燃焼室3となっており、1番目と2番目の筒体11,12の間が、該燃焼室3からの燃焼ガスの上昇流路11aとなっており、2番目と3番目の筒体12,16の間に改質触媒4の充填層が設けられ、3番目と4番目の筒体16,17間が該改質触媒充填層を通過したガスの上昇流路17aとなっており、4番目と5番目の筒体17,18の間に第1の吸着剤25の充填層が設けられ、5番目と6番目の筒体18,21の間に水素化触媒24の充填層が設けられている。
In this hydrogen generator 1 ′,
図2の実施の形態のその他の構成は図1と同一であり、同一符号は同一部分を示す。 Other configurations of the embodiment of FIG. 2 are the same as those of FIG. 1, and the same reference numerals denote the same parts.
この実施の形態では、水素化触媒24は、第1の吸着剤25から伝わる熱によって250〜400℃に維持される。第1の吸着剤25は350〜400℃に維持され、低温用吸着剤27は200〜300℃に維持される。
In this embodiment, the hydrogenation catalyst 24 is maintained at 250 to 400 ° C. by the heat transferred from the first adsorbent 25. The first adsorbent 25 is maintained at 350 to 400 ° C., and the
この実施の形態では、水素化触媒24と第1の吸着剤25の充填層高さを図1の実施の形態よりも長くとることができ、水素化触媒24と第1の吸着剤25のL/D(触媒層長さ/触媒層断面積比)を大きくすることができ、ガスの吹き抜けを防ぎ、硫黄化合物の水素化反応、吸着反応をより効率よく行うことが可能となる。 In this embodiment, the height of the packed bed of the hydrogenation catalyst 24 and the first adsorbent 25 can be made longer than that in the embodiment of FIG. 1, and the L of the hydrogenation catalyst 24 and the first adsorbent 25 can be increased. / D (catalyst layer length / catalyst layer cross-sectional area ratio) can be increased, gas blow-off can be prevented, and sulfur compound hydrogenation and adsorption reactions can be performed more efficiently.
上記図1,2の実施の形態では、チューブ22を筒体18の外周に巻き付けているが、第1の吸着剤25の充填層内にチューブ22を配置してもよい。上記実施の形態ではチューブ22を用いているが、筒体18の外周を取り巻くジャケットを設け、このジャケット内に水素添加原料ガスを通すようにしてもよい。
In the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the
上記実施の形態はいずれも本発明の一例であり、本発明は図示以外の形態とされてもよい。 Each of the above embodiments is an example of the present invention, and the present invention may be configured other than illustrated.
1,1’ 水素生成装置
2 バーナ
3 燃焼室
4 改質触媒
5 変成触媒
6 選択酸化触媒
8 蒸発部
11〜21 筒体
15a 第2混合室
16a 第1混合室
19b 空気供給口
24 水素化触媒
25 高温型の第1の吸着剤
27 低温型の第2の吸着剤
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1 'Hydrogen generator 2
Claims (9)
水素添加原料ガスが該水素化触媒の充填層に供給され、順次に第1の吸着剤充填層、第2の吸着剤充填層、改質触媒の充填層、変成触媒の充填層及び選択酸化触媒の充填層を通過する水素生成装置において、
該第1の吸着剤充填層の少なくとも一部が該改質触媒充填層から該変成触媒層に通じるガス流路に隣接して配置され、
該第2の吸着剤充填層が該変成触媒充填層の外周囲に配置されており、
前記第1の吸着剤充填層からの伝熱によって水素添加原料ガスを予熱するための予熱手段が設けられていることを特徴とする水素生成装置。 A burner is installed in a cylindrical combustion chamber whose vertical direction is the cylinder axis direction, and a reforming catalyst packed bed, a shift catalyst packed bed, and a selective oxidation catalyst packed bed are formed around the outer periphery of the combustion chamber from the lower stage side. Is installed, and further, a hydrogenation catalyst packed bed, a first adsorbent packed bed, and a second adsorbent packed bed are provided on the outer periphery,
A hydrogenation source gas is supplied to the hydrogenation catalyst packed bed, and in turn, a first adsorbent packed bed, a second adsorbent packed bed, a reforming catalyst packed bed, a shift catalyst packed bed, and a selective oxidation catalyst In the hydrogen generator that passes through the packed bed of
At least a portion of the first adsorbent packed bed is disposed adjacent to a gas flow path leading from the reforming catalyst packed bed to the shift catalyst bed;
The second adsorbent packed bed is disposed on the outer periphery of the shift catalyst packed bed ;
A hydrogen generating apparatus , comprising preheating means for preheating the hydrogenated raw material gas by heat transfer from the first adsorbent packed bed .
内側から1番目の筒体内が前記燃焼室となっており、
1番目と2番目の筒体の間が、該燃焼室からの燃焼ガスの上昇流路となっており、
2番目と3番目の筒体の間に前記改質触媒充填層と、原料ガスと水蒸気の混合ガス流路とが設けられ、
3番目と4番目の筒体間が該改質触媒充填層を通過したガスの上昇流路となっており、
4番目と5番目の筒体の間のうち上位側に水素化触媒の充填層が設けられ、下位側に第1の吸着剤充填層が設けられている
ことを特徴とする水素生成装置。 In Claim 2 , a packed bed of the first adsorbent is provided in the lower part of the hydrogen generator, and metal cylinders are installed in five layers concentrically in the lower part of the apparatus.
The first cylinder from the inside is the combustion chamber,
Between the first and second cylinders is an upward flow path for the combustion gas from the combustion chamber,
Between the second and third cylinders, the reforming catalyst packed bed and a mixed gas flow path of the raw material gas and water vapor are provided,
Between the third and fourth cylinders is an upward flow path for the gas that has passed through the reforming catalyst packed bed,
A hydrogen generating apparatus, wherein a hydrogenation catalyst packed bed is provided on the upper side between the fourth and fifth cylinders, and a first adsorbent packed bed is provided on the lower side.
内側から1番目の筒体内が前記燃焼室となっており、
1番目と2番目の筒体の間が、該燃焼室からの燃焼ガスの上昇流路となっており、
2番目と3番目の筒体の間に前記改質触媒充填層と、原料ガスと水蒸気の混合ガス流路とが設けられ、
3番目と4番目の筒体間が該改質触媒充填層を通過したガスの上昇流路となっており、
4番目と5番目の筒体の間に第1の吸着剤充填層が設けられ、
5番目と6番目の筒体の間に水素化触媒充填層が設けられていることを特徴とする水素生成装置。 In Claim 3 , the packed bed of the 1st adsorbent is provided in the lower part of the hydrogen generating device, and metal cylinders are installed in six layers concentrically in the lower part of the device.
The first cylinder from the inside is the combustion chamber,
Between the first and second cylinders is an upward flow path for the combustion gas from the combustion chamber,
Between the second and third cylinders, the reforming catalyst packed bed and a mixed gas flow path of the raw material gas and water vapor are provided,
Between the third and fourth cylinders is an upward flow path for the gas that has passed through the reforming catalyst packed bed,
A first adsorbent packed bed is provided between the fourth and fifth cylinders;
A hydrogen generating apparatus, wherein a hydrogenation catalyst packed bed is provided between the fifth and sixth cylinders.
内側から1番目の筒体内が前記燃焼室となっており、
1番目と2番目の筒体の間が、該燃焼室からの燃焼ガスの上昇流路となっており、
2番目と3番目の筒体の間が蒸発部となっており、
3番目と4番目の筒体間が水蒸気と原料ガスとの混合室及び原料ガス流路となっており、
4番目と5番目の筒体の間に前記変成触媒の充填層が設けられており、
5番目と6番目の筒体の間に第2の吸着剤充填層が設けられている
ことを特徴とする水素生成装置。 Installation according to claim 4 or 5, the filling layer of the second adsorbent in the middle portion in the vertical direction is provided in the hydrogen generating apparatus, a metallic cylindrical body to sextuple concentrically in said apparatus middle portion And
The first cylinder from the inside is the combustion chamber,
Between the first and second cylinders is an upward flow path for the combustion gas from the combustion chamber,
The evaporation part is between the second and third cylinders,
Between the third and fourth cylinders is a mixing chamber of water vapor and source gas and a source gas flow path,
A packed bed of the shift catalyst is provided between the fourth and fifth cylinders;
A hydrogen generating apparatus, wherein a second adsorbent packed bed is provided between the fifth and sixth cylinders.
水素添加原料ガスが該水素化触媒の充填層に供給され、順次に第1の吸着剤充填層、第2の吸着剤充填層、改質触媒の充填層、変成触媒の充填層及び選択酸化触媒の充填層を通過する水素生成装置において、 A hydrogenation source gas is supplied to the hydrogenation catalyst packed bed, and in turn, a first adsorbent packed bed, a second adsorbent packed bed, a reforming catalyst packed bed, a shift catalyst packed bed, and a selective oxidation catalyst In the hydrogen generator that passes through the packed bed of
該第1の吸着剤充填層の少なくとも一部が該改質触媒充填層から該変成触媒層に通じるガス流路に隣接して配置され、 At least a portion of the first adsorbent packed bed is disposed adjacent to a gas flow path leading from the reforming catalyst packed bed to the shift catalyst bed;
該第2の吸着剤充填層が該変成触媒充填層の外周囲に配置されており、 The second adsorbent packed bed is disposed on the outer periphery of the shift catalyst packed bed;
前記第1の吸着剤の充填層の外周囲に前記水素化触媒充填層が設けられていることを特徴とする水素生成装置。 The hydrogen generating apparatus, wherein the hydrogenation catalyst packed bed is provided on the outer periphery of the packed bed of the first adsorbent.
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