JP6387521B2 - Hydrogen generator and fuel cell system using the same - Google Patents

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Description

本発明は、都市ガスやLPG等の炭化水素系燃料を原料ガスとして、高濃度の水素が含まれたガスを生成する水素生成装置、及び水素生成装置で生成された水素を利用して発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものである。   The present invention uses a hydrocarbon fuel such as city gas or LPG as a raw material gas to generate a gas containing high-concentration hydrogen, and to generate power using the hydrogen generated by the hydrogen generator. The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell.

燃料電池システムは、高濃度の水素を含むガスを生成する水素生成装置と、その水素生成装置で生成された水素を利用して発電する燃料電池とを主たる要素として構成され、その大きさや給湯器との組み合わせの関係などにより、屋外に設置して使用するのが一般的である。   A fuel cell system is mainly composed of a hydrogen generator that generates a gas containing high-concentration hydrogen and a fuel cell that generates power using the hydrogen generated by the hydrogen generator. It is common to install and use outdoors due to the combination of

燃料電池システムを構成する水素生成装置は、都市ガスやLPG等の炭化水素系燃料を原料ガスとし、原料ガスと水とを改質触媒を用いて水蒸気改質反応させることによって、水素やメタン、一酸化炭素(10〜15%程度)、二酸化炭素や水蒸気を成分とする改質ガスを生成する改質部と、燃料電池に対する被毒作用のある一酸化炭素を改質ガス中から除去する一酸化炭素除去部とを備えている。   The hydrogen generator constituting the fuel cell system uses a hydrocarbon-based fuel such as city gas or LPG as a raw material gas, and performs a steam reforming reaction between the raw material gas and water using a reforming catalyst, thereby producing hydrogen, methane, Carbon monoxide (about 10 to 15%), a reforming section that generates reformed gas containing carbon dioxide and water vapor, and carbon monoxide that has a poisoning effect on the fuel cell are removed from the reformed gas. And a carbon oxide removing unit.

固体高分子型燃料電池を用いる場合は、改質ガス中に含まれる一酸化炭素濃度は10ppm程度にまで除去する必要があるため、一酸化炭素除去部は、変成触媒を用いたシフト反応により一酸化炭素を0.5%程度まで除去する変成部と、選択酸化触媒を用いて酸素と混合することで選択酸化反応により一酸化炭素を酸化させて一酸化炭素濃度を10ppm以下程度にまで低減する選択酸化部とで構成されているのが一般的である。   When using a polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to remove the carbon monoxide concentration contained in the reformed gas to about 10 ppm. Therefore, the carbon monoxide removal unit is controlled by a shift reaction using a shift catalyst. The carbon monoxide is oxidized by a selective oxidation reaction to reduce the carbon monoxide concentration to about 10 ppm or less by mixing with oxygen using a selective oxidation catalyst by removing the carbon oxide to about 0.5%. Generally, it comprises a selective oxidation part.

水素生成装置は、従来から、小型化、高効率化、起動性向上、運転の安定性向上、そして構造のシンプル化による低コスト化の観点から種々な提案がされている。そして、小型で高効率な水素生成装置のために、改質部や一酸化炭素除去部を一体構造とした上で、その内部に加熱用のバーナを設置することで水素生成装置外への放熱を最低限に抑えて、装置内の熱バランスの最適化を図り、同時に構造の簡素化による低コスト化も図っている。   Conventionally, various proposals have been made for hydrogen generators from the viewpoints of miniaturization, high efficiency, improved startability, improved operational stability, and cost reduction by simplifying the structure. For a small and highly efficient hydrogen generator, the reformer and carbon monoxide remover are integrated into a single structure, and a heating burner is installed inside them to dissipate heat to the outside of the hydrogen generator. The heat balance in the device is optimized, and at the same time, the cost is reduced by simplifying the structure.

特許文献1に開示された水素生成装置では、図13に示すように、燃焼空気筒31の内側に設けたバーナ32に空気を供給する燃焼空気供給路33が燃焼排ガス流路34と隣接し、熱交換する構成となっている。   In the hydrogen generator disclosed in Patent Document 1, as shown in FIG. 13, a combustion air supply passage 33 that supplies air to a burner 32 provided inside the combustion air cylinder 31 is adjacent to the combustion exhaust gas passage 34. It is configured to exchange heat.

ここで、燃焼空気は燃焼排ガスと熱交換し、空気の予熱が可能となっている。空気の予熱に用いられた熱量は、燃焼排ガスを経由して改質触媒の加熱に再利用されることとなるため、改質触媒を適正な温度分布に維持しつつも、改質部を加熱した後の燃焼排ガスのエネルギーを有効に回収し、水素生成装置自体のエネルギー効率を向上させている。   Here, the combustion air exchanges heat with the combustion exhaust gas so that the air can be preheated. The amount of heat used for preheating the air is reused for heating the reforming catalyst via the combustion exhaust gas, so that the reforming section is heated while maintaining the reforming catalyst in an appropriate temperature distribution. After that, the energy of the combustion exhaust gas is effectively recovered, and the energy efficiency of the hydrogen generator itself is improved.

また、燃焼排ガスはその外側に位置する水蒸発部35や、さらにその外側の一酸化炭素除去部36と隣接し、熱交換することで、全体の温度状態が最適な状態となるように構成されている。   Further, the combustion exhaust gas is adjacent to the water evaporation section 35 located outside and the carbon monoxide removal section 36 located outside the combustion exhaust gas, and is configured so that the entire temperature state becomes an optimum state by heat exchange. ing.

しかし、バーナ32に供給される空気は燃料電池システムの外部、つまり装置設置場所の外気を取り入れて使用することが多いが、外気は昼夜や季節によって温度が変わり、また、地域も考慮するとかなり大きく変わる。   However, the air supplied to the burner 32 is often used outside the fuel cell system, that is, by taking in the outside air at the place where the apparatus is installed. However, the temperature of the outside air changes depending on the day and night and the season, and is considerably large considering the region. change.

例えば、日本国内だけでも夏場には40℃となる地域もあれば、冬場に−20℃となる
地域もある。ここで、水素生成装置に供給する空気の温度が外気に応じて高温から低温まで変わると、燃焼空気供給路33に隣接して取り入れる空気との熱交換が過剰に行われた場合、温度バランスを保つ燃焼排ガスや水蒸発部35、一酸化炭素除去部36が最適な温度状態に維持できなくなる可能性が生じる。
For example, even in Japan alone, there are regions where the temperature is 40 ° C. in the summer and other regions where the temperature is −20 ° C. in the winter. Here, when the temperature of the air supplied to the hydrogen generator changes from a high temperature to a low temperature according to the outside air, the temperature balance is adjusted when the heat exchange with the air taken in adjacent to the combustion air supply path 33 is excessive. There is a possibility that the combustion exhaust gas to be maintained, the water evaporation unit 35, and the carbon monoxide removal unit 36 cannot be maintained at an optimum temperature state.

温度が最適な状態を保てなくなると、例えば、一酸化炭素除去部36の温度が低過ぎたり高過ぎたりすると、一酸化炭素除去触媒の反応特性の関係から一酸化炭素を十分に除去できず、水素生成装置からの生成ガス中の一酸化炭素を増加させ、10ppmを超えてしまう他、燃焼排ガスの温度が低くなり排ガスの露点より低下によって、燃焼排ガス流路34において結露が起こり、結露水における燃焼排ガス流路34の腐食を生じさせる可能性があった。   If the temperature cannot be maintained optimally, for example, if the temperature of the carbon monoxide removal unit 36 is too low or too high, carbon monoxide cannot be sufficiently removed due to the reaction characteristics of the carbon monoxide removal catalyst. In addition to increasing the carbon monoxide in the product gas from the hydrogen generator and exceeding 10 ppm, dew condensation occurs in the combustion exhaust gas flow path 34 due to the temperature of the combustion exhaust gas becoming lower and lower than the dew point of the exhaust gas. There is a possibility of causing corrosion of the combustion exhaust gas flow path 34 in FIG.

特許文献2に開示された水素生成装置では、図14に示すように、可燃性ガスを含む燃料ガスと燃焼用の空気が供給されるバーナ4と、バーナ4からの燃焼排ガス流路17を内側に有する第2の円筒20と、第2の円筒20の外側に配し原料ガスと水蒸気の供給により水素を含む改質ガスを生成する改質触媒層9と、改質触媒層9からの改質ガス中に含まれる一酸化炭素を除去する変成触媒層10、および選択酸化触媒層11とを有する。   In the hydrogen generator disclosed in Patent Document 2, as shown in FIG. 14, a burner 4 to which a fuel gas containing a combustible gas and combustion air are supplied, and a combustion exhaust gas flow path 17 from the burner 4 are disposed inside. A reforming catalyst layer 9 which is disposed outside the second cylinder 20 and generates reformed gas containing hydrogen by supplying raw material gas and water vapor, and reforming from the reforming catalyst layer 9. It has a shift catalyst layer 10 for removing carbon monoxide contained in the gas and a selective oxidation catalyst layer 11.

そして、燃焼用の空気が供給される空気流路2の外側を燃焼排ガスが流れ、空気流路2と燃焼排ガス流路17との間に伝熱を抑制する断熱材5が設けられている。   A combustion exhaust gas flows outside the air passage 2 to which combustion air is supplied, and a heat insulating material 5 that suppresses heat transfer is provided between the air passage 2 and the combustion exhaust passage 17.

これにより、装置の外気温度が変わりバーナ4に供給する空気温度が変化しても、空気流路2の周囲に設置した断熱材5により、断熱材5のさらに周囲に配置されている燃焼排ガスや水蒸発部8、変成触媒層10や選択酸化触媒層11への温度影響を最小限に抑えることができ、それぞれの最適な温度を維持することができるので安定した水素生成装置の運転を実現することができる。   As a result, even if the outside air temperature of the apparatus changes and the air temperature supplied to the burner 4 changes, the combustion exhaust gas disposed further around the heat insulating material 5 by the heat insulating material 5 installed around the air flow path 2. Temperature effects on the water evaporation section 8, the shift catalyst layer 10 and the selective oxidation catalyst layer 11 can be minimized, and the optimum temperatures can be maintained, so that stable operation of the hydrogen generator is realized. be able to.

特開2007−55892号公報JP 2007-55892 A 特開2007−274914号公報JP 2007-274914 A

しかしながら、空気流路と燃焼排ガス流路との間の伝熱を抑制する断熱構成をとる水素生成装置では、燃焼排ガスの熱によって行われる燃焼用空気の予熱が抑制され、燃焼用空気側へ回収される燃焼排ガスの熱量が減少する。結果として燃焼用空気に回収されず、排気口から排出される燃焼排ガスの熱量が増加し、これによって水素生成装置のエネルギー効率が悪化するという課題があった。   However, in a hydrogen generator that has a heat insulation configuration that suppresses heat transfer between the air flow path and the combustion exhaust gas flow path, the preheating of the combustion air that is performed by the heat of the combustion exhaust gas is suppressed and recovered to the combustion air side. The amount of heat of the combustion exhaust gas is reduced. As a result, there is a problem that the amount of heat of the combustion exhaust gas that is not recovered by the combustion air and discharged from the exhaust port increases, thereby deteriorating the energy efficiency of the hydrogen generator.

また、このとき、水素生成装置のエネルギー効率低下を回避するためは、燃焼排ガスの熱を回収するために必要な伝熱面積を大きくする必要があり、結果として水素生成装置が大きく、高コストとなる課題があった。   At this time, in order to avoid a decrease in the energy efficiency of the hydrogen generator, it is necessary to increase the heat transfer area necessary for recovering the heat of the combustion exhaust gas. As a result, the hydrogen generator is large and the cost is high. There was a problem.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、装置の外気温度の変化などによりバーナに供給する空気流路内の空気温度が変化しても、隣接する燃焼排ガスや水蒸発部、一酸化炭素除去部の温度に影響を与えず、安定した運転を実現できる構造としつつ、燃焼排ガスの熱を燃焼空気側に回収し、エネルギー効率の高い水素生成装置を提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above problems, and even if the air temperature in the air flow path supplied to the burner changes due to a change in the outside air temperature of the device, etc., the adjacent combustion exhaust gas, water evaporation section, An object of the present invention is to provide a hydrogen generator with high energy efficiency by recovering the heat of combustion exhaust gas to the combustion air side while having a structure that can realize stable operation without affecting the temperature of the carbon oxide removal unit It is.

上記従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、原料ガスと水蒸気とが供給されて水蒸気改質反応により改質ガスを生成する改質触媒層と、前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去層と、燃料ガスと燃焼用空気とが供給されて燃焼排ガスを出すバーナと、前記燃焼用空気の流れ方向とは逆向きに流れる前記燃焼排ガスと前記燃焼用空気とが熱交換可能な様に前記燃焼用空気の流路と前記燃焼排ガスの流路とを仕切る第1の壁と、前記燃焼排ガスの流れ方向とは逆向きに流れる前記原料ガス及び前記水蒸気と前記燃焼排ガスとが熱交換可能な様に前記燃焼排ガスの流路と前記原料ガス及び前記水蒸気の流路とを仕切る第2の壁と、前記原料ガス及び前記水蒸気の流れ方向とは逆向きに流れる前記改質ガスと前記原料ガス及び前記水蒸気とが熱交換可能な様に前記原料ガス及び前記水蒸気の流路と前記改質ガスの流路とを仕切る第3の壁とを備え、前記改質触媒層が、前記燃焼排ガスと熱交換可能な様に前記原料ガス及び前記水蒸気の流路の下流側に備えられ、前記一酸化炭素除去層が、前記原料ガス及び前記水蒸気と熱交換可能な様に前記改質ガスの流路の下流側に備えられた水素生成装置であって、前記第3の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分の周辺部に、前記第1の壁と第2の壁とを介した前記燃焼用空気との熱交換性能が、前記第3の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分と、前記第1の壁と第2の壁とを介した前記燃焼用空気との間の熱交換性能よりも、高くなる部分を有するような構成となっている。   In order to solve the above-described conventional problems, a hydrogen generator of the present invention includes a reforming catalyst layer that is supplied with a raw material gas and steam and generates reformed gas by a steam reforming reaction, and is included in the reformed gas. A carbon monoxide removal layer that removes carbon monoxide, a burner that is supplied with fuel gas and combustion air and emits combustion exhaust gas, the combustion exhaust gas that flows in a direction opposite to the flow direction of the combustion air, and the A first wall that partitions the combustion air flow path and the combustion exhaust gas flow path so that heat exchange with the combustion air is possible, the source gas flowing in a direction opposite to the flow direction of the combustion exhaust gas, and The flow direction of the source gas and the water vapor is a second wall that partitions the flow path of the combustion exhaust gas and the source gas and the water vapor channel so that the water vapor and the combustion exhaust gas can exchange heat. The reformed gas flowing in the opposite direction and the front A third wall that partitions the flow path of the raw material gas and the water vapor and the flow path of the reformed gas so that the raw material gas and the steam can exchange heat, and the reforming catalyst layer includes the combustion Provided on the downstream side of the flow path of the raw material gas and the water vapor so as to exchange heat with the exhaust gas, and the carbon monoxide removal layer of the reformed gas so as to exchange heat with the raw material gas and the water vapor. A hydrogen generation device provided on the downstream side of the flow path, wherein the first wall and the second wall are interposed in a peripheral portion of the third wall facing the carbon monoxide removal layer. The heat exchange performance with the combustion air is such that the portion of the third wall facing the carbon monoxide removal layer and the combustion air through the first wall and the second wall It has the structure which has a part which becomes higher than the heat exchange performance in between.

かかる構成により、燃焼排ガスの熱の、燃焼用空気への回収と、一酸化炭層除去層の過度の冷却を防ぎ、温度を安定させることを両立させ、安定して水素を生成でき、かつ、エネルギー効率の高い水素生成装置を構成すること可能となる。   With this configuration, the recovery of the heat of combustion exhaust gas to the combustion air and the excessive cooling of the carbon monoxide layer removal layer can be prevented, the temperature can be stabilized, hydrogen can be generated stably, and the energy It becomes possible to constitute a highly efficient hydrogen generator.

本発明によれば、装置の外気温度が変わりバーナに供給する空気温度が変化しても、燃焼排ガスや水蒸発部、変成触媒層や選択酸化触媒層への温度影響を最小限に抑えて、それぞれの最適な温度を維持することができ、かつ燃焼排ガスおよび生成ガスの熱エネルギーを回収、再利用することで、高効率かつ安定した水素生成装置の運転を実現することができる。   According to the present invention, even if the outside air temperature of the apparatus changes and the air temperature supplied to the burner changes, the temperature influence on the combustion exhaust gas, the water evaporation section, the shift catalyst layer and the selective oxidation catalyst layer is minimized, Each optimum temperature can be maintained, and by recovering and reusing the thermal energy of the combustion exhaust gas and the product gas, a highly efficient and stable operation of the hydrogen generator can be realized.

本発明の実施の形態1における水素生成装置の一例を示す概略断面図Schematic sectional view showing an example of a hydrogen generator in Embodiment 1 of the present invention 本発明の実施の形態1における水素生成装置の伝熱促進壁を図1の例よりも空気流路の上流側に延長した例を示す要部概略断面図Main part schematic sectional drawing which shows the example which extended the heat-transfer promotion wall of the hydrogen generator in Embodiment 1 of this invention to the upstream of the air flow path rather than the example of FIG. 本発明の実施の形態1における水素生成装置の伝熱促進壁の配置を図1の例よりも空気流路の上流側にずらした例を示す要部概略断面図Main part schematic sectional drawing which shows the example which shifted arrangement | positioning of the heat-transfer promotion wall of the hydrogen generator in Embodiment 1 of this invention to the upstream of an air flow path rather than the example of FIG. 本発明の実施の形態1における水素生成装置の伝熱促進壁を空気流路の上流側で燃料ガス供給管に固定した構造の例を示す要部概略断面図1 is a schematic cross-sectional view of an essential part showing an example of a structure in which a heat transfer promoting wall of a hydrogen generator in Embodiment 1 of the present invention is fixed to a fuel gas supply pipe on the upstream side of an air flow path. 本発明の実施の形態1における水素生成装置の伝熱促進壁を空気流路の下流側で燃料ガス供給管に固定した構造の例を示す要部概略断面図1 is a schematic cross-sectional view of an essential part showing an example of a structure in which a heat transfer promoting wall of a hydrogen generator in Embodiment 1 of the present invention is fixed to a fuel gas supply pipe on the downstream side of an air flow path. 本発明の実施の形態1における水素生成装置の燃焼用空気の流路と燃焼排ガスの流路とを仕切る第1の壁の内周面と外周面の両方に部分的に伝熱促進用の凹凸を設けた例を示す要部概略断面図Unevenness for promoting heat transfer partially on both the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the first wall that partitions the combustion air flow path and the combustion exhaust gas flow path of the hydrogen generator in Embodiment 1 of the present invention The main part schematic sectional drawing which shows the example which provided 本発明の実施の形態1における水素生成装置の燃焼用空気の流路と燃焼排ガスの流路とを仕切る第1の壁の外周面に部分的に伝熱促進用の凹凸を設けた例を示す要部概略断面図2 shows an example in which unevenness for promoting heat transfer is partially provided on the outer peripheral surface of the first wall that partitions the combustion air flow path and the combustion exhaust gas flow path of the hydrogen generator in Embodiment 1 of the present invention. Schematic sectional view of main parts 本発明の実施の形態1における水素生成装置の燃焼用空気の流路と燃焼排ガスの流路とを仕切る第1の壁の外周面に部分的に伝熱促進用の凹凸を設けた例を示す要部概略断面図2 shows an example in which unevenness for promoting heat transfer is partially provided on the outer peripheral surface of the first wall that partitions the combustion air flow path and the combustion exhaust gas flow path of the hydrogen generator in Embodiment 1 of the present invention. Schematic sectional view of main parts 本発明の実施の形態2における水素生成装置の一例を示す概略断面図Schematic cross-sectional view showing an example of a hydrogen generator in Embodiment 2 of the present invention 本発明の実施の形態2における水素生成装置の変形例を示す要部概略断面図Main part schematic sectional drawing which shows the modification of the hydrogen generator in Embodiment 2 of this invention 本発明の実施の形態3における水素生成装置の概略断面図Schematic sectional view of a hydrogen generator in Embodiment 3 of the present invention 本発明の実施の形態4における燃料電池システムの一例を示すブロック図Block diagram showing an example of a fuel cell system in Embodiment 4 of the present invention 特許文献1に開示された従来の水素生成装置の概略断面図Schematic cross-sectional view of a conventional hydrogen generator disclosed in Patent Document 1 特許文献2に開示された従来の水素生成装置の概略断面図Schematic cross-sectional view of a conventional hydrogen generator disclosed in Patent Document 2

第1の発明の水素生成装置は、原料ガスと水蒸気とが供給されて水蒸気改質反応により改質ガスを生成する改質触媒層と、前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去層と、燃料ガスと燃焼用空気とが供給されて燃焼排ガスを出すバーナと、前記燃焼用空気の流れ方向とは逆向きに流れる前記燃焼排ガスと前記燃焼用空気とが熱交換可能な様に前記燃焼用空気の流路と前記燃焼排ガスの流路とを仕切る第1の壁と、前記燃焼排ガスの流れ方向とは逆向きに流れる前記原料ガス及び前記水蒸気と前記燃焼排ガスとが熱交換可能な様に前記燃焼排ガスの流路と前記原料ガス及び前記水蒸気の流路とを仕切る第2の壁と、前記原料ガス及び前記水蒸気の流れ方向とは逆向きに流れる前記改質ガスと前記原料ガス及び前記水蒸気とが熱交換可能な様に前記原料ガス及び前記水蒸気の流路と前記改質ガスの流路とを仕切る第3の壁とを備え、前記改質触媒層が、前記燃焼排ガスと熱交換可能な様に前記原料ガス及び前記水蒸気の流路の下流側に備えられ、前記一酸化炭素除去層が、前記原料ガス及び前記水蒸気と熱交換可能な様に前記改質ガスの流路の下流側に備えられた水素生成装置であって、前記第3の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分の周辺部に、前記第1の壁と第2の壁とを介した前記燃焼用空気との熱交換性能が、前記第3の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分と、前記第1の壁と第2の壁とを介した前記燃焼用空気との間の熱交換性能よりも、高くなる部分を有するような構成となっている。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a hydrogen generator, a reforming catalyst layer that is supplied with a raw material gas and steam to generate a reformed gas by a steam reforming reaction, and that removes carbon monoxide contained in the reformed gas. Heat exchange is possible between the carbon oxide removal layer, a burner that is supplied with fuel gas and combustion air and emits combustion exhaust gas, and the combustion exhaust gas that flows in the direction opposite to the flow direction of the combustion air and the combustion air In this way, the first wall partitioning the combustion air flow path and the combustion exhaust gas flow path, the raw material gas flowing in the direction opposite to the flow direction of the combustion exhaust gas, the water vapor, and the combustion exhaust gas are The reformed gas that flows in a direction opposite to the flow direction of the source gas and the water vapor, and a second wall that partitions the flow path of the combustion exhaust gas and the flow path of the source gas and the water vapor so that heat exchange is possible And the raw material gas and the water vapor A third wall that divides the flow path of the raw material gas and the water vapor and the flow path of the reformed gas so that they can be exchanged, so that the reformed catalyst layer can exchange heat with the combustion exhaust gas. Provided on the downstream side of the flow path of the raw material gas and the water vapor, and the carbon monoxide removal layer is provided on the downstream side of the flow path of the reformed gas so as to be able to exchange heat with the raw material gas and the water vapor. In the hydrogen generator, the heat of the combustion air via the first wall and the second wall is formed around the portion of the third wall facing the carbon monoxide removal layer. The exchange performance is more than the heat exchange performance between the portion of the third wall facing the carbon monoxide removal layer and the combustion air through the first wall and the second wall. It has a configuration that has a higher portion.

かかる構成により、燃焼排ガスの熱の、燃焼用空気への回収と、一酸化炭層除去層の過度の冷却を防ぎ、温度を安定させることを両立させ、安定して水素を生成でき、かつ、エネルギー効率の高い水素生成装置を構成すること可能となる。   With this configuration, the recovery of the heat of combustion exhaust gas to the combustion air and the excessive cooling of the carbon monoxide layer removal layer can be prevented, the temperature can be stabilized, hydrogen can be generated stably, and the energy It becomes possible to constitute a highly efficient hydrogen generator.

第2の発明は、特に、第1の発明の水素生成装置において、前記第1の壁を介した前記燃焼用空気の流路から前記燃焼排ガスの流路への伝熱を促進する伝熱促進部を、前記第1の壁において、前記第3の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分と最も熱交換しやすい位置にある部分を含む領域を避けて設ける構成とする。   In particular, the second aspect of the present invention is the hydrogen generator according to the first aspect of the present invention, wherein heat transfer is promoted to promote heat transfer from the combustion air flow path to the combustion exhaust gas flow path through the first wall. In the first wall, a portion is provided so as to avoid a region including a portion in a position where heat exchange is most easily performed with a portion of the third wall facing the carbon monoxide removal layer.

かかる構成により、一酸化炭素除去層に対向する部分への、伝熱促進部を介した、燃焼用空気温度変化の影響を小さく抑えて、一酸化炭素除去層の温度を安定させ、かつ伝熱促進部を介して、燃焼排ガスの熱を燃焼用空気に回収し、改質触媒の加熱に再利用することで、高効率かつ、安定して水素を生成することが可能となる。   With such a configuration, the temperature of the carbon monoxide removal layer is stabilized while suppressing the influence of the combustion air temperature change to the portion facing the carbon monoxide removal layer through the heat transfer promotion portion, and the heat transfer By recovering the heat of the combustion exhaust gas into the combustion air via the promotion unit and reusing it for heating the reforming catalyst, it becomes possible to generate hydrogen with high efficiency and stability.

第3の発明は、特に、第2の発明の水素生成装置において、前記伝熱促進部を、前記第1の壁において、前記第3の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分と最も熱交換しやすい位置にある部分よりも、前記燃焼用空気の流路の上流側または下流側に設けた構成とする。   In particular, the third aspect of the present invention is the hydrogen generator according to the second aspect of the invention, wherein the heat transfer promoting portion is located on the first wall, the portion facing the carbon monoxide removal layer on the third wall. It is set as the structure provided in the upstream or downstream of the flow path of the said combustion air rather than the part in the position which is easy to heat-exchange.

かかる構成により、一酸化炭素除去層に対向する部分への、伝熱促進部を介した、燃焼用空気温度変化の影響を小さく抑えて、一酸化炭素除去層の温度を安定させ、かつ伝熱促進部を介して、燃焼排ガスの熱を燃焼用空気に回収し、改質触媒の加熱に再利用することで、高効率かつ、安定して水素を生成することが可能となる。   With such a configuration, the temperature of the carbon monoxide removal layer is stabilized while suppressing the influence of the combustion air temperature change to the portion facing the carbon monoxide removal layer through the heat transfer promotion portion, and the heat transfer By recovering the heat of the combustion exhaust gas into the combustion air via the promotion unit and reusing it for heating the reforming catalyst, it becomes possible to generate hydrogen with high efficiency and stability.

第4の発明は、特に、第2または第3の発明の水素生成装置において、前記伝熱促進部が、前記第1の壁における前記燃焼用空気と接触する面に近接して設けられる伝熱促進壁と、前記燃焼用空気を前記第1の壁と前記伝熱促進壁との隙間に誘導する誘導部を含む、構成とする。   According to a fourth aspect of the invention, in particular, in the hydrogen generator of the second or third aspect of the invention, the heat transfer promoting portion is provided in the vicinity of a surface of the first wall that contacts the combustion air. The structure includes an accelerating wall and a guiding portion that guides the combustion air to a gap between the first wall and the heat transfer accelerating wall.

かかる構成により、燃焼用空気は、第1の壁の近くに沿って流れるように誘導され、また燃焼用空気の流路面積が小さくなることによって流速が上昇し、燃焼用空気から、第1の壁を介した、第3の壁への伝熱を促進することが可能となり、これによって、燃焼排ガスの熱を燃焼用空気に回収し、改質触媒の加熱に再利用することで、高効率かつ、安定して水素を生成することが可能となる。   With this configuration, the combustion air is guided to flow along the vicinity of the first wall, and the flow velocity is increased by reducing the flow passage area of the combustion air. It is possible to promote heat transfer to the third wall through the wall, thereby recovering the heat of the combustion exhaust gas into the combustion air and reusing it for heating the reforming catalyst. And it becomes possible to produce | generate hydrogen stably.

第5の発明は、特に、第4の発明の水素生成装置において、前記伝熱促進壁が、前記誘導部を介して前記バーナに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給管に取り付けられる、構成とする。   According to a fifth aspect of the invention, in particular, in the hydrogen generator of the fourth aspect of the invention, the heat transfer promoting wall is attached to a fuel gas supply pipe that supplies the fuel gas to the burner via the induction portion. To do.

かかる構成により、伝熱促壁および、誘導部は、バーナおよび燃料ガス供給管と一体で構成される様になり、簡易かつ組み立て易い水素生成装置を構成することが可能となる。   With such a configuration, the heat transfer promoting wall and the guiding portion are configured integrally with the burner and the fuel gas supply pipe, and it is possible to configure a hydrogen generator that is simple and easy to assemble.

第6の発明は、特に、第2または第3の発明の水素生成装置において、前記伝熱促進部が、前記第1の壁における前記燃焼用空気と接触する面または前記燃焼排ガスと接触する面の少なくともいずれか一方の表面積を広くする構成とする。   In a sixth aspect of the invention, in particular, in the hydrogen generator according to the second or third aspect of the invention, the heat transfer accelerating portion is a surface in contact with the combustion air or a surface in contact with the combustion exhaust gas in the first wall. It is set as the structure which makes the surface area of at least any one of these wide.

かかる構成により、燃焼用空気から、第1の壁を介した燃焼排ガスへの伝熱面積が増加し、第1の壁を介した、燃焼排ガスから燃焼用空気への伝熱が促進される。これにより、燃焼排ガスの熱を燃焼用空気に回収し、改質触媒の加熱に再利用することで、高い効率で水素を生成することが可能となる。   With this configuration, the heat transfer area from the combustion air to the combustion exhaust gas via the first wall is increased, and the heat transfer from the combustion exhaust gas to the combustion air via the first wall is promoted. Thereby, it becomes possible to generate hydrogen with high efficiency by recovering the heat of the combustion exhaust gas into the combustion air and reusing it for heating the reforming catalyst.

第7の発明は、特に、第2から第6のいずれか1つの発明の水素生成装置において、前記伝熱促進部を、前記一酸化炭素除去層よりも前記燃焼用空気の下流側に設けた構成とする。   In a seventh aspect of the invention, in particular, in the hydrogen generator according to any one of the second to sixth aspects of the invention, the heat transfer promoting portion is provided downstream of the combustion air from the carbon monoxide removal layer. The configuration.

かかる構成により、燃焼排ガス流路下流側の排気口の付近において、燃焼排ガスの温度が過度に低下し、結露によって装置の運転が不安定になることを避け、安定して水素を生成することが可能となる。   With such a configuration, it is possible to avoid the temperature of the combustion exhaust gas from excessively decreasing near the exhaust outlet on the downstream side of the combustion exhaust gas flow path and avoid unstable operation of the apparatus due to condensation, and stably generate hydrogen. It becomes possible.

第8の発明は、特に、第2から第6のいずれか1つの発明の水素生成装置において、前記一酸化炭素除去層が、シフト反応により一酸化炭素を低減する変成触媒層を含み、前記伝熱促進部を、前記変成触媒層よりも前記燃焼用空気の下流側に設けた構成とする。 In an eighth aspect of the invention, in particular, in the hydrogen generator according to any one of the second to sixth aspects of the invention, the carbon monoxide removal layer includes a shift catalyst layer that reduces carbon monoxide by a shift reaction. The heat promotion part is configured to be provided on the downstream side of the combustion air with respect to the shift catalyst layer.

かかる構成により、一酸化炭素除去層である変成触媒層に対向する部分への、伝熱促進部を介した、燃焼用空気温度変化の影響を小さく抑えて温度を安定させ、安定して水素を生成することが可能となる。   With this configuration, the temperature is stabilized by suppressing the influence of the change in the combustion air temperature to the portion facing the shift catalyst layer, which is the carbon monoxide removal layer, through the heat transfer promoting portion, and hydrogen is stably supplied. Can be generated.

第9の発明は、特に、第2から第6のいずれか1つの発明の水素生成装置において、前記一酸化炭素除去層が、前記改質ガスに酸素が含まれる酸化剤を混合して一酸化炭素を取り除く選択酸化触媒層を含み、前記伝熱促進部を、前記選択酸化触媒層よりも前記燃焼用空気の下流側に設けた構成とする。 In a ninth aspect of the invention, in particular, in the hydrogen generator according to any one of the second to sixth aspects of the invention, the carbon monoxide removal layer is mixed with an oxidizing agent containing oxygen in the reformed gas to perform monoxide. A selective oxidation catalyst layer that removes carbon is included, and the heat transfer promoting portion is provided downstream of the combustion air from the selective oxidation catalyst layer.

かかる構成により、一酸化炭素除去層である選択酸化触媒層に対向する部分への、伝熱促進部を介した、燃焼用空気温度変化の影響を小さく抑えて温度を安定させることが可能
となり、安定して水素を生成することが可能となる。
With such a configuration, it becomes possible to stabilize the temperature by suppressing the influence of the combustion air temperature change to the portion facing the selective oxidation catalyst layer that is the carbon monoxide removal layer via the heat transfer promoting portion, It becomes possible to generate hydrogen stably.

第10の発明は、特に、第7から第9のいずれか1つの発明の水素生成装置において、前記伝熱促進部を、前記改質触媒層よりも前記燃焼用空気の上流側に設けた構成とする。   According to a tenth aspect of the invention, in particular, in the hydrogen generator according to any one of the seventh to ninth aspects, the heat transfer promoting portion is provided upstream of the combustion air with respect to the reforming catalyst layer. And

かかる構成により、改質触媒層付近にて、燃焼用空気の流路と燃焼排ガスの流路との熱交換量を小さくすることができ、これによって改質触媒層付近の燃焼排ガスの温度が低下せず、その結果、改質触媒層の加熱が阻害されることを避け、効率よく水素を生成することが可能となる。   With this configuration, the amount of heat exchange between the combustion air flow path and the combustion exhaust gas flow path can be reduced in the vicinity of the reforming catalyst layer, thereby reducing the temperature of the combustion exhaust gas near the reforming catalyst layer. As a result, the heating of the reforming catalyst layer is prevented from being hindered, and hydrogen can be efficiently generated.

第11の発明は、特に、第2から第6のいずれか1つの発明の水素生成装置において、前記一酸化炭素除去層が、シフト反応により一酸化炭素を低減する変成触媒層と、前記変成触媒層からの変成ガスに酸素が含まれる酸化剤を混合して一酸化炭素を取り除く選択酸化触媒層とに分かれており、前記伝熱促進部を、前記変成触媒層よりも前記燃焼用空気の上流側で前記選択酸化触媒層よりも前記燃焼用空気の下流側に設けた構成とする。 In an eleventh aspect of the invention, in particular, in the hydrogen generator of any one of the second to sixth aspects of the invention, the carbon monoxide removal layer includes a shift catalyst layer that reduces carbon monoxide by a shift reaction, and the shift catalyst. And a selective oxidation catalyst layer that removes carbon monoxide by mixing an oxidant containing oxygen into the shift gas from the bed, and the heat transfer promoting portion is arranged upstream of the combustion air from the shift catalyst layer. A configuration is provided on the downstream side of the combustion air with respect to the selective oxidation catalyst layer.

かかる構成により、一酸化炭素除去層である変成触媒層および、選択酸化触媒層に対向する部分への、伝熱促進部を介した、燃焼用空気温度変化の影響を小さく抑えて温度を安定させることが可能となる。   With such a configuration, the temperature is stabilized by suppressing the influence of the change in the combustion air temperature to the portion facing the shift catalyst layer that is the carbon monoxide removal layer and the selective oxidation catalyst layer through the heat transfer promoting portion. It becomes possible.

また、選択酸化触媒層へ流入するガスを冷却することにより、選択酸化反応による局所的な温度上昇を緩和し、高温によって選択酸化触媒が劣化することを避け、安定して水素を生成することが可能となる。   In addition, by cooling the gas flowing into the selective oxidation catalyst layer, local temperature rise due to the selective oxidation reaction can be mitigated, and the selective oxidation catalyst can be prevented from deteriorating due to high temperature, and hydrogen can be generated stably. It becomes possible.

第12の発明は、特に、第1の発明の水素生成装置において、前記第1の壁を介した前記燃焼用空気の流路から前記燃焼排ガスの流路への伝熱を抑制する伝熱抑制部を、前記第1の壁において、前記第3の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分と最も熱交換しやすい位置にある部分を含む領域に、設けた構成とする。   In a twelfth aspect of the invention, in particular, in the hydrogen generator of the first aspect of the invention, heat transfer suppression that suppresses heat transfer from the combustion air flow path to the combustion exhaust gas flow path through the first wall. In the first wall, a portion is provided in a region including a portion at a position where heat exchange is most easily performed with a portion of the third wall facing the carbon monoxide removal layer.

かかる構成により、一酸化炭素除去層に対向する部分からの、燃焼用空気への伝熱が抑制され、一酸化炭素除去層への、燃焼用空気の温度変化の影響を小さく抑えて温度を安定させ、安定して水素を発生することが可能となる。   With this configuration, heat transfer from the part facing the carbon monoxide removal layer to the combustion air is suppressed, and the temperature is stabilized by minimizing the influence of the temperature change of the combustion air on the carbon monoxide removal layer. And stable generation of hydrogen.

第13の発明は、特に、第12の発明の水素生成装置において、前記伝熱抑制部を設ける領域が、前記第1の壁において、前記第3の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分と最も熱交換しやすい位置にある部分よりも前記燃焼用空気の流路の上流側の領域を含む構成とする。   According to a thirteenth aspect of the present invention, in the hydrogen generator of the twelfth aspect of the invention, the region where the heat transfer suppression portion is provided faces the carbon monoxide removal layer on the third wall in the first wall. It is configured to include a region on the upstream side of the flow path of the combustion air with respect to the portion that is most easily exchanged with the portion.

かかる構成により、燃焼排ガスが装置より排気される排気口の付近において、燃焼排ガスの温度が過度に低下し、結露によって装置の運転が不安定になることを回避し、安定して水素を生成することが可能となる。   With this configuration, the temperature of the combustion exhaust gas is excessively lowered in the vicinity of the exhaust port from which the combustion exhaust gas is exhausted from the apparatus, and the operation of the apparatus is prevented from becoming unstable due to condensation, and hydrogen is stably generated. It becomes possible.

第14の発明は、特に、第12または第13の発明の水素生成装置において、前記伝熱抑制部を、前記第1の壁における前記燃焼用空気の通路と対向する面側に設けた構成とする。   According to a fourteenth aspect of the invention, in particular, in the hydrogen generator of the twelfth or thirteenth aspect, the heat transfer suppression portion is provided on a surface of the first wall facing the combustion air passage. To do.

かかる構成により、燃焼排ガスと、燃焼用空気との、第1の壁を介した熱交換が抑制され、これにより、一酸化炭素除去層への、燃焼用空気の温度変化の影響を小さく抑え、一酸化炭素除去層の温度を安定させることで、安定して水素を発生することが可能となる。   With this configuration, the heat exchange between the combustion exhaust gas and the combustion air through the first wall is suppressed, thereby suppressing the influence of the temperature change of the combustion air on the carbon monoxide removal layer, By stabilizing the temperature of the carbon monoxide removal layer, it becomes possible to generate hydrogen stably.

第15の発明は、特に、第14の発明の水素生成装置において、前記伝熱抑制部を、前記第1の壁における前記燃焼用空気の通路と対向する面に設けた断熱材で構成する。   According to a fifteenth aspect of the invention, in the hydrogen generator according to the fourteenth aspect of the invention, the heat transfer suppression portion is constituted by a heat insulating material provided on a surface of the first wall facing the combustion air passage.

かかる構成により、燃焼排ガスと、燃焼用空気との、第1の壁を介した熱交換が抑制され、これにより、一酸化炭素除去層への、燃焼用空気の温度変化の影響を小さく抑え、一酸化炭素除去層の温度を安定させることで、安定して水素を発生することが可能となる。   With this configuration, the heat exchange between the combustion exhaust gas and the combustion air through the first wall is suppressed, thereby suppressing the influence of the temperature change of the combustion air on the carbon monoxide removal layer, By stabilizing the temperature of the carbon monoxide removal layer, it becomes possible to generate hydrogen stably.

第16の発明は、特に、第14発明の水素生成装置において、前記伝熱抑制部を、前記第1の壁における前記燃焼用空気の通路と対向する面との間に空気の断熱層を形成する遮熱板で構成する。   In a sixteenth aspect of the present invention, in particular, in the hydrogen generator according to the fourteenth aspect of the present invention, an air insulation layer is formed between the heat transfer suppression portion and a surface of the first wall facing the combustion air passage. It consists of a heat shield.

かかる構成により、燃焼排ガスと、燃焼用空気との、第1の壁を介した熱交換が抑制され、これにより、一酸化炭素除去層への、燃焼用空気の温度変化の影響を小さく抑え、一酸化炭素除去層の温度を安定させることで、安定して水素を発生することが可能となる。   With this configuration, the heat exchange between the combustion exhaust gas and the combustion air through the first wall is suppressed, thereby suppressing the influence of the temperature change of the combustion air on the carbon monoxide removal layer, By stabilizing the temperature of the carbon monoxide removal layer, it becomes possible to generate hydrogen stably.

第17の発明は、特に、第1から第16のいずれか1つの発明の水素生成装置を、最内部に前記バーナを配置し、前記バーナの外側に前記第1の壁を配置し、前記第1の壁の外側に前記第2の壁を配置し、前記第2の壁の外側に前記第3の壁を配置した構成とする。   According to a seventeenth aspect of the invention, in particular, in the hydrogen generator according to any one of the first to sixteenth aspects of the invention, the burner is arranged in the innermost part, the first wall is arranged outside the burner, The second wall is disposed outside the first wall, and the third wall is disposed outside the second wall.

かかる構成により、高温となるバーナを、構成の中心に置き、周囲を相対的に低温となる流路で囲うことにより、水素生成装置の表面温度上昇を抑え、放熱が少なく高効率の水素生成装置を構成することが可能となる。   With this configuration, the high temperature burner is placed in the center of the configuration, and the periphery is surrounded by a relatively low temperature flow path, thereby suppressing an increase in the surface temperature of the hydrogen generation device, and a highly efficient hydrogen generation device with less heat dissipation. Can be configured.

第18の発明は、特に、第17の発明の水素生成装置を、前記第1の壁と、前記第2の壁と、前記第3の壁とを、前記バーナを中心とする同心円状に、配置した構成とする。   According to an eighteenth aspect of the invention, in particular, the hydrogen generator according to the seventeenth aspect of the invention is configured such that the first wall, the second wall, and the third wall are concentrically centered on the burner. The configuration is arranged.

かかる構成により、各流路の、流路の流れに垂直な断面において、流路各部と、中心に配置されたバーナからの距離が均等となり、バーナから流路各部へ、均等に熱を伝え、局所的な高温化による触媒の劣化や、熱応力による構造体の損傷を回避することが可能となる。   With such a configuration, in each cross section perpendicular to the flow of the flow path, the distance from each part of the flow path and the burner disposed at the center is equal, and heat is evenly transferred from the burner to each part of the flow path. It becomes possible to avoid deterioration of the catalyst due to local high temperature and damage to the structure due to thermal stress.

上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、特に、第1から第18のいずれか1つの発明の水素生成装置と、酸素を含む酸化ガスと前記水素生成装置から供給される生成ガスを用いて発電する燃料電池を備える構成とする。   In order to solve the above conventional problems, the fuel cell system of the present invention is supplied from the hydrogen generator of any one of the first to eighteenth inventions, the oxidizing gas containing oxygen, and the hydrogen generator. It is set as the structure provided with the fuel cell which produces electric power using the generated gas.

かかる構成により、水素生成装置に置いて、高効率かつ安定して水素を生成でき、これにより、高効率かつ、安定して発電のできる燃料電池システムを構成することが可能となる。   With this configuration, it is possible to form a fuel cell system capable of generating hydrogen efficiently and stably in the hydrogen generator, and thereby generating electricity with high efficiency and stability.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the present embodiment.

(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1における水素生成装置の概略断面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a hydrogen generator in Embodiment 1 of the present invention.

本実施の形態の水素生成装置は、図1に示すように、燃料ガス供給部1より供給された燃料ガスと、空気ファン3から第1の壁である第1の円筒21の内側に形成された空気流路2を通り供給された空気とを混合して火炎を形成するバーナ4を有している。   As shown in FIG. 1, the hydrogen generator according to the present embodiment is formed inside the first cylinder 21 that is the first wall from the fuel gas supplied from the fuel gas supply unit 1 and the air fan 3. It has a burner 4 that mixes with the air supplied through the air flow path 2 to form a flame.

バーナ4で生じた燃焼排ガスは、第1の円筒21とその第1の円筒21の外側に位置す
る第2の壁である第2の円筒20との間に形成された燃焼排ガス流路17を流れ、排気口13より装置外に排気される。
The combustion exhaust gas generated in the burner 4 passes through the combustion exhaust gas flow path 17 formed between the first cylinder 21 and the second cylinder 20 which is the second wall located outside the first cylinder 21. The air is exhausted from the exhaust port 13 through the exhaust port 13.

ここで、第1の円筒21の内側の空気流路2には、円筒状の伝熱促進壁22および誘導部23が、一酸化炭素除去層である変成触媒層10および選択酸化触媒層11を避けた位置である、空気流路2の下流側に配置されており、空気ファン3からの空気は、伝熱促進壁22と第1の円筒21の間を流れる構成となっている。   Here, in the air flow path 2 inside the first cylinder 21, the cylindrical heat transfer promotion wall 22 and the guide portion 23 are provided with the shift catalyst layer 10 and the selective oxidation catalyst layer 11 that are carbon monoxide removal layers. It is arranged downstream of the air flow path 2, which is a position avoided, and the air from the air fan 3 is configured to flow between the heat transfer promoting wall 22 and the first cylinder 21.

伝熱促進壁22および誘導部23の設置位置は、空気流路2の、変成触媒層10および選択酸化触媒層11付近を避けた位置であればどこでもよく、図1に示す空気流路2の下流側だけでなく、上流側に設置してもよい。   The heat transfer promotion wall 22 and the guide portion 23 may be installed at any position as long as the air flow path 2 is located in the vicinity of the shift catalyst layer 10 and the selective oxidation catalyst layer 11, and the air flow path 2 shown in FIG. You may install not only downstream but upstream.

第2の円筒20の外側には、原料ガス供給部6からの原料ガスと水供給部7からの水が供給される水蒸発部8が設けられている。水蒸発部8は、第2の円筒20とその外側に配置された第3の壁である第3の円筒25とで形成されている。水蒸発部8から送出される原料ガスと水蒸気の混合ガスは第2の円筒20の外側で水蒸発部8の下部に位置する改質触媒層9に供給される。   Outside the second cylinder 20, a water evaporation unit 8 to which the source gas from the source gas supply unit 6 and the water from the water supply unit 7 are supplied is provided. The water evaporation part 8 is formed of a second cylinder 20 and a third cylinder 25 which is a third wall disposed outside the second cylinder 20. The mixed gas of the raw material gas and water vapor sent from the water evaporation unit 8 is supplied to the reforming catalyst layer 9 located outside the second cylinder 20 and below the water evaporation unit 8.

改質触媒層9から送出される改質ガスは、水蒸発部8の外側に配置した一酸化炭素除去層である変成触媒層10に供給され、さらに変成触媒層10から送出される変成ガスは、水蒸発部8の外側で変成触媒層10の上部に位置する、同じく一酸化炭素除去層である選択酸化触媒層11に選択酸化空気供給部15からの空気と混合された後、供給される。   The reformed gas sent out from the reforming catalyst layer 9 is supplied to the shift catalyst layer 10 which is a carbon monoxide removal layer disposed outside the water evaporation section 8, and the shift gas sent from the shift catalyst layer 10 is After being mixed with the air from the selective oxidation air supply unit 15, it is supplied to the selective oxidation catalyst layer 11, which is also a carbon monoxide removal layer, located above the shift catalyst layer 10 outside the water evaporation unit 8. .

選択酸化触媒層11を出た生成ガスは、生成ガス出口12より水素生成装置から一酸化炭素10ppm以下となった高濃度の水素を含有する生成ガスとして送出される。   The product gas exiting the selective oxidation catalyst layer 11 is sent from the product gas outlet 12 as a product gas containing a high concentration of hydrogen having a carbon monoxide concentration of 10 ppm or less from the hydrogen generator.

上記の通り構成された水素生成装置では、高温となるバーナ4を装置の中心に配置し、周囲を相対的に低温となる流路や触媒層で囲うこととなり、水素生成装置の表面温度上昇を抑え、放熱が少なく高効率の水素生成装置を構成することが可能となる。   In the hydrogen generator configured as described above, the burner 4 having a high temperature is arranged at the center of the apparatus, and the surroundings are surrounded by a relatively low temperature flow path and a catalyst layer, thereby increasing the surface temperature of the hydrogen generator. Therefore, it is possible to configure a highly efficient hydrogen generator with low heat dissipation.

また、本実施の形態では、装置の容器は円筒で構成されており、流路各部は、中心に配置されたバーナ4から均等に過熱され、局所的な高温化による触媒の劣化や、熱応力による構造体の損傷を回避し、安定して水素を生成することが可能となる。   Further, in this embodiment, the container of the apparatus is formed of a cylinder, and each part of the flow path is evenly heated from the burner 4 disposed at the center, and deterioration of the catalyst due to local high temperature and thermal stress. It is possible to avoid the damage of the structure due to the above and to stably generate hydrogen.

なお、一酸化炭素除去層は、触媒反応によって改質ガス中の一酸化炭素を除去できるものであれば何でも良く、変成触媒層10と選択酸化触媒層11の2層構成に限定するものではない。   The carbon monoxide removal layer may be anything as long as it can remove carbon monoxide in the reformed gas by a catalytic reaction, and is not limited to the two-layer configuration of the shift catalyst layer 10 and the selective oxidation catalyst layer 11. .

ここで、改質触媒層9からの改質ガスの温度を改質ガス温度センサ14で検知し、バーナ4に供給する燃料ガスと空気量を燃料ガス供給部1と空気ファン3によりコントロールすることができるようになっている。   Here, the temperature of the reformed gas from the reforming catalyst layer 9 is detected by the reformed gas temperature sensor 14, and the fuel gas and air amount supplied to the burner 4 are controlled by the fuel gas supply unit 1 and the air fan 3. Can be done.

なお、燃料ガス供給部1や空気ファン3、原料ガス供給部6、水供給部7や選択酸化空気供給部15は各々の供給物(燃料ガス、原料ガス、水、オフガスなどの可燃性ガスや空気)の流量を調整可能に構成されており、供給物の吐出流量を変更可能な供給ポンプ(駆動手段)であっても良く、また供給物の供給源と下流側の流路に設けられた供給物の流量調整用バルブとを組み合わせた流体機構であっても良い。   The fuel gas supply unit 1, the air fan 3, the raw material gas supply unit 6, the water supply unit 7, and the selective oxidation air supply unit 15 are each supplied with a combustible gas such as fuel gas, raw material gas, water, off-gas, etc. It is possible to adjust the flow rate of the air), and it may be a supply pump (driving means) capable of changing the discharge flow rate of the supply, and is provided in the supply source and the downstream flow path. It may be a fluid mechanism combined with a supply flow rate adjusting valve.

また、改質ガス温度センサ14は、改質触媒層9からの改質ガス温度を代表して測定できる場所(例えば変成触媒層10出口近傍)に設置したサーミスタや熱電対など温度測定
が可能なものであればよい。
The reformed gas temperature sensor 14 can measure the temperature of a thermistor, a thermocouple, etc. installed in a place where the reformed gas temperature from the reforming catalyst layer 9 can be representatively measured (for example, near the outlet of the shift catalyst layer 10). Anything is acceptable.

次に、上記構成において水素生成装置の各部動作を説明する。   Next, each part operation | movement of a hydrogen generator in the said structure is demonstrated.

バーナ4では、燃料ガスと空気との混合が行われ、その混合ガスに高電圧の放電を行う(構成を図示せず)ことで火炎を形成し、高温の燃焼排ガスをつくり出して第2の円筒20と第1の円筒21との間の燃焼排ガス流路17に供給している。   In the burner 4, the fuel gas and the air are mixed, and a high voltage discharge is performed on the mixed gas (a configuration is not shown) to form a flame, thereby producing a high-temperature combustion exhaust gas to produce the second cylinder. It is supplied to the combustion exhaust gas flow path 17 between 20 and the first cylinder 21.

水と原料ガスが供給された水蒸発部8は、第2の円筒20の内側を流れる燃焼排ガスからの熱を受けて水の蒸発が行われ、同時に水蒸発部8の同じ流路内を流れる原料ガスとの混合が行われ、混合ガスとして改質触媒層9に供給される。   The water evaporation section 8 supplied with water and raw material gas receives the heat from the combustion exhaust gas flowing inside the second cylinder 20 to evaporate the water, and simultaneously flows in the same flow path of the water evaporation section 8. The raw material gas is mixed and supplied to the reforming catalyst layer 9 as a mixed gas.

改質触媒層9は第2の円筒20の内側を流れる高温の燃焼排ガスにより高温化(一般に600〜700℃)されており、原料ガスと水蒸気との混合ガスが供給されることで、水蒸気改質反応により水素や一酸化炭素、二酸化炭素などを含んだ改質ガスを生成する。   The reforming catalyst layer 9 is heated to a high temperature (generally 600 to 700 ° C.) with a high-temperature combustion exhaust gas flowing inside the second cylinder 20, and is supplied with a mixed gas of a raw material gas and water vapor. A reformed gas containing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, etc. is generated by the quality reaction.

変成触媒層10は、第2の円筒20の内側を流れる燃焼排ガスとの熱交換により熱バランスした水蒸発部8によりシフト反応に最適な温度(150〜300℃)に加熱維持されて、改質ガス中の高濃度の一酸化炭素(10〜15%)を二酸化炭素に変えることで一酸化炭素の低濃度(0.5%前後)化を行っている。   The shift catalyst layer 10 is heated and maintained at a temperature (150 to 300 ° C.) optimum for the shift reaction by the water evaporation section 8 which is heat balanced by heat exchange with the combustion exhaust gas flowing inside the second cylinder 20, and reforming is performed. The carbon monoxide concentration is reduced (around 0.5%) by changing carbon monoxide (10-15%) in the gas to carbon dioxide.

選択酸化触媒層11も第2の円筒20の内側を流れる燃焼排ガスとの熱交換により熱バランスした水蒸発部8により選択酸化反応に最適な温度(150℃前後)に維持され、変成ガスに選択酸化空気供給部15からの空気を混合することで変成ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により10ppm以下の極低濃度の状態を実現している。   The selective oxidation catalyst layer 11 is also maintained at the optimum temperature (around 150 ° C.) for the selective oxidation reaction by the water evaporation section 8 which is heat balanced by heat exchange with the combustion exhaust gas flowing inside the second cylinder 20 and is selected as a modified gas. By mixing the air from the oxidant air supply unit 15, the carbon monoxide in the modified gas is in a state of extremely low concentration of 10 ppm or less by a selective oxidation reaction.

ここで、簡易な構成と制御で各触媒層が最適な温度状態が実現できるように、本水素生成装置は改質触媒層9出口の改質ガス温度を一定に制御している。   Here, the hydrogen generator controls the reformed gas temperature at the outlet of the reforming catalyst layer 9 to be constant so that each catalyst layer can realize an optimum temperature state with a simple configuration and control.

つまり、改質触媒層9と変成触媒層10、選択酸化触媒層11が一体化したシンプルな構造体構成において、改質ガス温度センサ14からの出力に応じて燃料ガス供給部1と空気ファン3を制御することで、バーナ4での燃焼量を変化させ、改質ガス温度センサ14の出力が一定となるようにしている。   That is, in a simple structure configuration in which the reforming catalyst layer 9, the shift catalyst layer 10, and the selective oxidation catalyst layer 11 are integrated, the fuel gas supply unit 1 and the air fan 3 according to the output from the reformed gas temperature sensor 14. By controlling this, the amount of combustion in the burner 4 is changed so that the output of the reformed gas temperature sensor 14 becomes constant.

改質ガス温度センサ14の温度が一定であれば、変成触媒層10に供給される改質ガス温度は一定となり、さらに変成触媒層10の温度が一定であれば、選択酸化触媒層11に供給される変成ガス温度も一定となる。   If the temperature of the reformed gas temperature sensor 14 is constant, the reformed gas temperature supplied to the shift catalyst layer 10 is constant, and if the temperature of the shift catalyst layer 10 is constant, it is supplied to the selective oxidation catalyst layer 11. The metamorphic gas temperature to be produced is also constant.

したがって、改質ガス温度センサ14を一定制御すれば、改質触媒層9から選択酸化触媒層11まで全体を触媒反応に最適な温度に維持することができるため、安定した水素の生成と一酸化炭素除去を実現している。   Therefore, if the reformed gas temperature sensor 14 is controlled to be constant, the entire temperature from the reforming catalyst layer 9 to the selective oxidation catalyst layer 11 can be maintained at an optimum temperature for the catalytic reaction. Achieves carbon removal.

ここで、改質触媒層9の温度は、バーナ4からの改質触媒層9の内側、つまり第2の円筒20の内側を流れる燃焼排ガスの温度と改質触媒層9の周囲を流れる改質触媒層9を出た改質ガスによって決まるが、改質ガス温度センサ14は改質触媒層9を出た改質ガスの温度を検知しているため改質触媒層9の周囲を流れる改質ガスの温度も制御していることになる。   Here, the temperature of the reforming catalyst layer 9 is the temperature of the combustion exhaust gas flowing inside the reforming catalyst layer 9 from the burner 4, that is, the inside of the second cylinder 20, and the reforming flowing around the reforming catalyst layer 9. Although it depends on the reformed gas exiting the catalyst layer 9, the reformed gas temperature sensor 14 detects the temperature of the reformed gas exiting the reformed catalyst layer 9, and therefore reforms flowing around the reformed catalyst layer 9. The gas temperature is also controlled.

したがって、この改質ガス温度センサ14を一定温度に制御すれば改質触媒層9全体の温度を安定な温度に維持することができる。   Therefore, if the reformed gas temperature sensor 14 is controlled to a constant temperature, the temperature of the entire reforming catalyst layer 9 can be maintained at a stable temperature.

一方、変成触媒層10や選択酸化触媒層11は、周囲が高性能の断熱材18により覆われ、さらに断熱材18で覆われている水素生成装置はシステムの筐体内に配置されているため、変成触媒層10や選択酸化触媒層11の温度は、燃焼排ガスとの熱交換により熱バランスした水蒸発部8により温度が決まる。   On the other hand, the shift catalyst layer 10 and the selective oxidation catalyst layer 11 are surrounded by a high-performance heat insulating material 18, and the hydrogen generator covered with the heat insulating material 18 is disposed in the casing of the system. The temperature of the shift catalyst layer 10 and the selective oxidation catalyst layer 11 is determined by the water evaporation section 8 that is thermally balanced by heat exchange with the combustion exhaust gas.

ここで、バーナ4は改質触媒層9の上流部近傍に位置するため、改質触媒層9の上方に位置する水蒸発部8の内側の燃焼排ガス流路17の内側には、バーナ4に供給する空気流路2が位置している。   Here, since the burner 4 is located in the vicinity of the upstream portion of the reforming catalyst layer 9, the burner 4 is disposed inside the combustion exhaust gas channel 17 inside the water evaporation portion 8 located above the reforming catalyst layer 9. The air flow path 2 to be supplied is located.

ここで、空気流路2を流れる空気は、燃焼排ガス流路17を流れる燃焼排ガスと熱交換し、空気の予熱が可能となっている。空気の予熱に用いられた熱量は、燃焼排ガスを経由して改質触媒の加熱に再利用されることとなるため、改質触媒を適正な温度分布に維持しつつも、燃焼排ガス流路17の改質触媒層9付近から排出される燃焼排ガスのエネルギーを有効に回収し、水素生成装置自体のエネルギー効率を向上させることができる。   Here, the air flowing through the air flow path 2 exchanges heat with the combustion exhaust gas flowing through the combustion exhaust gas flow path 17 so that the air can be preheated. Since the amount of heat used for preheating the air is reused for heating the reforming catalyst via the combustion exhaust gas, the combustion exhaust gas flow path 17 is maintained while maintaining the reforming catalyst in an appropriate temperature distribution. Thus, the energy of the combustion exhaust gas discharged from the vicinity of the reforming catalyst layer 9 can be effectively recovered, and the energy efficiency of the hydrogen generator itself can be improved.

ここで、空気は装置外側の外気から取り入れられるが、外気は季節や地域によって低温から高温(例えば、−20〜40℃)に変化するが、このとき、燃焼排ガスの温度は、空気ファン3で供給された空気流路2を流れる空気の影響を受け、燃焼排ガスの温度変化が生じる。   Here, the air is taken in from the outside air outside the apparatus, and the outside air changes from a low temperature to a high temperature (for example, -20 to 40 ° C.) depending on the season and region. At this time, the temperature of the combustion exhaust gas is the air fan 3. Under the influence of the air flowing through the supplied air flow path 2, the temperature of the combustion exhaust gas changes.

また、燃焼排ガスの温度変化は、水蒸発部8の温度変化を引き起こし、変成触媒層10や選択酸化触媒層11の温度を変化させる。   Moreover, the temperature change of combustion exhaust gas causes the temperature change of the water evaporation part 8, and changes the temperature of the shift catalyst layer 10 or the selective oxidation catalyst layer 11.

このとき、改質触媒層9出口の温度は、一定となるよう制御されているため、改質触媒層9出口から離れており、外気温により温度が変動する空気の入り口近くに位置する選択酸化触媒層11や、選択酸化触媒層11後の生成ガスが、より大きく空気の温度変化の影響を受ける。   At this time, since the temperature of the outlet of the reforming catalyst layer 9 is controlled to be constant, the selective oxidation is located away from the outlet of the reforming catalyst layer 9 and is located near the inlet of air whose temperature varies depending on the outside air temperature. The catalyst layer 11 and the product gas after the selective oxidation catalyst layer 11 are more greatly affected by the temperature change of the air.

そして、変成触媒層10や選択酸化触媒層11の温度が変化すると、触媒反応のための最適な温度を外れてしまう可能性がある。   If the temperature of the shift catalyst layer 10 or the selective oxidation catalyst layer 11 changes, there is a possibility that the optimum temperature for the catalytic reaction will be deviated.

最適な温度を離れると、変成ガス中の一酸化炭素濃度が増え、また選択酸化触媒層11後の生成ガス中の一酸化炭素濃度が増え、水素生成装置の安定した生成ガス状態を維持できなくなる可能性がある。   When leaving the optimum temperature, the concentration of carbon monoxide in the shift gas increases, and the concentration of carbon monoxide in the product gas after the selective oxidation catalyst layer 11 increases, making it impossible to maintain a stable product gas state of the hydrogen generator. there is a possibility.

また、空気との熱交換する燃焼排ガス温度も、温度一定に制御されている改質触媒層9から離れ、温度が室温に近い程度まで低下している燃焼排ガス出口部付近において、空気の温度の影響を受けて温度が低下し、燃焼排ガスの露点温度以下となると、燃焼排ガス中の水蒸気が結露し第2の円筒20や第1の円筒21の壁面に水滴となって付着する。   In addition, the temperature of the combustion exhaust gas that exchanges heat with air is also separated from the reforming catalyst layer 9 that is controlled at a constant temperature, and the temperature of the air in the vicinity of the combustion exhaust gas outlet portion where the temperature has decreased to a level close to room temperature. When the temperature drops due to the influence and falls below the dew point temperature of the combustion exhaust gas, water vapor in the combustion exhaust gas is condensed and adheres to the wall surfaces of the second cylinder 20 and the first cylinder 21 as water droplets.

付着した水滴は、ある程度集まると重力にしたがって燃焼排ガス流路17を下部方向の高温部に流れていく。   When the adhering water droplets gather to some extent, they flow along the combustion exhaust gas flow path 17 to the high temperature part in the lower direction according to gravity.

このとき、ステンレスのような金属材料で構成されている第2の円筒20や第1の円筒21の腐食を発生させる可能性がある他、高温部に流れると温度が上昇して蒸発することによって、蒸発潜熱の大きな熱を周囲より奪うため局所的な温度低下を発生させ、触媒の反応性や水蒸発部8の蒸発性能に影響を与え、水素生成装置が機能しなくなる可能性が考えられる。   At this time, there is a possibility that the second cylinder 20 or the first cylinder 21 made of a metal material such as stainless steel may be corroded. In order to take away the heat of large evaporation latent heat from the surroundings, a local temperature drop is generated, which affects the reactivity of the catalyst and the evaporation performance of the water evaporation unit 8, and the hydrogen generator may not function.

このため、空気流路2と燃焼排ガス流路17は、過度に熱交換が行われないような構成がとられるが、このとき同時に、空気の予熱も阻害され、燃焼排ガスのエネルギーを有効に回収することができず、水素生成装置自体のエネルギー効率が低下してしまうという問題がある。   For this reason, the air flow path 2 and the flue gas flow path 17 are configured so as not to exchange heat excessively. At the same time, preheating of the air is also inhibited, and the energy of the flue gas is effectively recovered. There is a problem that the energy efficiency of the hydrogen generator itself cannot be reduced.

そこで、本発明では、空気流路2に、外気の温度によって変動する、空気ファン3から供給される空気の温度変化による影響を受けにくい、変成触媒層10および選択酸化触媒層11よりも高温側の位置に、伝熱促進壁22および、誘導部23を設置している。   Therefore, in the present invention, the air flow path 2 has a higher temperature than the shift catalyst layer 10 and the selective oxidation catalyst layer 11, which is less affected by the temperature change of the air supplied from the air fan 3, which varies depending on the temperature of the outside air. The heat transfer promotion wall 22 and the guide part 23 are installed at the position of.

このように構成することで、バーナ4に供給される空気を、燃焼排ガス流路17と接する第1の円筒21に沿う流れとなるように導き、また同時に流速を上昇させることで、空気流路2と燃焼排ガス流路17の熱交換を促進し、燃焼排ガスの熱エネルギーを有効に回収することができるようになり、その結果、水素生成装置のエネルギー効率を向上させることが可能となる。   By configuring in this way, the air supplied to the burner 4 is guided to flow along the first cylinder 21 in contact with the combustion exhaust gas flow channel 17 and at the same time the flow velocity is increased, thereby the air flow channel. 2 and the combustion exhaust gas flow path 17 can be promoted, and the thermal energy of the combustion exhaust gas can be effectively recovered. As a result, the energy efficiency of the hydrogen generator can be improved.

なお、伝熱促進壁22および誘導部23の形状は、空気を第1の円筒21壁面付近に誘導できる形状であればよい。   In addition, the shape of the heat transfer promotion wall 22 and the induction | guidance | derivation part 23 should just be a shape which can guide | invade air to the 1st cylinder 21 wall vicinity.

例えば、図1に示す伝熱促進壁22における空気流路2の上流端部を誘導部23によって燃料ガス供給管19に固定すると共に伝熱促進壁22における空気流路2の下流端部も燃料ガス供給管19に固定した形状を、図4に示す伝熱促進壁22における空気流路2の上流端部のみを誘導部23によって燃料ガス供給管19に固定した形状にしてもよい。   For example, the upstream end portion of the air flow path 2 in the heat transfer promotion wall 22 shown in FIG. 1 is fixed to the fuel gas supply pipe 19 by the guide portion 23 and the downstream end portion of the air flow path 2 in the heat transfer promotion wall 22 is also fuel. The shape fixed to the gas supply pipe 19 may be a shape in which only the upstream end portion of the air flow path 2 in the heat transfer promotion wall 22 shown in FIG.

また、図5に示す伝熱促進壁22における空気流路2の下流端部のみを誘導部23によって燃料ガス供給管19に固定した形状であってもよい。   Moreover, the shape which fixed only the downstream end part of the air flow path 2 in the heat-transfer promotion wall 22 shown in FIG.

また、伝熱促進壁22および誘導部23は、燃料ガス供給管19に取り付けられてその位置を保持されることが好ましい。なぜならば、燃料ガス供給管19と一体とすることによって構成が簡易化され、第1の円筒21に対し、バーナ4と燃料ガス供給管19と、伝熱促進壁22および誘導部23を、一体に構成された部品として差し込んで組み立てることができ、組み立てやすい水素生成装置を構成することができるためである。   Moreover, it is preferable that the heat transfer promotion wall 22 and the guide portion 23 are attached to the fuel gas supply pipe 19 and maintained in their positions. This is because the configuration is simplified by integrating with the fuel gas supply pipe 19, and the burner 4, the fuel gas supply pipe 19, the heat transfer promoting wall 22 and the guide portion 23 are integrated with the first cylinder 21. This is because a hydrogen generation apparatus that can be assembled by being inserted as parts configured in (1) can be assembled.

なお、空気流路2と燃焼排ガス流路17の熱交換を促進する構成としては、図6に示すように、第1の円筒21を部分的に波状に加工した構成であってもよい。   In addition, as a structure which accelerates | stimulates the heat exchange of the air flow path 2 and the combustion exhaust gas flow path 17, as shown in FIG. 6, the structure which processed the 1st cylinder 21 partially in the shape of a wave may be sufficient.

なぜならば、波状加工部分において、第1の円筒21の表面積が周囲より大きくなり、波状の領域において、空気流路2と燃焼排ガス流路17との熱交換が促進され、燃焼排ガスの熱エネルギーを有効に回収することができるためである。   This is because the surface area of the first cylinder 21 is larger than the surrounding area in the wavy processed portion, heat exchange between the air flow path 2 and the flue gas flow path 17 is promoted in the wavy area, and the heat energy of the flue gas is reduced. It is because it can collect | recover effectively.

また、空気流路2と燃焼排ガス流路17の熱交換を促進する構成としては、図7、図8に示すように、第1の円筒21の外周面または内周面を部分的に削って凸凹にした構成であってもよい。   Further, as a configuration for promoting heat exchange between the air passage 2 and the flue gas passage 17, as shown in FIGS. 7 and 8, the outer peripheral surface or inner peripheral surface of the first cylinder 21 is partially shaved. The structure may be uneven.

なぜならば、第1の円筒21の外周面または内周面を部分的に削って凸凹にした部分において、第1の円筒21の表面積が周囲より大きくなり、空気流路2と燃焼排ガス流路17との熱交換が促進され、燃焼排ガスの熱エネルギーを有効に回収することができるためである。   This is because the surface area of the first cylinder 21 becomes larger than the surrounding area in the part where the outer peripheral surface or inner peripheral surface of the first cylinder 21 is partially cut and made uneven, and the air flow path 2 and the flue gas flow path 17 are increased. This is because heat exchange with the combustion exhaust gas is promoted, and the thermal energy of the combustion exhaust gas can be effectively recovered.

なお、伝熱促進壁22および誘導部23の設置位置は、変成触媒層10および選択酸化触媒層11付近より、空気流路2の下流側に配置することが好ましい。なぜならば、燃焼
排ガス流路17の下流側を避けた配置とすることで、排気口13付近で、燃焼排ガスの温度が過度に低下し、結露によって装置の運転が不安定になることを避け、安定して水素を生成することができるためである。
In addition, it is preferable to arrange | position the installation position of the heat-transfer promotion wall 22 and the induction | guidance | derivation part 23 in the downstream of the air flow path 2 rather than the shift catalyst layer 10 and the selective oxidation catalyst layer 11 vicinity. This is because the arrangement avoiding the downstream side of the combustion exhaust gas flow path 17 avoids the temperature of the combustion exhaust gas from excessively decreasing near the exhaust port 13 and the unstable operation of the apparatus due to condensation. This is because hydrogen can be generated stably.

なお、伝熱促進壁22と誘導部23の設置位置は、選択酸化触媒層11の温度分布が反応に最適な範囲に保たれる熱バランスであれば、図2に示すように、選択酸化触媒層11付近よりも、空気流路2の下流側で、変成触媒層10付近を含む位置であってもよい。   If the heat transfer promotion wall 22 and the induction portion 23 are installed at a heat balance in which the temperature distribution of the selective oxidation catalyst layer 11 is maintained in an optimum range for the reaction, as shown in FIG. The position including the vicinity of the shift catalyst layer 10 may be provided on the downstream side of the air flow path 2 from the vicinity of the layer 11.

なぜならば、空気ファン3から供給された空気の温度変化の影響は、空気の入り口に近い選択酸化触媒層11において大きいが、伝熱促進壁22と誘導部23を、選択酸化触媒層11付近よりも、空気流路2の下流側に配置することにより、外気温の変動よって空気ファン3から供給される空気の温度が変動した場合にも、選択酸化触媒層11の温度が最適な温度範囲に保たれ、安定して水素を生成することができるためである。   This is because the influence of the temperature change of the air supplied from the air fan 3 is large in the selective oxidation catalyst layer 11 close to the air inlet, but the heat transfer promotion wall 22 and the induction portion 23 are closer to the selective oxidation catalyst layer 11 than in the vicinity. However, when the temperature of the air supplied from the air fan 3 fluctuates due to fluctuations in the outside air temperature, the temperature of the selective oxidation catalyst layer 11 falls within the optimum temperature range by being arranged on the downstream side of the air flow path 2. This is because hydrogen can be stably generated.

なお、伝熱促進壁22と誘導部23の設置位置は、改質触媒層9付近よりも、空気流路2の上流側の位置に配置されることが好ましい。   In addition, it is preferable that the installation position of the heat transfer promotion wall 22 and the guide portion 23 is arranged at a position upstream of the air flow path 2 from the vicinity of the reforming catalyst layer 9.

なぜならば、改質触媒層9付近にて、空気流路2と燃焼排ガス流路17との熱交換量を小さくすることができ、これによって改質触媒層9付近の燃焼排ガスの温度が低下せず、その結果、改質触媒層9の加熱が阻害されることを避け、効率よく水素生成をすることができるためである。   This is because the amount of heat exchange between the air passage 2 and the combustion exhaust gas passage 17 can be reduced in the vicinity of the reforming catalyst layer 9, thereby reducing the temperature of the combustion exhaust gas near the reforming catalyst layer 9. As a result, the heating of the reforming catalyst layer 9 is prevented from being hindered, and hydrogen can be generated efficiently.

なお、伝熱促進壁22と誘導部23の設置位置は、選択酸化触媒層11の温度分布が反応に最適な範囲に保たれる熱バランスであれば、図3に示すように、選択酸化触媒層11付近よりも、空気流路2の下流側で、変成触媒層10付近よりも、空気流路2の上流側の位置であってもよい。   If the heat transfer promoting wall 22 and the guide portion 23 are installed at a heat balance in which the temperature distribution of the selective oxidation catalyst layer 11 is maintained in an optimum range for the reaction, as shown in FIG. It may be located downstream of the air flow path 2 relative to the vicinity of the layer 11 and upstream of the air flow path 2 relative to the vicinity of the shift catalyst layer 10.

なぜならば、伝熱促進壁22および誘導部23が、選択酸化触媒層11および変成触媒層10を避けた位置に配置されることで、外気温の変動よって空気ファン3から供給される空気の温度が変動した場合にも、選択酸化触媒層11および変成触媒層10の温度が最適な温度範囲に保たれ、安定して水素を生成することができる。   This is because the heat transfer promotion wall 22 and the induction portion 23 are arranged at positions avoiding the selective oxidation catalyst layer 11 and the shift catalyst layer 10, so that the temperature of the air supplied from the air fan 3 due to fluctuations in the outside air temperature. Even when fluctuates, the temperatures of the selective oxidation catalyst layer 11 and the shift catalyst layer 10 are maintained in the optimum temperature range, and hydrogen can be generated stably.

さらに、選択酸化触媒層11に流入する変成ガスを、第1の円筒21、第2の円筒20および第3の円筒25を介し、空気ファン3から供給された空気との熱交換によって冷却することができ、選択酸化空気供給部15から供給される空気と変成ガスとの選択酸化反応による選択酸化触媒層11の局所的な温度上昇を緩和し、高温によって選択酸化触媒が劣化することを避け、安定して水素を生成することができるためである。   Further, the modified gas flowing into the selective oxidation catalyst layer 11 is cooled by heat exchange with the air supplied from the air fan 3 via the first cylinder 21, the second cylinder 20 and the third cylinder 25. The local temperature rise of the selective oxidation catalyst layer 11 due to the selective oxidation reaction between the air supplied from the selective oxidation air supply unit 15 and the modified gas is mitigated, and the selective oxidation catalyst is prevented from deteriorating due to a high temperature, This is because hydrogen can be generated stably.

(実施の形態2)
図9は本発明の実施の形態2における水素生成装置の概略断面図である。
(Embodiment 2)
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a hydrogen generator according to Embodiment 2 of the present invention.

実施の形態1の構成と異なる点は、伝熱促進壁22および誘導部23が設けられておらず、第1の円筒21内側の空気流路2の、変成触媒層10より上部低温度側の位置に、断熱抑制部である円筒状の断熱材5が設置されており、空気ファン3からの空気はこの断熱材5の内側を流れる構成となっている。   The difference from the configuration of the first embodiment is that the heat transfer promotion wall 22 and the induction portion 23 are not provided, and the air flow path 2 inside the first cylinder 21 is on the lower temperature side above the shift catalyst layer 10. The cylindrical heat insulating material 5 which is a heat insulation suppression part is installed in the position, and the air from the air fan 3 is configured to flow inside the heat insulating material 5.

変成触媒層10および選択酸化触媒層11は、燃焼排ガスとの熱交換により熱バランスした水蒸発部8により温度が決まり、燃焼排ガス流路17を流れる燃焼排ガスの温度は、空気流路2を流れる空気と断熱材5を介して行われる熱交換によって決まる。   The temperature of the shift catalyst layer 10 and the selective oxidation catalyst layer 11 is determined by the water evaporation unit 8 that is heat balanced by heat exchange with the combustion exhaust gas, and the temperature of the combustion exhaust gas flowing through the combustion exhaust gas channel 17 flows through the air channel 2. It is determined by heat exchange performed through air and the heat insulating material 5.

ここで、燃焼排ガスと空気ファン3から供給される空気は、外気温度によって変動し、これによって、変成触媒層10および選択酸化触媒層11の温度は、空気の温度変化による影響を受けるため、変成触媒層10および選択酸化触媒層11は、燃焼排ガスと空気ファン3から供給される空気と、過度に熱交換が行われないように構成することが好ましいが、このとき、同時に空気の余熱も阻害され、燃焼排ガスのエネルギーを有効に回収することができず、水素生成装置自体のエネルギー効率が低下してしまうという問題がある。   Here, the combustion exhaust gas and the air supplied from the air fan 3 fluctuate depending on the outside air temperature. As a result, the temperatures of the shift catalyst layer 10 and the selective oxidation catalyst layer 11 are affected by the temperature change of the air. The catalyst layer 10 and the selective oxidation catalyst layer 11 are preferably configured so as not to excessively exchange heat with the combustion exhaust gas and the air supplied from the air fan 3, but at this time, the remaining heat of the air is also inhibited at the same time. Thus, there is a problem that the energy of the combustion exhaust gas cannot be effectively recovered and the energy efficiency of the hydrogen generator itself is lowered.

そこで、本実施の形態では、第1の円筒21内面の一部で、変成触媒層10および、選択酸化触媒層11付近を含む領域に、伝熱抑制部である断熱材5を配置している。   Therefore, in the present embodiment, the heat insulating material 5 that is a heat transfer suppressing portion is arranged in a region including the vicinity of the shift catalyst layer 10 and the selective oxidation catalyst layer 11 in a part of the inner surface of the first cylinder 21. .

このように構成することで、外気温の変動よって空気ファン3から供給される空気の温度が変動した場合にも、選択酸化触媒層11および変成触媒層10の温度が最適な温度範囲に保たれ、安定して水素を生成することができる。   With this configuration, even when the temperature of the air supplied from the air fan 3 fluctuates due to fluctuations in the outside air temperature, the temperatures of the selective oxidation catalyst layer 11 and the shift catalyst layer 10 are kept in the optimum temperature range. , Can stably generate hydrogen.

また同時に、空気流路2の、変成触媒層10および選択酸化触媒層11付近から離れた領域では、燃焼排ガス流路17を流れる燃焼排ガスと、空気流路2を流れる空気との熱交換が効率よく行われるようになり、空気の予熱によって燃焼排ガスのエネルギーを有効に回収することができ、その結果、水素生成装置のエネルギー効率を向上させることが可能となる。   At the same time, heat exchange between the combustion exhaust gas flowing through the combustion exhaust gas flow channel 17 and the air flowing through the air flow channel 2 is efficient in a region of the air flow channel 2 away from the vicinity of the shift catalyst layer 10 and the selective oxidation catalyst layer 11. As a result, the energy of the combustion exhaust gas can be effectively recovered by preheating the air, and as a result, the energy efficiency of the hydrogen generator can be improved.

なお、第1の円筒21に設置される断熱材5は、燃焼排ガス流路17と空気流路2との熱交換を抑制するものであれば良く、第1の円筒21の内面だけでなく、外面に設置しても良い。   The heat insulating material 5 installed in the first cylinder 21 only needs to suppress heat exchange between the combustion exhaust gas channel 17 and the air channel 2, and not only the inner surface of the first cylinder 21, It may be installed on the outside.

なお、空気流路2に設置される断熱材5は、空気流路2と燃焼排ガス流路17との伝熱を抑制する構成であれば何でも良く、例えば図10に示すような遮熱板24であってもよい。なぜならば、遮熱板24によって、流れのない、よどみ領域が形成され、よどみ領域によって、空気流路2と燃焼排ガス流路17との熱交換が抑制されるためでる。   The heat insulating material 5 installed in the air flow path 2 may be anything as long as it is configured to suppress heat transfer between the air flow path 2 and the combustion exhaust gas flow path 17, and for example, a heat shield plate 24 as shown in FIG. It may be. This is because the heat shield plate 24 forms a stagnation region that does not flow, and the stagnation region suppresses heat exchange between the air passage 2 and the combustion exhaust gas passage 17.

(実施の形態3)
図11は本発明の実施の形態3における水素生成装置の概略断面図である。
(Embodiment 3)
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a hydrogen generator according to Embodiment 3 of the present invention.

本実施の形態の水素生成装置は、図11に示すように、複数の平板形状の容器で構成され、改質部容器44と、燃焼容器43とを少なくとも有し、改質部容器44は、改質触媒層9、変成触媒層10および、選択酸化触媒層11を容器内部に有しており、燃焼容器43は、バーナ4、断熱材5、燃料ガス供給管19を容器内部に有している。   As shown in FIG. 11, the hydrogen generator of the present embodiment is composed of a plurality of flat plate-shaped containers, and has at least a reforming section container 44 and a combustion container 43. The reforming catalyst layer 9, the shift catalyst layer 10, and the selective oxidation catalyst layer 11 are provided inside the container, and the combustion container 43 includes the burner 4, the heat insulating material 5, and the fuel gas supply pipe 19 inside the container. Yes.

本実施の形態の水素生成装置の基本的な構成とガスの流れについて、更に詳細を説明する。   Further details of the basic configuration and gas flow of the hydrogen generator of the present embodiment will be described.

本実施の形態の水素生成装置は、水供給部7から供給される水を蒸発させるとともに、原料ガス供給部6より供給される原料ガスと水蒸気の混合ガスを予熱する水蒸発部8を備える。   The hydrogen generator of the present embodiment includes a water evaporation unit 8 that evaporates the water supplied from the water supply unit 7 and preheats the mixed gas of the source gas and water vapor supplied from the source gas supply unit 6.

また、原料ガスと、水蒸気との改質反応を進行させる改質触媒層9と、改質触媒層9で生成した改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを変成反応させて、改質ガスの、一酸化炭素濃度を低減させる変成触媒層10を有している。   In addition, the reforming catalyst layer 9 that promotes the reforming reaction between the raw material gas and the steam, and the carbon monoxide in the reformed gas generated in the reforming catalyst layer 9 and the steam are subjected to a modification reaction, thereby the reformed gas. The shift catalyst layer 10 for reducing the carbon monoxide concentration is provided.

また、変成触媒層10を通過した後の水素含有ガス中に残留する一酸化炭素を、選択酸化空気供給部15から変成触媒層10を通過した後の水素含有ガスに供給される空気を用
いて、主に酸化させて除去する選択酸化触媒層11を有している。
Further, the carbon monoxide remaining in the hydrogen-containing gas after passing through the shift catalyst layer 10 is used using air supplied from the selective oxidation air supply unit 15 to the hydrogen-containing gas after passing through the shift catalyst layer 10. The selective oxidation catalyst layer 11 is mainly oxidized and removed.

なお、変成触媒層10、選択酸化触媒層11により、一酸化炭素低減部が構成されている。   The shift catalyst layer 10 and the selective oxidation catalyst layer 11 constitute a carbon monoxide reduction unit.

改質触媒層9には、直径約3mmの球状触媒を有するRu系の改質触媒が設けられている。また、変成触媒層10には、直径約3mmで高さ3mmの円筒形状を有するCu−Zn系の変成触媒が設けられている。また、選択酸化触媒層11には、直径約3mmの球状形状を有するRu系の選択酸化触媒が設けられている。   The reforming catalyst layer 9 is provided with a Ru-based reforming catalyst having a spherical catalyst having a diameter of about 3 mm. The shift catalyst layer 10 is provided with a Cu—Zn shift catalyst having a cylindrical shape with a diameter of about 3 mm and a height of 3 mm. The selective oxidation catalyst layer 11 is provided with a Ru-based selective oxidation catalyst having a spherical shape with a diameter of about 3 mm.

また、改質触媒層9における改質反応に必要な反応熱を供給するため、燃焼容器43には、燃焼ガスを燃焼させ、加熱源となるバーナ4を有し、バーナ4には、空気ファン3より燃料用空気が供給され、また燃料ガス供給部1より、燃料が供給される。   Further, in order to supply reaction heat necessary for the reforming reaction in the reforming catalyst layer 9, the combustion container 43 has a burner 4 that burns combustion gas and serves as a heating source, and the burner 4 includes an air fan. Fuel air is supplied from 3, and fuel is supplied from the fuel gas supply unit 1.

そして、上記構成を有する水素生成装置によって生成された水素含有ガスは、生成ガス出口12から、外部に設置される燃料電池(図示せず)などに供給され、燃料電池の発電に使用される。   And the hydrogen containing gas produced | generated by the hydrogen production | generation apparatus which has the said structure is supplied to the fuel cell (not shown) etc. installed outside from the production gas exit 12, and is used for the electric power generation of a fuel cell.

また、バーナ4で発生させた燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路17へ導かれ、改質触媒層9および、水蒸発部8に、燃焼排ガスの熱が、改質部容器44および燃焼容器43の接する壁面である、第2の壁40を介して供給される。そして、燃焼排ガスは、燃焼容器43下部の排気口から、水素生成装置の外部へ排気される。   Further, the combustion exhaust gas generated by the burner 4 is guided to the combustion exhaust gas passage 17, and the heat of the combustion exhaust gas is transferred to the reforming catalyst layer 9 and the water evaporation unit 8, and the reforming unit container 44 and the combustion container 43 are heated. Supplied through the second wall 40, which is the wall surface in contact. The combustion exhaust gas is exhausted from the exhaust port at the lower part of the combustion container 43 to the outside of the hydrogen generator.

ここで、改質触媒層9の温度は、バーナ4から、燃焼排ガス流路17を流れる燃焼排ガスの温度と、同じく改質触媒層9に隣接して流れる、改質触媒層9を出た改質ガスの温度によって決まるが、改質ガス温度センサ14は改質触媒層9を出た改質ガスの温度を検知しており、改質触媒層9から出た改質ガスの温度も制御していることになるため、この改質ガス温度センサ14を一定温度に制御すれば改質触媒層9全体の温度を安定な温度に維持することができる。   Here, the temperature of the reforming catalyst layer 9 is the same as that of the combustion exhaust gas flowing from the burner 4 through the combustion exhaust gas passage 17 and the reforming catalyst layer 9 that flows adjacent to the reforming catalyst layer 9 and exits the reforming catalyst layer 9. The reformed gas temperature sensor 14 detects the temperature of the reformed gas exiting the reforming catalyst layer 9 and controls the temperature of the reformed gas exiting from the reforming catalyst layer 9. Therefore, if the reformed gas temperature sensor 14 is controlled to a constant temperature, the temperature of the entire reforming catalyst layer 9 can be maintained at a stable temperature.

一方、変成触媒層10や選択酸化触媒層11は、周囲が高性能の断熱材18により覆われ、さらに断熱材18で覆われている水素生成装置はシステムの筐体内に配置されているため、変成触媒層10や選択酸化触媒層11の温度は、燃焼排ガスとの熱交換により熱バランスした水蒸発部8により温度が決まる。   On the other hand, the shift catalyst layer 10 and the selective oxidation catalyst layer 11 are surrounded by a high-performance heat insulating material 18, and the hydrogen generator covered with the heat insulating material 18 is disposed in the casing of the system. The temperature of the shift catalyst layer 10 and the selective oxidation catalyst layer 11 is determined by the water evaporation section 8 that is thermally balanced by heat exchange with the combustion exhaust gas.

ここで、バーナ4は改質触媒層9の上流部近傍に位置するため、改質触媒層9の下方に位置する水蒸発部8に隣接する、燃焼排ガス流路17の、改質部容器44と反対側の位置には、バーナ4に供給する空気流路2が位置している。   Here, since the burner 4 is located in the vicinity of the upstream portion of the reforming catalyst layer 9, the reforming portion container 44 of the combustion exhaust gas channel 17 adjacent to the water evaporation portion 8 located below the reforming catalyst layer 9. The air flow path 2 to be supplied to the burner 4 is located at a position on the opposite side.

ここで、空気流路2を流れる空気は、燃焼排ガス流路17を流れる燃焼排ガスと熱交換し、空気の予熱が可能となっている。   Here, the air flowing through the air flow path 2 exchanges heat with the combustion exhaust gas flowing through the combustion exhaust gas flow path 17 so that the air can be preheated.

空気の予熱に用いられた熱量は、燃焼排ガスを経由して改質触媒の加熱に再利用されることとなるため、改質触媒を適正な温度分布に維持しつつも、燃焼排ガス流路17の改質触媒層9付近から排出される燃焼排ガスのエネルギーを有効に回収し、水素生成装置自体のエネルギー効率を向上させることができる。   Since the amount of heat used for preheating the air is reused for heating the reforming catalyst via the combustion exhaust gas, the combustion exhaust gas flow path 17 is maintained while maintaining the reforming catalyst in an appropriate temperature distribution. Thus, the energy of the combustion exhaust gas discharged from the vicinity of the reforming catalyst layer 9 can be effectively recovered, and the energy efficiency of the hydrogen generator itself can be improved.

ここで、燃焼排ガスと空気ファン3から供給される空気は、外気温度によって変動し、これによって、変成触媒層10および選択酸化触媒層11の温度は、空気の温度変化による影響を受けるため、変成触媒層10および選択酸化触媒層11の温度は、燃焼排ガスと
空気ファン3から供給される空気と、過度に熱交換が行われないように構成することが好ましいが、このとき、同時に空気の余熱も阻害され、燃焼排ガスのエネルギーを有効に回収することができず、水素生成装置自体のエネルギー効率が低下してしまうという問題がある。
Here, the combustion exhaust gas and the air supplied from the air fan 3 fluctuate depending on the outside air temperature. As a result, the temperatures of the shift catalyst layer 10 and the selective oxidation catalyst layer 11 are affected by the temperature change of the air. The temperature of the catalyst layer 10 and the selective oxidation catalyst layer 11 is preferably configured so that heat exchange between the exhaust gas and the air supplied from the air fan 3 is not performed excessively. There is also a problem that the energy of the combustion exhaust gas cannot be effectively recovered and the energy efficiency of the hydrogen generator itself is lowered.

そこで、本実施の形態では、第1の壁41の空気流路2に対向する側の面の一部で、変成触媒層10および、選択酸化触媒層11付近を含む領域、伝熱抑制部である断熱材5を配置している。   Therefore, in the present embodiment, in a part of the surface of the first wall 41 facing the air flow path 2, the region including the vicinity of the shift catalyst layer 10 and the selective oxidation catalyst layer 11, the heat transfer suppression unit A certain heat insulating material 5 is arranged.

このように構成することで、外気温の変動よって空気ファン3から供給される空気の温度が変動した場合にも、選択酸化触媒層11および変成触媒層10の温度が最適な温度範囲に保たれ、安定して水素を生成することができる。   With this configuration, even when the temperature of the air supplied from the air fan 3 fluctuates due to fluctuations in the outside air temperature, the temperatures of the selective oxidation catalyst layer 11 and the shift catalyst layer 10 are kept in the optimum temperature range. , Can stably generate hydrogen.

また同時に、空気流路2の、変成触媒層10および選択酸化触媒層11付近から離れた領域では、燃焼排ガス流路17を流れる燃焼排ガスと、空気流路2を流れる空気との熱交換が効率よく行われるようになり、空気の予熱によって燃焼排ガスのエネルギーを有効に回収することができ、その結果、水素生成装置のエネルギー効率を向上させることが可能となる。   At the same time, heat exchange between the combustion exhaust gas flowing through the combustion exhaust gas flow channel 17 and the air flowing through the air flow channel 2 is efficient in a region of the air flow channel 2 away from the vicinity of the shift catalyst layer 10 and the selective oxidation catalyst layer 11. As a result, the energy of the combustion exhaust gas can be effectively recovered by preheating the air, and as a result, the energy efficiency of the hydrogen generator can be improved.

(実施の形態4)
次に、本発明の実施の形態4における燃料電池システムについて、図12を用いて説明する。図12は実施の形態4における燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
(Embodiment 4)
Next, the fuel cell system in Embodiment 4 of this invention is demonstrated using FIG. FIG. 12 is a block diagram showing an example of the fuel cell system in the fourth embodiment.

図12に示すように、実施の形態4に係る燃料電池システム500は、水素生成装置100と、水素生成装置100から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池400を備える。   As shown in FIG. 12, a fuel cell system 500 according to Embodiment 4 includes a hydrogen generator 100 and a fuel cell 400 that generates power using a hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generator 100.

水素生成装置100は、これまでに実施の形態1から3で述べたいずれかの水素生成装置である。燃料電池400は、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池であれば、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池など、いずれの燃料電池でも構わない。   The hydrogen generator 100 is any one of the hydrogen generators described in the first to third embodiments so far. The fuel cell 400 may be any fuel cell such as a solid polymer fuel cell and a solid oxide fuel cell as long as it is a fuel cell that generates power using a hydrogen-containing gas.

以上により、小高効率かつ、安定して発電のできる燃料電池システムを得ることができる。   As described above, it is possible to obtain a fuel cell system that is small and highly efficient and can generate power stably.

本発明の水素生成装置は、装置設置の外気温が大きく変化する条件下でも、水素生成装置のエネルギー効率を低下させること無く、極低濃度まで一酸化炭素を低減した高濃度の水素含有ガスを安定して供給することができ、例えば、家庭用の燃料電池システムへの水素含有の生成ガスを供給する装置として有用である。   The hydrogen generator of the present invention is a high-concentration hydrogen-containing gas in which carbon monoxide is reduced to an extremely low concentration without reducing the energy efficiency of the hydrogen generator even under conditions in which the outside air temperature at the installation of the device greatly changes. For example, it is useful as an apparatus for supplying a product gas containing hydrogen to a domestic fuel cell system.

1 燃料ガス供給部
2 空気流路
3 空気ファン
4 バーナ
5 断熱材
6 原料ガス供給部
7 水供給部
8 水蒸発部
9 改質触媒層
10 変成触媒層
11 選択酸化触媒層
12 生成ガス出口
13 排気口
14 改質ガス温度センサ
15 選択酸化空気供給部
17 燃焼排ガス流路
18 断熱材
19 燃料ガス供給管
20 第2の円筒
21 第1の円筒
22 伝熱促進壁
23 誘導部
24 遮熱板
25 第3の円筒
40 第2の壁
41 第1の壁
43 燃焼容器
44 改質部容器
100 水素生成装置
400 燃料電池
500 燃料電池システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel gas supply part 2 Air flow path 3 Air fan 4 Burner 5 Heat insulating material 6 Raw material gas supply part 7 Water supply part 8 Water evaporation part 9 Reforming catalyst layer 10 Shifting catalyst layer 11 Selective oxidation catalyst layer 12 Product gas outlet 13 Exhaust gas Port 14 Reformed gas temperature sensor 15 Selective oxidized air supply unit 17 Combustion exhaust gas flow path 18 Heat insulating material 19 Fuel gas supply pipe 20 Second cylinder 21 First cylinder 22 Heat transfer promoting wall 23 Inducting part 24 Heat shield plate 25 First Three cylinders 40 Second wall 41 First wall 43 Combustion vessel 44 Reformer vessel 100 Hydrogen generator 400 Fuel cell 500 Fuel cell system

Claims (19)

原料ガスと水蒸気とが供給されて水蒸気改質反応により改質ガスを生成する改質触媒層と、
前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去層と、
燃料ガスと燃焼用空気とが供給されて燃焼排ガスを出すバーナと、
前記燃焼用空気の流れ方向とは逆向きに流れる前記燃焼排ガスと前記燃焼用空気とが熱交換可能な様に前記燃焼用空気の流路と前記燃焼排ガスの流路とを仕切る第1の壁と、
前記燃焼排ガスの流れ方向とは逆向きに流れる前記原料ガス及び前記水蒸気と前記燃焼排ガスとが熱交換可能な様に前記燃焼排ガスの流路と前記原料ガス及び前記水蒸気の流路とを仕切る第2の壁と、
前記原料ガス及び前記水蒸気の流れ方向とは逆向きに流れる前記改質ガスと前記原料ガス及び前記水蒸気とが熱交換可能な様に前記原料ガス及び前記水蒸気の流路と前記改質ガスの流路とを仕切る第3の壁と、を備え、
前記改質触媒層が、前記燃焼排ガスと熱交換可能な様に前記原料ガス及び前記水蒸気の流路の下流側に備えられ、
前記一酸化炭素除去層が、前記原料ガス及び前記水蒸気と熱交換可能な様に前記改質ガスの流路の下流側に備えられた、
水素生成装置であって、
前記第3の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分の周辺部に、前記第1の壁と第2の壁とを介した前記燃焼用空気との熱交換性能が、前記第3の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分と、前記第1の壁と第2の壁とを介した前記燃焼用空気との間の熱交換性能よりも、高くなる部分を有するように構成された、
水素生成装置。
A reforming catalyst layer that is supplied with raw material gas and steam to generate reformed gas by a steam reforming reaction;
A carbon monoxide removal layer for removing carbon monoxide contained in the reformed gas;
A burner which is supplied with fuel gas and combustion air and emits combustion exhaust gas;
A first wall that separates the combustion air flow path and the combustion exhaust gas flow path so that heat exchange can be performed between the combustion exhaust gas flowing in a direction opposite to the flow direction of the combustion air and the combustion air. When,
First, the flow path of the combustion exhaust gas and the flow path of the raw material gas and the water vapor are partitioned so that heat exchange is possible between the raw material gas and the water vapor flowing in a direction opposite to the flow direction of the combustion exhaust gas and the combustion exhaust gas. Two walls,
The flow path of the source gas and the steam and the flow of the reformed gas so that the reformed gas flowing in the direction opposite to the flow direction of the source gas and the steam can exchange heat with the source gas and the steam. A third wall that partitions the road,
The reforming catalyst layer is provided on the downstream side of the flow path of the raw material gas and the water vapor so that heat exchange with the combustion exhaust gas is possible,
The carbon monoxide removal layer was provided on the downstream side of the flow path of the reformed gas so that heat exchange with the raw material gas and the water vapor was possible.
A hydrogen generator,
In the periphery of the portion of the third wall facing the carbon monoxide removal layer, heat exchange performance with the combustion air via the first wall and the second wall is the third wall. The wall is configured to have a portion that is higher than the heat exchange performance between the portion facing the carbon monoxide removal layer and the combustion air through the first wall and the second wall. Was
Hydrogen generator.
前記第1の壁を介した前記燃焼用空気の流路から前記燃焼排ガスの流路への伝熱を促進する伝熱促進部を、前記第1の壁において、前記第3の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分と最も熱交換しやすい位置にある部分を含む領域を避けて設けた、
請求項1に記載の水素生成装置。
A heat transfer promoting part for promoting heat transfer from the combustion air flow path to the combustion exhaust gas flow path via the first wall is provided in the first wall, the first wall in the third wall. Provided avoiding the area including the part facing the carbon oxide removal layer and the part that is most easily heat exchanged,
The hydrogen generator according to claim 1.
前記伝熱促進部を、前記第1の壁において、前記第3の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分と最も熱交換しやすい位置にある部分よりも、前記燃焼用空気の流路の上流側または下流側に設けた、
請求項2に記載の水素生成装置。
In the first wall, the heat transfer facilitating portion is more flowable than the portion of the third wall that is most easily exchanged with the portion of the third wall facing the carbon monoxide removal layer. Provided upstream or downstream of
The hydrogen generator according to claim 2.
前記伝熱促進部は、前記第1の壁における前記燃焼用空気と接触する面に近接して設けられる伝熱促進壁と、前記燃焼用空気を前記第1の壁と前記伝熱促進壁との隙間に誘導する誘導部を含む、
請求項2または3に記載の水素生成装置。
The heat transfer promotion part includes a heat transfer promotion wall provided close to a surface of the first wall that contacts the combustion air, the first wall, and the heat transfer promotion wall. Including a guiding part that guides to the gap of
The hydrogen generator according to claim 2 or 3.
前記伝熱促進壁は、前記誘導部を介して前記バーナに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給管に取り付けられる、
請求項4に記載の水素生成装置。
The heat transfer promotion wall is attached to a fuel gas supply pipe that supplies the fuel gas to the burner via the guide portion.
The hydrogen generator according to claim 4.
前記伝熱促進部は、前記第1の壁における前記燃焼用空気と接触する面または前記燃焼排ガスと接触する面の少なくともいずれか一方の表面積を広くするものである、
請求項2または3に記載の水素生成装置。
The heat transfer promoting part widens the surface area of at least one of the surface in contact with the combustion air or the surface in contact with the combustion exhaust gas in the first wall.
The hydrogen generator according to claim 2 or 3.
前記伝熱促進部を、前記一酸化炭素除去層よりも前記燃焼用空気の下流側に設けた、
請求項2から6のいずれか1項に記載の水素生成装置。
The heat transfer promoting part is provided on the downstream side of the combustion air from the carbon monoxide removal layer,
The hydrogen generator according to any one of claims 2 to 6.
前記一酸化炭素除去層は、シフト反応により一酸化炭素を低減する変成触媒層を含み、
前記伝熱促進部を、前記変成触媒層よりも前記燃焼用空気の下流側に設けた、
請求項2から6のいずれか1項に記載の水素生成装置。
The carbon monoxide removal layer includes a shift catalyst layer that reduces carbon monoxide by a shift reaction,
The heat transfer promoting part is provided on the downstream side of the combustion air from the shift catalyst layer,
The hydrogen generator according to any one of claims 2 to 6.
前記一酸化炭素除去層は、前記改質ガスに酸素が含まれる酸化剤を混合して一酸化炭素を取り除く選択酸化触媒層を含み、
前記伝熱促進部を、前記選択酸化触媒層よりも前記燃焼用空気の下流側に設けた、
請求項2から6のいずれか1項に記載の水素生成装置。
The carbon monoxide removal layer includes a selective oxidation catalyst layer that removes carbon monoxide by mixing an oxidant containing oxygen in the reformed gas,
The heat transfer promoting part is provided on the downstream side of the combustion air with respect to the selective oxidation catalyst layer,
The hydrogen generator according to any one of claims 2 to 6.
前記伝熱促進部を、前記改質触媒層よりも前記燃焼用空気の上流側に設けた、
請求項7から9のいずれか1項に記載の水素生成装置。
The heat transfer promotion part is provided on the upstream side of the combustion air with respect to the reforming catalyst layer.
The hydrogen generator according to any one of claims 7 to 9.
前記一酸化炭素除去層が、シフト反応により一酸化炭素を低減する変成触媒層と、前記変成触媒層からの変成ガスに酸素が含まれる酸化剤を混合して一酸化炭素を取り除く選択酸化触媒層とに分かれており、
前記伝熱促進部を、前記変成触媒層よりも前記燃焼用空気の上流側で前記選択酸化触媒層よりも前記燃焼用空気の下流側に設けた、
請求項2から6のいずれか1項に記載の水素生成装置。
The carbon monoxide removal layer includes a shift catalyst layer that reduces carbon monoxide by a shift reaction, and a selective oxidation catalyst layer that removes carbon monoxide by mixing an oxidant containing oxygen in the shift gas from the shift catalyst layer. And is divided into
The heat transfer promoting part is provided on the upstream side of the combustion air with respect to the shift catalyst layer and on the downstream side of the combustion air with respect to the selective oxidation catalyst layer.
The hydrogen generator according to any one of claims 2 to 6.
前記第1の壁を介した前記燃焼用空気の流路から前記燃焼排ガスの流路への伝熱を抑制する伝熱抑制部を、前記第1の壁において、前記第3の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分と最も熱交換しやすい位置にある部分を含む領域に、設けた、
請求項1に記載の水素生成装置。
A heat transfer suppression unit configured to suppress heat transfer from the combustion air flow path to the combustion exhaust gas flow path via the first wall in the first wall; Provided in a region including a portion that is most easily heat exchanged with a portion facing the carbon oxide removal layer,
The hydrogen generator according to claim 1.
前記伝熱抑制部を設ける領域は、前記第1の壁において、前記第3の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分と最も熱交換しやすい位置にある部分よりも前記燃焼用空気の流路の上流側の領域を含む、
請求項12に記載の水素生成装置。
The region where the heat transfer suppression portion is provided is a region where the combustion air is more in the first wall than the portion in the third wall that is most easily heat exchanged with the portion facing the carbon monoxide removal layer. Including the area upstream of the flow path,
The hydrogen generator according to claim 12.
前記伝熱抑制部を、前記第1の壁における前記燃焼用空気の通路と対向する面側に設けた、
請求項12または13に記載の水素生成装置。
The heat transfer suppression portion is provided on the surface side of the first wall facing the combustion air passage.
The hydrogen generator according to claim 12 or 13.
前記伝熱抑制部は、前記第1の壁における前記燃焼用空気の通路と対向する面に設けた断熱材である、
請求項14に記載の水素生成装置。
The heat transfer suppression part is a heat insulating material provided on a surface of the first wall facing the combustion air passage.
The hydrogen generator according to claim 14.
前記伝熱抑制部は、前記第1の壁における前記燃焼用空気の通路と対向する面との間に空気の断熱層を形成する遮熱板である、
請求項14に記載の水素生成装置。
The heat transfer suppression unit is a heat shield plate that forms a heat insulating layer of air between a surface of the first wall facing the combustion air passage.
The hydrogen generator according to claim 14.
最内部に前記バーナを配置し、前記バーナの外側に前記第1の壁を配置し、前記第1の壁の外側に前記第2の壁を配置し、前記第2の壁の外側に前記第3の壁を配置した、
請求項1から16のいずれか1項に記載の水素生成装置。
The burner is disposed in the innermost portion, the first wall is disposed outside the burner, the second wall is disposed outside the first wall, and the second wall is disposed outside the second wall. 3 walls were placed,
The hydrogen generator according to any one of claims 1 to 16.
前記第1の壁と、前記第2の壁と、前記第3の壁とを、前記バーナを中心とする同心円状に、配置した、
請求項17に記載の水素生成装置。
The first wall, the second wall, and the third wall are arranged concentrically around the burner.
The hydrogen generator according to claim 17.
請求項1から18のいずれか1項に記載の水素生成装置と、酸素を含む酸化ガスと前記水素生成装置から供給される生成ガスを用いて発電する燃料電池を備えた、燃料電池システム。   A fuel cell system comprising: the hydrogen generator according to any one of claims 1 to 18; and a fuel cell that generates electric power using an oxidizing gas containing oxygen and a product gas supplied from the hydrogen generator.
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