JP4620947B2 - Auto-oxidation internally heated steam reforming system - Google Patents
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Description
本発明は、原料ガスを水蒸気と酸素の存在下に自己酸化および改質を行って水素リッチな改質ガスを生成するように構成した自己酸化内部加熱型水蒸気改質システムに関する。 The present invention relates to a self-oxidation internal heating steam reforming system configured to generate a hydrogen-rich reformed gas by subjecting a raw material gas to auto-oxidation and reforming in the presence of steam and oxygen.
メタン等の炭化水素、メタノール等の脂肪族アルコール類、或いはジメチルエーテル等のエーテル類などの原料ガスと水蒸気の混合物(以下、原料−水蒸気混合物という)を水蒸気改質触媒の存在下に水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを生成するシステムが従来から知られている。 Steam reforming a mixture of raw material gas such as hydrocarbons such as methane, aliphatic alcohols such as methanol, or ethers such as dimethyl ether and steam (hereinafter referred to as raw material-steam mixture) in the presence of a steam reforming catalyst. Systems for generating hydrogen-rich reformed gas have been conventionally known.
改質システムで得られる水素リッチな改質ガスは燃料電池の燃料として好適に利用される。改質システムの主要な構成要素である改質反応器は、水蒸気改質反応に必要な熱量の供給形態から分類すると外部加熱型と内部加熱型がある。なお、メタンを原料ガスとして使用した場合の水蒸気改質の反応式はCH4 +2H2 O→CO2 +4H2 で示すことができ、好ましい改質反応温度は700〜750℃の範囲である。 The hydrogen-rich reformed gas obtained by the reforming system is suitably used as fuel for the fuel cell. The reforming reactor, which is a main component of the reforming system, is classified into an external heating type and an internal heating type when classified from the supply form of the amount of heat necessary for the steam reforming reaction. In addition, the reaction formula of steam reforming when methane is used as a raw material gas can be expressed as CH 4 + 2H 2 O → CO 2 + 4H 2 , and a preferable reforming reaction temperature is in the range of 700 to 750 ° C.
前者の外部加熱型は、バーナー等で発生した燃焼ガスで改質反応装置の壁面を外部から加熱し、その壁を通して内部の反応室に改質反応に必要な熱を供給するものである。内部加熱型は上記外部加熱型を改良したものであり、改質反応装置における原料−水蒸気混合物の供給側(上流側)に部分酸化触媒層を装備し、該部分酸化触媒層で発生した熱を用いて下流側に配備した水蒸気改質触媒層を水蒸気改質反応温度まで加熱する。 The former external heating type heats the wall surface of the reforming reaction apparatus from the outside with combustion gas generated by a burner or the like, and supplies heat necessary for the reforming reaction to the internal reaction chamber through the wall. The internal heating type is an improvement of the external heating type described above, and is equipped with a partial oxidation catalyst layer on the supply side (upstream side) of the raw material-steam mixture in the reforming reaction apparatus, and the heat generated in the partial oxidation catalyst layer is The steam reforming catalyst layer disposed on the downstream side is heated to the steam reforming reaction temperature.
そして加熱された水蒸気改質触媒層で原料ガスと水蒸気を反応させて水素リッチな改質ガスを生成するように構成している。
なお、部分酸化反応はCH4 +1/2 O2 →CO+2H2 で示すことができ、好ましい部分酸化反応の温度は250℃以上の範囲である。
The heated steam reforming catalyst layer is configured to react the raw material gas and steam to generate a hydrogen-rich reformed gas.
The partial oxidation reaction can be represented by CH 4 +1/2 O 2 → CO + 2H 2 , and the preferred partial oxidation reaction temperature is in the range of 250 ° C. or higher.
しかし、従来の外部加熱型および内部加熱型における改質反応装置は、加熱部の温度が700℃程度の改質温度レベルよりも高温、たとえば1000℃にもなるため、放熱によるエネルギー損失が大きく、装置を構成する部材に高温劣化を生じ、寿命が短いという問題があった。 However, in the conventional reforming reaction apparatus in the external heating type and the internal heating type, since the temperature of the heating unit is higher than the reforming temperature level of about 700 ° C., for example, 1000 ° C., energy loss due to heat dissipation is large, There was a problem that high temperature deterioration occurred in the members constituting the apparatus and the life was short.
前記内部加熱型の改良型として自己酸化内部加熱型の改質装置が特許文献1に提案されている。従来から酸素存在下では水蒸気改質触媒の機能が阻害されるとされていたが、該公報に提案された従来技術では、酸化触媒を共存させることにより該問題を解決し、酸素の存在下でも水蒸気改質触媒の本来の機能を有効に維持させることを可能としている。 As an improved version of the internal heating type, a self-oxidation internal heating type reformer is proposed in Patent Document 1. Conventionally, the function of the steam reforming catalyst has been impeded in the presence of oxygen, but the conventional technology proposed in this publication solves this problem by coexisting an oxidation catalyst, and even in the presence of oxygen. It is possible to effectively maintain the original function of the steam reforming catalyst.
特許文献1に提案された改良技術では、酸化反応による発熱と水蒸気改質反応をそれぞれ酸化触媒と水蒸気改質触媒を混合した混合触媒層で同時並行的に行っている。すなわち、酸化による発熱層と水蒸気改質による吸熱反応層を共存させることにより、発熱部の温度と吸熱部の温度を同等に維持することが可能となる。また触媒層等の構成部材の温度を所定の改質反応温度以下、例えば700℃近傍に抑制でき、それによって構成部材の寿命を増加できる。また、改質装置内部の熱を有効に回収する機能を併せ持っているので高い改質効率が得られる。 In the improved technique proposed in Patent Document 1, the heat generated by the oxidation reaction and the steam reforming reaction are simultaneously performed in a mixed catalyst layer in which an oxidation catalyst and a steam reforming catalyst are mixed. That is, the coexistence of the exothermic layer due to oxidation and the endothermic reaction layer due to steam reforming makes it possible to keep the temperature of the exothermic part and the temperature of the endothermic part equal. Further, the temperature of the constituent member such as the catalyst layer can be suppressed to a predetermined reforming reaction temperature or lower, for example, in the vicinity of 700 ° C., thereby increasing the life of the constituent member. Moreover, since it has the function to collect | recover the heat | fever inside a reformer effectively, high reforming efficiency is obtained.
上記従来技術の自己酸化内部加熱型の改質装置では、水供給ポンプから供給される水を冷却器で改質ガスと熱交換して昇温し、さらに改質反応装置で熱交換して水蒸気を発生させる。そしてその水蒸気を混合器で原料ガスと混合している。 In the above-described prior art self-oxidation internal heating type reformer, water supplied from a water supply pump is heated with a reformer by heat exchange with a reformed gas, and further heat exchanged with a reforming reactor to produce steam. Is generated. The steam is mixed with the raw material gas in a mixer.
しかし水を改質ガスなどと熱交換して水蒸気を発生させる方式では、水蒸気の発生量が改質ガスの流量や温度により左右され、必要な量を正確に制御することが困難である。さらに、改質反応装置に比較的寸法が大きくなる蒸気発生用の熱交換部を設けるにはスペース的な困難性が伴い、装置構成が複雑化するという問題もある。さらに、改質装置で生成した水素リッチな改質ガスは前記のように燃料電池用の燃料として利用できるが、上記従来技術の構成では燃料電池のアノード排ガスを水蒸気発生用の燃料として再利用できない。 However, in a system in which water is heat-exchanged with reformed gas to generate steam, the amount of steam generated depends on the flow rate and temperature of the reformed gas, and it is difficult to accurately control the required amount. Furthermore, it is difficult to provide a heat exchange section for generating steam with relatively large dimensions in the reforming reaction apparatus, and there is a problem that the apparatus configuration becomes complicated. Further, as described above, the hydrogen-rich reformed gas generated by the reformer can be used as fuel for the fuel cell. However, in the configuration of the above prior art, the anode exhaust gas of the fuel cell cannot be reused as fuel for generating steam. .
そこで本発明は、上記従来技術に開示された自己酸化内部加熱型の改質装置の問題を解決することを課題とし、そのための新しい自己酸化内部加熱型水蒸気改質システムを提供することを目的とする。さらに本発明は生成する改質ガスを燃料電池に供給する場合、燃料電池から排出する水素を含有するアノード排ガスを改質の原料ガスとしてリサイクルするシステムを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the problem of the self-oxidation internal heating type reformer disclosed in the above-mentioned prior art, and an object thereof is to provide a new self-oxidation internal heating type steam reforming system. To do. It is another object of the present invention to provide a system for recycling anode exhaust gas containing hydrogen discharged from a fuel cell as a reforming raw material gas when the reformed gas to be produced is supplied to the fuel cell.
前記課題を解決する本発明は、原料ガスを酸素の存在下に自己酸化し水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成するように構成した自己酸化内部加熱型水蒸気改質システムにおいて、
原料ガスと水蒸気発生手段2により発生した水蒸気を混合して原料−水蒸気混合物を得る混合手段123と、
原料−水蒸気混合物に含まれる原料ガスを外部から供給する酸素含有ガスで酸化し、酸化による反応熱で原料ガスの水蒸気改質を行って水素リッチな改質ガスを生成する改質手段1を備え、
前記改質ガスは燃料電池300に供給され、
燃料電池300から排出するアノード排ガスの少なくとも一部を前記原料ガスとして改質手段1に供給するリサイクル手段122を設け、
前記水蒸気発生手段2は燃焼用の空気と燃料を混合して得られた空気−燃料混合物を燃焼する燃焼部2aを含み、前記燃料として前記アノード排ガスの少なくとも一部を水蒸気発生手段2の燃焼部2aに供給するように構成し、
前記水蒸気発生手段2で発生する水蒸気に余剰が生じたとき、その余剰分を低減するように前記燃焼部2aへのアノード排ガスの供給量を減少し、前記混合手段123へのアノード排ガスの供給量を増加する制御を行う制御手段14を設けたことを特徴とする自己酸化内部加熱型水蒸気改質システムである(請求項1)。
The present invention that solves the above-mentioned problem is a self-oxidation internal heating steam reforming system configured to generate a hydrogen-rich reformed gas by auto-oxidizing the raw material gas in the presence of oxygen and steam reforming,
Mixing means 123 for mixing the raw material gas and the water vapor generated by the water vapor generating means 2 to obtain a raw material-water vapor mixture;
A reforming means 1 is provided that oxidizes a source gas contained in a source-steam mixture with an oxygen-containing gas supplied from the outside and generates a hydrogen-rich reformed gas by performing steam reforming of the source gas with reaction heat due to oxidation. ,
The reformed gas is supplied to the
Recycling means 122 for supplying at least part of the anode exhaust gas discharged from the
The steam generating means 2 includes a
When surplus is generated in the water vapor generated by the water vapor generating means 2, the supply amount of the anode exhaust gas to the
上記システムにおいて、前記混合手段123は水蒸気流中に原料ガスを吸引して原料−水蒸気混合物を得る第1の吸引混合手段4により構成され、その第1の吸引混合手段4に前記アノード排ガスが吸引されるように構成できる(請求項2)。 In the above system, the mixing means 123 includes first suction mixing means 4 that sucks a raw material gas into a steam flow to obtain a raw material-water vapor mixture, and the anode exhaust gas is sucked into the first suction mixing means 4. (Claim 2).
上記システムにおいて、前記空気−燃料混合物を得るため、燃焼用の空気中に燃料を吸引する第2の吸引手段6を設けることができる(請求項3)。 In the above system, the air - to obtain a fuel mixture can be provided with second suction means 6 for sucking fuel into air for combustion (claim 3).
上記システムにおいて、水蒸気発生手段で発生する水蒸気の圧力を検出する圧力検出手段41を設け、その検出圧力が予め設定された値より上昇したとき、その上昇値を水蒸気の余剰分として制御手段14に入力し、制御手段14は検出圧力が前記設定値になるように前記燃焼部2aへのアノード排ガスの供給量を減少し、前記混合手段へのアノード排ガスの供給量を増加するように制御するように構成できる(請求項4)。
In the above system, the pressure detecting means 41 for detecting the pressure of the water vapor generated by the water vapor generating means is provided, and when the detected pressure rises from a preset value, the increased value is used as the surplus water vapor in the control means 14. type, control means 14 so that the detected pressure decreases the supply amount of the anode exhaust gas into the
本発明の改質システムは、アノード排ガスのリサイクル手段122を設けているので余剰のアノード排ガスを原料として有効活用できる。またアノード排ガス中のN2 、CO2 により改質ガス中の水素濃度が薄められて、メタン等の水素転化率を高めることができる。さらに燃料電池本体に必要以上の水素量を供給することが可能になるので、燃料電池内を流れる改質ガスの流速を高めることができる。燃料電池内の流速が高くなると該部分に生成する水滴を吹き飛ばして電極に水幕が形成されて発電効率が低下することを防止できる。
そして、前記水蒸気発生手段2の燃焼部2aに燃料として前記アノード排ガスの少なくとも一部を供給するように構成したので、アノード排ガスの有効利用と共に含まれている水素等により水蒸気を高効率で発生でき、システムのコンパクト化を達成できる。
さらに、余剰水蒸気が発生したとき、前記燃焼部2aへのアノード排ガスの供給量を減少し、前記混合手段123へのアノード排ガスの供給量を増加する制御を行う制御手段14を設けたので、余剰水蒸気の有効利用形態を負荷状況に応じて最適に且つ自動的に変化でき、それによってシステムを高いエネルギー効率で連続運転することができる。
Since the reforming system of the present invention is provided with the anode exhaust gas recycling means 122, the surplus anode exhaust gas can be effectively used as a raw material. Further, the hydrogen concentration in the reformed gas is reduced by N 2 and CO 2 in the anode exhaust gas, and the hydrogen conversion rate of methane and the like can be increased. Furthermore, since it becomes possible to supply more hydrogen than necessary to the fuel cell body, the flow rate of the reformed gas flowing in the fuel cell can be increased. When the flow velocity in the fuel cell is increased, it is possible to prevent water droplets generated at the portion from being blown off and a water curtain to be formed on the electrode, thereby reducing power generation efficiency.
And, since at least a part of the anode exhaust gas is supplied as fuel to the
Further, when surplus water vapor is generated, the control means 14 is provided for performing control for reducing the supply amount of the anode exhaust gas to the
上記システムにおいて、混合手段123として第1の吸引混合手段4を用いると、共通の第1の吸引混合手段4で他の原料とアノード排ガスを同時に水蒸気と混合できる。またデイ1の吸引混合手段4への原料系の切り換えにより、他の原料とアノード排ガスを選択的に水蒸気と混合することもできる。さらに特別な動力装置を用いなくても、容易にアノード排ガスと水蒸気の混合物を得ることができる。さらに原料系統の圧力が極めて低くなるので、配管継ぎ目等から他の原料ガスやアノード排ガスが外部に漏洩する恐れも少ない。
In the above system, when the first
また水蒸気発生手段2に供給する空気−燃料混合物を得るため、燃焼用の空気中に燃料を吸引する第2の吸引手段6を設けると、特別な動力装置を用いることなく空気−燃料(アノード排ガス)混合物を高い混合効率および均一な混合形態で得られる。さらに燃料系統の圧力が極めて低くなるので、配管継ぎ目等から燃料が外部に漏洩する恐れも少ない。 Further, in order to obtain an air-fuel mixture to be supplied to the water vapor generating means 2, if the second suction means 6 for sucking the fuel into the combustion air is provided, the air-fuel (anode exhaust gas) can be used without using a special power unit. ) The mixture is obtained with high mixing efficiency and uniform mixing form. Furthermore, since the pressure of the fuel system becomes extremely low, there is little risk of fuel leaking outside from a pipe joint or the like.
上記システムにおいて、水蒸気発生手段で発生する水蒸気の圧力を検出して余剰水蒸気量を制御するように構成すると、余剰水蒸気量の検出を測定精度の高い圧力検出手段で行えるので、高精度で信頼性の高い制御を行うことができる。 In the above-described system, if the excess water vapor amount is controlled by detecting the pressure of the water vapor generated by the water vapor generation means, the excess water vapor amount can be detected by the pressure detection means with high measurement accuracy, so that the accuracy and reliability are high. High control can be performed.
次に図面により本発明の最良の実施形態を説明する。図1は自己酸化内部加熱型水蒸気改質システムの基本構成を示すプロセスフロー図である。図1において、80は自己酸化内部加熱型水蒸気改質システムのパッケージ構造を示し、周辺機器との取り合いインターフェース条件を満足するように設計される。すなわち、各システムを構成する機器をユニットとして、共通の架台、ラック、容器またはケースにボルト等の締結具を利用して着脱自在に取り付け、さらに、機器相互をコンパクトに配置して相互間の配管を短くし、放熱損失を極力減少するように構成される。
Next, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a process flow diagram showing the basic configuration of a self-oxidation internal heating steam reforming system. In FIG. 1,
水蒸気発生手段2は燃焼部2aと第2の吸引手段6を備えており、燃焼部2aには第2の吸引混合手段6から供給される空気−燃料混合物を燃焼するバーナー(図示せず)が設けられる。また水蒸気発生手段2には水タンク10から水または純水を供給する配管108と、第1の吸引混合手段4へ水蒸気を供給する配管109が接続される。配管108には遠隔操作可能な流量調整弁32(例えば空気圧式、油圧式または電動式などで駆動される調整弁、以下他の流量調整弁も同様である。)が設けられ、配管109には流量調整弁39が設けられる。
The water vapor generating means 2 includes a
さらに水蒸気発生手段2には水貯留部(水ドラム)の水位を検出する水位検出手段40と、水貯留部で発生する水蒸気の圧力を検出する圧力検出手段41が設けられ、それらの検出値に比例する電気信号(検出信号)が制御手段14にそれぞれ入力される。 Further, the water vapor generation means 2 is provided with a water level detection means 40 for detecting the water level of the water storage part (water drum) and a pressure detection means 41 for detecting the pressure of the water vapor generated in the water storage part. Proportional electrical signals (detection signals) are respectively input to the control means 14.
制御手段14は水位検出手段40や圧力検出手段41の検出値、または他の操作盤等から操作指令を受けて各流量調整弁などを制御する。この制御手段14は例えばコンピュータ装置により構成される。コンピュータ装置は、種々の制御動作を行うCPU(中央演算装置)、オペレーションシステム(OS)や制御プログラムを格納したROMやRAM等の記憶部、キーボードやマウス、もしくは操作盤などの入力部などにより構成され、さらに必要に応じてディスプレーやプリンタ等が附加される。なお制御手段14を本システムが収容されるパッケージ構造80から離れた場所に設置し、通信回線を利用して前記流量調整弁等を制御することもできる。
The control means 14 controls each flow rate adjusting valve or the like in response to an operation command from the detection value of the water level detection means 40 or the pressure detection means 41 or another operation panel. The control means 14 is constituted by a computer device, for example. The computer device includes a CPU (Central Processing Unit) that performs various control operations, an operating system (OS), a storage unit such as a ROM or RAM that stores a control program, an input unit such as a keyboard or mouse, or an operation panel. Further, a display, a printer, etc. are added if necessary. The control means 14 may be installed at a location away from the
燃焼部2aには燃焼排ガスを排出する配管113が接続され、その配管113は熱交換手段13を経て配管114に連通し、その配管114の先端部は外部に開口する。熱交換手段13には燃料電池のアノード排ガス等のガス燃料や液体燃料を供給する配管101aが接続され、配管101aは熱交換手段13を経て配管101に連通し、その配管101の先端部は第2の吸引混合手段6に接続される。
A
燃焼部2aにはさらに配管112が接続される。配管112は流量調整弁34を介して加圧空気供給系7から延長する配管102に連通する。配管112から供給される空気は燃焼部2aの運転開始時などにおけるパージ用および/または燃焼部2aの燃焼温度調整用の空気として利用される。すなわち運転開始信号により、制御手段14から流量調整弁34を開ける制御信号が設定された時間だけ出力され、それによって燃焼部2a内部がパージされる。また、燃焼部2aの燃焼温度が所定以下になるように予め設定せれた量の空気が供給される。
A
貯留タンクを有する原料供給系8から延長する原料ガス供給用の配管111は脱硫手段9の入口側に接続され、脱硫手段9の出口側には脱硫された原料ガスが流出する配管103が接続される。配管103には遠隔操作可能な流量調整弁31が設けられ、流量調整弁31の下流側は前記熱交換手段13を経て配管108aに連通し、配管108aの先端部は第1の吸引混合手段4に接続される。なお図示の熱交換手段13は3流体式の熱交換器を使用しているが、燃焼排ガスの熱交換配管を有する2流体式の熱交換器を2基使用することもできる。
A raw material
また、前記第2の吸引混合手段6には、燃焼用の空気を供給する配管102bが接続され、その配管102bは後述する熱交換手段12を経て配管102aに連通する。配管102aには遠隔操作可能な流量調整弁37が設けられ、配管102aの先端部は空気圧縮機などを備えた加圧空気供給系7に連通する。また配管101aには原料ガス供給用の配管111から分岐した配管111aが接続され、その配管111aには遠隔操作可能な流量調整手段33aが設けられる。
A
改質手段1には第1の吸引混合手段4からの原料−水蒸気混合物を供給する配管104と、加圧空気などの加圧された酸素含有気体を供給する配管102dが接続される。配管102dは熱交換手段12を経て遠隔操作可能な流量調整弁36を設けた配管102cに連通し、配管102cの先端部は前記加圧空気供給系7に接続される。
The reforming means 1 is connected to a
さらに改質手段1には改質ガス排出用の配管105が接続され、配管105は熱交換手段12を経て配管106に接続され、配管106の先端部は酸化用の空気を混合する混合手段5に接続される。混合手段5の出口側はCO低減手段3に連結され、その出口側の配管107は燃料電池300などの負荷設備に接続される。なおCO低減手段の酸化触媒としては、例えばPt,Pd等の貴金属触をセラミック粒子に担持したペレットタイプのものや、金属ハニカム構造体或いはセラミックハニカム構造体にPt,Pd等の貴金属触を担持したものを使用できる。
Further, a reforming
前記混合手段5には遠隔操作可能な流量調整弁38を設けた加圧空気供給用の配管110が接続され、配管110の先端部は前記加圧空気供給系7に接続される。なお本例では第2の熱交換手段12として3流体熱交換器を使用しているが、改質ガスの熱交換配管を有する2流体熱交換器を2基使用することもできる。
The mixing means 5 is connected to a pressurized
後述するように、改質手段1には第1の反応室61aと第2の反応室62a(図3参照)が配置され、第2の反応室62aに収容された混合触媒層72aの温度を検出する温度検出手段42が設けられる。なお、温度検出手段42の検出信号は制御手段14に入力する。
As will be described later, the reforming means 1 is provided with a
図2に示すように、第1の吸引混合手段4と第2の吸引混合手段6は、容量などが異なるだけでいずれも同じ原理のエジェクタ20で構成される。エジェクタ20は固定部21と、固定部21から延長する内部ノズル構造体22および外部ノズル構造体23を備え、外部ノズル構造体23に開口部24,25および絞り部26が設けられる。
As shown in FIG. 2, the first
次に、第1の吸引混合手段4の場合を例にその作用を説明する。内部ノズル構造体22に主流体である蒸気流を矢印のように供給したとき、蒸気流のベンチュリー効果により空間部26部分が減圧状態になる。そして開口部24から副流体である原料ガスを矢印のように供給すると、原料ガスは吸引され蒸気流と均一に混合して開口部25から噴出する。従って、原料ガスは特別な動力装置を用いなくても水蒸気と均一に混合され、均質な原料−水蒸気混合物が得られる。
Next, the operation of the first
第2の吸引混合手段6の場合は、主流体である空気を内部ノズル構造体22に供給し、副流体である燃料ガスを開口部24から供給することにより、燃料ガスは特別な動力装置を用いなくても空気と均一に混合する。なお、前記混合手段5も図2のようなエジェクタ20により構成できる。その場合は改質ガスが主流体になり、加圧空気を吸引して混合する。
In the case of the second suction and mixing means 6, air as a main fluid is supplied to the
図3は図1に示した改質手段1の具体的構成を示す図であり、(a)はその縦断面図、(b)は(a)のB−B断面図、(c)は(a)のC−C断面図である。改質手段1は横断面外周が方形の縦長の外筒61と、その内部に所定間隔で配置された横断面外周が矩形の縦長の2つの内筒62を備えている。外筒61の上下両端は閉塞され、内筒62の上下両端は開放され、その下端縁が外筒61の底面にaで固定され、その内筒62の底部を構成する。その底部には孔が設けられている。
外筒61の内壁面と内筒62の外壁面と間の空間部に第1反応室61aが形成され、内筒62の内部に第2反応室62aが形成される。内筒62の側壁は耐食性を有し且つ伝熱性の良いステンレス等の金属で作られており、そのため第1反応室61aと第2反応室62aは良好な伝熱性の隔壁62bで仕切られた状態になっている。
FIG. 3 is a view showing a specific configuration of the reforming means 1 shown in FIG. 1, (a) is a longitudinal sectional view thereof, (b) is a sectional view taken along line BB of (a), and (c) is ( It is CC sectional drawing of a). The reforming means 1 includes a vertically long
A
第1反応室61aの一方の端部(図3の下側)に原料−水蒸気混合物を供給する原料供給部68が設けられ、他方の端部(図3の上側)に排出部68aが設けられる。また第1反応室61aの内部には排出部68a側から順に多数の微小な貫通部を有する支持板73a,73c,73eが設けられ、支持板73aと73cの間に水蒸気改質触媒層71aが充填され、支持板73cと73eの間に伝熱粒子層71bが充填されている。
A raw
第2反応室62aの一方の端部(図3の上側)に第1反応室61aの排出部68aと連通する原料供給部69aが設けられると共に、その原料供給部69aに空気などの酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入部63のマニホールド64,65が連通する。また第2反応室62aの他方の端部(図3の下側)にマニホールド65を有する排出部69が設けられる。
A raw
さらに、第2反応室62aの内部には原料供給部69a側から順に多数の微小な貫通部を有する支持板73a,73b,73c,73d,73eが設けられる。なお、図示の例では第1反応室61aに設ける支持板73a,73cは第2反応室62aに設ける支持板73a,73cと同じ高さになっているが、両者を互いに異なる高さで設けることもできる。
Furthermore,
第2反応室62aの支持板73aと73bの間に水蒸気改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層72aが充填され、支持板73bと73cの間に伝熱粒子層72bが充填され、支持板73cと73dの間に高温シフト触媒層72cが充填され、支持板73dと73eの間に低温シフト触媒層72dが充填される。
The
そして高温シフト触媒層72cと低温シフト触媒層72dの両層でシフト触媒層72e が構成される。なお第2の反応室62aに配置した支持板73aと73bの間に存在する周囲壁は断熱壁70とされ、酸化触媒による酸化反応熱が第1の反応室61aに逃げることを防止している。
The
第1の反応室61aに充填する水蒸気改質触媒層71aは、原料ガスを水蒸気改質する触媒層であり、例えば特開2001−192201号公報に開示されている改質反応触媒と同様なもので構成できるが、その中でもNiS−SiO2 ・Al2O3 などのNi系改質反応触媒が望ましい。またWS2 −SiO2 ・Al2O3 やNiS−WS2 ・SiO2 ・Al2O3 などの改質反応触媒も使用できる。さらに、必要により公知の貴金属触媒を使用することもできる。
The steam reforming
混合触媒層72aを構成する主要成分である水蒸気改質触媒は、前記第1の反応室61aに充填する水蒸気改質触媒と同様なものを使用できる。この水蒸気改質触媒の使用量は、原料−水蒸気混合物が混合触媒層72aを通過する間に水蒸気改質反応が完了するに十分な値とされるが、その値は使用する原料ガスの種類により変化するので、最適な範囲を実験等により決定する。
As the steam reforming catalyst which is the main component constituting the
混合触媒層72aに均一に分散される酸化触媒は原料−水蒸気混合物中の原料ガスを酸化発熱させて水蒸気改質反応に必要な温度に昇温するものであり、例えば白金(Pt)やパラジウム(Pd)を使用することができる。水蒸気改質触媒に対する酸化触媒の混合割合は、水蒸気改質すべき原料ガスの種類に応じて1〜5%程度の範囲で選択する。例えば原料ガスとしてメタンを使用する場合は3%±2%程度、メタノールの場合は2%±1%程度の混合割合とすることが望ましい。また、同一の担持体上に酸化触媒と水蒸気改質触媒を同時に担持させた触媒を使用することもできる。
The oxidation catalyst uniformly dispersed in the
第1反応室61aの伝熱粒子層71bと第2反応室62aの伝熱粒子層72bは、隔壁62bを介して第2反応室62aの熱エネルギーを効率よく第1反応室61aに伝達するために設けられる。すなわち第2反応室62aに充填する伝熱粒子層72bは、混合触媒層72aからの高温流出物の熱エネルギーで第1反応室61aに充填する水蒸気改質触媒層71a部分を加熱し、第1反応室61aに充填する伝熱粒子層71bは、発熱反応部であるシフト触媒層72e からの熱エネルギーで原料供給部68から流入する原料−水蒸気混合物を加熱し、それら両方の熱エネルギー伝達により第1反応室61aの水蒸気改質触媒層71a部分における温度を水蒸気改質反応温度まで昇温する。なおこれら伝熱粒子層71bと伝熱粒子層72bを構成する伝熱粒子は、例えばアルミナ或いは炭化珪素等のセラミック粒子または金属ハニカム体構造で構成できる。また、伝熱粒子層72bは場合により設けなくてもよい。
The heat
高温シフト触媒層72cと低温シフト触媒層72dの両層により構成されるシフト触媒層72e は、改質ガス中に含まれる一酸化炭素を酸化して水素を生成するものである。すなわち、改質ガスに残存する水蒸気と一酸化炭素の混合物をシフト触媒の存在下に水素と炭酸ガスにシフト変換して水素を発生させ、改質ガス中の水素濃度をより高くし、一酸化炭素濃度をそれに応じて低くする。高温シフト触媒層72cと低温シフト触媒層72dの間に伝熱粒子層を設けてもよい。
The
高温シフト触媒層72cや低温シフト触媒層72dを形成するシフト触媒としては、CuO−ZnO2 、Fe2 O3 、Fe3 O4 または酸化銅の混合物等を使用することができる。しかし700℃以上で反応を行う場合にはCr2 O3 を使用することが望ましい。但し、場合によりシフト触媒として公知の貴金属を使うこともできる。
As a shift catalyst for forming the high temperature
前記複数の隔壁62bは、前記原料供給部68および前記排出部69側の端部がa部分で互いに連結されて固定端となっており、それと反対側の端部は互いに連結されずに自由端になっている。そのため改質反応によって高温状態となる第1反応室61aと第2反応室62a間に熱膨張差が生じたとき、特に第2反応室62aの熱膨張が多い場合、その熱膨張による第2反応室62aの伸張を前記自由端により吸収して歪みが発生することを防止できる。
In the plurality of
次に図1の自己酸化加熱型水蒸気改質システムにより原料ガスの水蒸気改質を行う方法について説明する。 Next, a method for performing steam reforming of the raw material gas by the self-oxidation heating steam reforming system of FIG. 1 will be described.
(水蒸気発生操作)
最初に加圧空気供給系7を起動しておき、システムへ加圧空気を供給すると共に制御手段14を起動状態としておく。次に水蒸気発生手段2を運転する。蒸気発生手段2の水貯留部(水ドラム)の水位は水位検出手段40で検出され、その検出値が予め設定された値より少ないときには、制御手段14から流量調整弁32を開ける制御信号が出力され、水貯留部の水位を常に所定範囲に維持する。
(Water vapor generation operation)
First, the pressurized
制御装置14は水蒸気発生手段2の燃焼部2aのバーナーを起動する制御信号を出力すると共に、さらに流量調整弁37,33(または33a)を制御して燃焼部2aへ所定流量の燃料−空気混合物を供給する。すなわち、制御手段14は圧力検出器41からの水蒸気圧力検出値が予め設定された値になるように、第2の吸引混合手段6へ加圧空気を流す配管102bの流量調整弁37を制御する。
The
制御された空気流が第2の吸引混合手段6に流入すると、その流量に対して所定割合で燃料が吸引して両者が均一に混合される。そのため燃料供給系統に特別な動力装置等の昇圧手段を設ける必要がない上に、均一混合により燃焼部2a内部では局部的に高温になる領域がなくなり、良好な燃焼進行によってNOxの発生は低く抑えられ、環境にやさしい燃焼排ガスを排出することができる。
When the controlled air flow flows into the second suction mixing means 6, the fuel is sucked at a predetermined rate with respect to the flow rate, and both are uniformly mixed. Therefore, it is not necessary to provide a boosting means such as a special power unit in the fuel supply system, and there is no region where the temperature is locally high in the
第2の吸引混合手段6を使用する場合には、制御手段14は燃料の最大許容流量が設定できるように流量調整弁33の弁開度を制御すればよいが、流量調整弁33の弁開度を空気流量にほぼ比例するように制御することもできる。また第1の吸引混合手段6に供給される加圧空気の圧力は常圧より僅かに高い値、例えば0.02MPa程度に設定することにより、第2の吸引混合手段6に燃料ガスを吸引できるレベルの負圧を発生させることができる。
When the second
流量調整弁33を開けることにより、配管101aから燃料電池のアノード排ガス、都市ガス、プロパンガス、天然ガスなどのガス燃料、または灯油などの液体燃料が第2の吸引混合手段6に供給される。また、流量調整弁33aを開けることにより配管111からメタン,エタン,プロパン等の炭化水素、メタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル等のエーテル類または残水素を含む燃料電池のアノード排ガスなどの原料ガスをガス燃料として第2の吸引混合手段6に供給することもできる。
By opening the flow
この流量調整弁33と33aの選択は、例えば制御手段14への燃料選択指令により行うことができる。また必要により両者を同時に調整することもできる。燃焼部2aからの燃焼排ガスは配管113から熱交換手段13に供給され、そこで冷やされてから配管114により外部に排出される。一方、配管101aまたは111から供給される燃料は熱交換手段13で加熱されてから第2の吸引混合手段6に供給される。
The selection of the flow
(原料−水蒸気混合操作)
水蒸気発生手段2で発生した水蒸気は、流量調整弁39やオリフィス等の流量制限器で流量調整されて第1の吸引混合手段4に供給されるが、その流量調整は制御手段14からの制御信号で行われる。すなわち制御手段14に設けた入力手段から改質手段1への原料供給流量の設定値を入力すると、制御手段14は流量調整弁39に所定の弁開度を維持する制御信号を出力する。流量調整弁39の弁開度の調整のかわりに、複数の流量のことなるオリフィスと切替弁とで、適宜な流量の調整を行うこともできる。
好適な原料ガスと水蒸気の混合割合は、原料ガスに含まれている炭素Cを基準に表示すると、例えば炭化水素の場合はH2 O/C=2.5〜3.5の範囲が好ましく、脂肪族アルコールの場合はH2 O/C=2〜3の範囲が好ましい。
(Raw material-steam mixing operation)
The water vapor generated by the water vapor generating means 2 is flow-adjusted by a flow restrictor such as a
A suitable mixing ratio of the raw material gas and water vapor is based on the carbon C contained in the raw material gas, for example, in the case of hydrocarbon, a range of H 2 O / C = 2.5 to 3.5 is preferable, In the case of an aliphatic alcohol, a range of H 2 O / C = 2 to 3 is preferable.
第1の吸引混合手段4には前記のように水蒸気流量に対して所定割合のメタン,エタン,プロパン等の炭化水素、メタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル等のエーテル類または残水素を含む燃料電池のアノード排ガス、さらには都市ガス、プロパンガス、天然ガスなどの原料ガスが配管109から吸引される。そして第1の吸引混合手段4から均一な原料−水蒸気混合物が流出して改質手段1に供給される。このように原料ガスは第1の吸入混合手段4において水蒸気流の吸引力により自動的に吸引されるので、原料ガス系統に特別な動力手段等の昇圧手段を設ける必要はない。
As described above, the first
なお原料供給系8から供給される原料ガスは、配管111、脱硫手段9、流量調整弁31および第1の熱交換手段13を経て配管108aに流入する。そして原料ガスは制御手段14からの制御信号により所定開度に維持された流量調整弁31でその最大許容流量を制限され、第1の熱交換手段13で所定温度に加熱されてから第1の吸引混合手段4に供給される。
The raw material gas supplied from the raw
(改質反応操作)
前記のように、第1の吸引混合手段4から配管104に流出した原料−水蒸気混合物は改質手段1の原料供給部69(図3)を経て第1反応室61a内に流入する。平常運転時においては、第2反応室62aから隔壁62bを通して伝熱する熱エネルギーによって、第1反応室61aに充填された伝熱粒子層71bが昇温されているので、第1反応室61aに流入した原料−水蒸気混合物はその伝熱粒子層71bを通過する間に改質反応温度まで昇温する。
(Reforming reaction operation)
As described above, the raw material-water vapor mixture flowing out from the first
改質反応温度に達した原料−水蒸気混合物は、次いで水蒸気改質触媒層71aを通過し、その間に原料−水蒸気混合物の一部が水蒸気改質反応して水素リッチな改質ガスに変換される。そして水素を含む改質ガスと反応しなかった残りの原料−水蒸気混合物が排出部68aから一体となって排出する。
The raw material-steam mixture that has reached the reforming reaction temperature then passes through the steam reforming
但し、運転開始から暫くの間は、原料−水蒸気混合物が改質反応温度まで昇温できないので、その時点の温度に応じて水蒸気改質反応は低下もしくは殆ど進行せずに、原料−水蒸気混合物はほぼ流入時に近い組成で排出部68aから排出する。なお水蒸気改質反応は吸熱反応であるから、排出部68aから流出する混合物の温度は水蒸気改質触媒層71aの平均温度より低下する。
However, since the raw material-steam mixture cannot be heated up to the reforming reaction temperature for a while from the start of operation, the steam reforming reaction does not decrease or hardly proceeds depending on the temperature at that time. The composition is discharged from the
第1反応室61aの排出部68aから排出した前記改質ガスと原料−水蒸気混合物は、第2反応室62aの原料供給部69aから混合触媒層72aに流入する。その際、原料供給部69aには酸素含有ガス導入部63から酸素含有ガスとして空気が供給され、その空気は混合触媒層72aに流入する原料−水蒸気混合物等に混入する。
The reformed gas and the raw material-water vapor mixture discharged from the
酸素含有ガス導入部63から供給される空気流量は制御手段14で制御される流量調整弁36によって調整される。すなわち、制御手段14には水蒸気流量を調整する流量調整弁35の制御情報が記憶されており、水蒸気流量は原料−水蒸気混合物の流量と相関関係にあるので、該制御情報から必要とする空気流量を算出して流量調整弁36に最適な制御信号を出力する。なお、酸素含有ガス導入部63を図3のごとく改質装置の上端部に配置する代わりに、外筒61の底面を貫通する空気パイプを内筒62内に挿通し、そのパイプの上端部に複数の空気流出孔を設けることもできる。この場合には、パイプ内を流通する空気と内筒62内の各層との間に熱交換を行い、空気を加熱することができる。それにより装置の効率化を図ることができる。
The flow rate of air supplied from the oxygen-containing
上記のように原料−水蒸気混合物は混合触媒層72aに流入するが、その原料−水蒸気混合物を構成する原料ガスの一部は流入した空気中の酸素と反応して酸化し、その反応熱により原料−水蒸気混合物を改質反応に必要なレベルまで昇温する。すなわち自己酸化加熱が行われる。なお混合触媒層72aにおける平均温度は水蒸気改質反応に適した温度、例えば650℃〜750℃程度、標準的には700℃前後の温度に維持することが望ましい。
As described above, the raw material-steam mixture flows into the
一方、混合触媒層72aにおける温度管理は、水蒸気改質反応に適した温度とすることが重要であるが、それと共に、その下流側の伝熱粒子層72bとの境界における温度が所定レベルに維持できるように管理することも重要である。例えば伝熱粒子層72bとの境界における温度が650℃以上、好ましくは700℃以上になるように、混合触媒層72aにおける平均温度を管理すると、前記第1反応室61aにおける伝熱粒子層71bの温度は少なくとも500℃以上に維持することができ、それによって第1反応室61aの水蒸気改質反応を十分に促進できる。
On the other hand, in the temperature control in the
混合触媒層72aの平均温度を上記のような範囲に維持するには、例えば混合触層層72aを通過する改質ガスのSV値(Space Velocity)を使用する触媒機能の要求仕様に合わせることによって実現できる。本実施形態においては、混合触媒層72aの平均温度を水蒸気改質反応が進行できる改質反応温度に維持する。そして水蒸気改質反応に昇温させるために必要な酸素量と、その酸素を完全に反応させるための酸化触媒量が共に最小になるようにすることが望ましい。実験によれば、水蒸気改質反応のための改質触媒に対するSV値は5000程度,部分酸化反応のための酸化触媒に対するSV値は100,000程度とすることが好ましいことが分かっている。
In order to maintain the average temperature of the
水素リッチな改質ガスは混合触媒層72aからその下流側の伝熱粒子層72bに流入するが、その温度は650℃以上、好ましくは700℃以上の温度になるように運転することが望ましい。前記のように流入した改質ガスが伝熱粒子層72bを通過する間に、その顕熱の一部が隔壁62bを通して第1の反応室61aの伝熱粒子層71bに移動し、好適に設定された場合には、伝熱粒子層72bから下流側の高温シフト触媒層72cに流入する際の改質ガス温度は、シフト反応に適する500℃以下に下降させることもできる。
The hydrogen-rich reformed gas flows from the
高温シフト触媒層72cに流入した改質ガスはシフト反応により含まれている一酸化炭素の殆どが水素に変換される。すなわち前記のように、改質ガスに残存する水蒸気と一酸化炭素がシフト触媒の存在下に水素と炭酸ガスにシフト変換して水素を生成する。
Most of the carbon monoxide contained in the reformed gas flowing into the high temperature
次いで改質ガスは高温シフト触媒層72cからその下流側の低温シフト触媒層72dに流入し、そこで残存する一酸化炭素からさらに水素が生成される。このように2段階のシフト反応を行うことにより、一酸化炭素をより一層低減できると共に、水素をより多く生成することができる。高温シフト触媒層72cおよび低温シフト触媒層72dにおけるシフト反応は発熱反応であり、その反応熱の一部は前記のように隔壁62bを通して第1反応室61aの伝熱粒子層71bに移動する。
Next, the reformed gas flows from the high temperature
低温シフト触媒層72dを通過した改質ガスは、第2反応室62aの排出部69から配管105(図1)に流出するが、通常、改質ガスの温度は180℃程度の高温であるので、熱交換手段12で冷却してから混合手段5に流入させる。混合手段5に流入した改質ガスは配管110から供給される空気と混合し、次いでCO低減手段3に流入する。CO低減手段3において改質ガスに残存する一酸化炭素が極めて微量なレベル(例えば10ppm)まで低減され、配管107から燃料電池300等の負荷設備に供給される。
The reformed gas that has passed through the low temperature
前記配管110から混合手段5に供給される空気の流量は、制御手段14からの制御信号により流量調整弁38の開度を変化して調整される。すなわち制御手段14には空気流量を調整する流量調整弁38の制御情報が記憶されており、空気流量は改質ガス流量と相関関係にあるので、該制御情報から必要とする空気流量を算出して流量調整弁38に適正な制御信号を出力するように構成されている。
The flow rate of air supplied from the
しかし上記水蒸気制御情報を使用する代わりに、CO低減手段3の出口側に一酸化炭素濃度検出手段を設け、その検出信号を制御手段14に伝送して制御することもできる。すなわちCO低減手段の出口側から流出する改質ガス中の微量に含まれる一酸化炭素の濃度が予め設定された範囲を越えないように、制御手段14が流量調整弁38に制御信号を出力するように構成する。
However, instead of using the water vapor control information, it is also possible to provide a carbon monoxide concentration detection means on the outlet side of the CO reduction means 3 and transmit the detection signal to the control means 14 for control. That is, the control means 14 outputs a control signal to the flow
前記CO低減手段3は、例えば円筒状の反応槽内に酸化触媒を担持したハニカム状の多孔性のシートを多重に巻回して収容することにより構成できる。反応槽の入口部から流入した改質ガスが巻回したシートの間隙を通過して出口部から流出する間に、含まれる一酸化炭素は酸化触媒によって酸化されて無害な二酸化炭素に変換する。そのためCO低減手段3から流出する改質ガスには極めて微量な一酸化炭素しか含まないので、例えば燃料電池に供給しても悪影響を及ぼすことがない。
The CO reduction means 3 can be constituted by, for example, accommodating a honeycomb porous sheet carrying an oxidation catalyst in a cylindrical reaction vessel by winding it in multiple layers. While the reformed gas flowing in from the inlet of the reaction tank passes through the gap between the wound sheets and flows out from the outlet, the contained carbon monoxide is oxidized by the oxidation catalyst and converted into harmless carbon dioxide. For this reason, the reformed gas flowing out from the
図4は本発明の特徴部分を含む自己酸化内部加熱型水蒸気改質システムのプロセスフロー図である。なお図1と同じ部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。図4が図1の例と異なる主な部分は、燃料電池300から排出するアノード排ガスを各種熱交換手段を経て水蒸気発生手段2の燃焼部2aに燃料として供給すると共に、原料ガスとしてリサイクルする点にある。
FIG. 4 is a process flow diagram of the auto-oxidation internally heated steam reforming system including the features of the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. 4 differs from the example of FIG. 1 in that anode exhaust gas discharged from the
図4において、燃料電池300から配管101dに排出するアノード排ガスは再加熱用の熱交換手段18に流入し、そこで熱交換によりある程度冷却されてから脱水用熱交換手段19に流入する。脱水用の熱交換手段19ではコジェネレーション設備等の他の熱媒体が配管115により供給され、該熱媒体によりアノード排ガスは冷却されて湿分が凝縮して脱水されると共に、アノード排ガスの熱が他の熱媒体に回収される。脱水後のアノード排ガスは再加熱用の熱交換手段18に流入し、そこで前記配管101dから流入した比較的高温のアノード排ガスを熱交換して再加熱される。
In FIG. 4, the anode exhaust gas discharged from the
一般にアノード排ガスには水素と共に比較的高い湿分を含むが、上記のように脱水用の熱交換手段19を用いることにより湿分の低いアノード排ガスを得ることができる。また燃料電池から排出する比較的高温のアノード排ガスの熱を利用して脱水後のアノード排ガスを再加熱するように構成しているので、他の熱源を供給しなくても適正な温度レベルに回復させることができる。 In general, the anode exhaust gas contains a relatively high moisture together with hydrogen. However, the anode exhaust gas having a low moisture content can be obtained by using the heat exchange means 19 for dehydration as described above. In addition, it is configured to reheat the anode exhaust gas after dehydration using the heat of the relatively hot anode exhaust gas discharged from the fuel cell, so that it recovers to an appropriate temperature level without supplying another heat source. Can be made.
再加熱したアノード排ガスは配管101aを経て熱交換手段113aに流入し、そこで水蒸気発生手段2の排ガスとの熱交換により加熱されてから燃焼部2aに燃料として供給される。また配管101aの分岐管から混合手段123に原料ガスとして供給されるが、その詳細は後述する。
The reheated anode exhaust gas flows into the
水蒸気発生手段2で発生した水蒸気は第1の吸引混合手段4に供給される。吸引混合手段4には後述する熱交換手段16から流出する原料ガスが供給され、そこで主流である前記水蒸気により吸引されて原料−水蒸気混合物を生成する。原料−水蒸気混合物は配管104を経て原料−水蒸気混合ガスは熱交換手段12aに流入し、そこで配管107から流入する改質ガスとの熱交換により加熱されて改質手段1の原料供給部68に供給される。
The water vapor generated by the water vapor generating means 2 is supplied to the first suction mixing means 4. The raw material gas flowing out from the
図4の改質手段1の基本的な構成は図1の場合と同じであるが、構造的には多少異なる。すなわち図4の改質手段1では、2次反応室62aの中央部に垂直な酸素含有ガス供給管62bが設けられ、配管102から供給される酸素含有ガスが酸素含有ガス供給管62bの下部から流入し、内部を上昇して頂部付近に設けた噴出孔62cから混合触媒層72a内に噴出するようになっている。このように構成すると2次反応室62a自体が熱交換手段となって酸素含有ガスをその反応熱により内部で予熱できる。なお改質手段1は図1の基本構成と同様に1次反応室61aと二次反応室62aを備え、それらの内部には図1と同様な各種触媒層が配置される。
The basic structure of the reforming means 1 in FIG. 4 is the same as that in FIG. 1, but the structure is slightly different. That is, in the reforming means 1 of FIG. 4, an oxygen-containing
図4の改質手段1では、システム起動時に改質手段1を迅速に改質反応温度に昇温するために、改質手段1の上部に昇温手段120を連結している。昇温手段120は槽120aと、その内部に充填した白金(Pt)やパラジウム(Pd)等の酸化触媒120bを備えている。配管104から供給される原料−水蒸気混合物中の原料ガスは、酸化触媒120bの存在下に配管102bから供給される酸素含有気体中の酸素により酸化され、その酸化熱で原料−水蒸気混合物の温度が水蒸気改質反応に必要な温度付近まで昇温する。なお本例では酸化触媒層に熱交換手段が付加され、その熱交換手段に配管120cから他の熱媒体を供給して酸化触媒層を加熱し、その温度上昇をさらに加速するように構成している。
In the reforming means 1 of FIG. 4, a temperature raising means 120 is connected to the upper part of the reforming means 1 in order to quickly raise the reforming means 1 to the reforming reaction temperature when the system is started. The temperature raising means 120 includes a
改質手段1で生成した水素リッチな改質ガスは、配管105から流出して混合手段5に流入する。混合手段5は前記第1の吸引混合手段4と同様なエジェクタにより構成することができ、流入する改質ガスが主流となって流量調整手段38を設けた配管110から供給される酸素含有ガスを吸引して混合する。混合手段5の下流側はCO低減手段3に連通し、CO低減手段3において改質ガス中に残存するCOが図1の例と同様に低減される。さらにCO低減手段3の下流側には3つの熱交換手段12a,16および17が配管107a〜107cにより順に接続される。
The hydrogen-rich reformed gas generated by the reforming unit 1 flows out from the
熱交換手段12aでは前記のように配管104の原料−水蒸気混合物を予熱し、熱交換手段16では脱硫手段9から配管103aにより供給される原料ガスを配管107aから流入する改質ガスで予熱し、熱交換手段17では水タンク10から配管108aにより供給される水蒸気発生用の水または純水を配管107bから流入する改質ガスで予熱する。そして改質ガスはこれら熱交換手段12a,16、及び17を通過することにより次第に温度低下し、低温状態になって燃料電池300に供給される。
In the heat exchange means 12a, the raw material-steam mixture in the
次に本発明の特徴部分であるアノード排ガスのリサイクル手段122について説明する。図4に示すリサイクル手段122はアノード排ガスを供給する配管101aと混合手段123により構成される。この混合手段123は原料−水蒸気混合物を生成するエジェクタからなる第1の吸引混合手段4と兼用になっている。すなわち第1の吸引混合手段4には主流としての水蒸気が供給され、その水蒸気の誘引力により配管103aの原料ガスと共に配管101aのアノード排ガスが吸引される。そして第1の吸引混合手段4で得られた原料−水蒸気混合物は配管104を経て改質手段1に供給される。
Next, the anode exhaust gas recycling means 122, which is a feature of the present invention, will be described. The
例えば改質手段1への原料−水蒸気混合物の流量が減少した場合、それに応じて必要な水蒸気の消費量も減少する。しかし水蒸気発生手段2で発生する水蒸気量が一定の場合、水蒸気消費量の減少により水蒸気圧は上昇する。そこで本実施形態では、水蒸気圧力が予め設定された値になるように、燃焼部2aへのアノード排ガスの供給量を減少すると共に、混合手段123へのアノード排ガスの供給量が増加するように自動制御している。
For example, when the flow rate of the raw material-steam mixture to the reforming means 1 is reduced, the required steam consumption is also reduced accordingly. However, when the amount of water vapor generated by the water vapor generating means 2 is constant, the water vapor pressure rises due to a decrease in water vapor consumption. Therefore, in the present embodiment, the anode exhaust gas supply amount to the
例えば水蒸気圧の上昇を圧力検出手段41で検出し、その検出値が予め設定された値より高くなったときに、制御手段14は燃焼部2aへのアノード排ガス量を調整する流量調整手段101bの開度を小さくし、混合手段123へのアノード排ガスの供給量を調整する流量調整手段122aの開度を大きくする制御を行っている。なおアノード排ガスを燃焼部2aに供給していない場合には、制御手段14は混合手段123へのアノード排ガスの供給量を増加させる制御のみ行うこともできる。
For example, when the increase in the water vapor pressure is detected by the pressure detection means 41 and the detected value becomes higher than a preset value, the control means 14 adjusts the amount of anode exhaust gas to the
このようなアノード排ガスのリサイクル手段122を設けると、余剰のアノード排ガスを有効に回収して改質用にリサイクルできる。また、アノード排ガス中のN2 ,CO2 により改質ガス中の水素濃度が薄められて、メタン等の水素転化率を高めることができる。 さらに燃料電池本体に必要以上の水素量を供給することが可能になるので、燃料電池内を流れる改質ガスの流速を高めることができる。燃料電池内の流速が高くなると該部分に生成する水滴を吹き飛ばして電極に水幕が形成されて発電効率が低下することを防止できる。 By providing such anode exhaust gas recycling means 122, surplus anode exhaust gas can be effectively recovered and recycled for reforming. Further, the hydrogen concentration in the reformed gas is reduced by N 2 and CO 2 in the anode exhaust gas, and the hydrogen conversion rate of methane and the like can be increased. Furthermore, since it becomes possible to supply more hydrogen than necessary to the fuel cell body, the flow rate of the reformed gas flowing in the fuel cell can be increased. When the flow velocity in the fuel cell is increased, it is possible to prevent water droplets generated at the portion from being blown off and a water curtain to be formed on the electrode, thereby reducing power generation efficiency.
本発明の自己酸化内部加熱型水蒸気改質システムは、燃料電池等の負荷設備に水素リッチな改質ガスを供給するために利用できる。 The self-oxidation internal heating steam reforming system of the present invention can be used to supply hydrogen-rich reformed gas to a load facility such as a fuel cell.
1 改質手段
2 水蒸気発生手段
2a 燃焼部
3 CO低減手段
4 第1の吸引混合手段
5 混合手段
6 第2の吸引混合手段
7 空気供給系
8 原料ガス供給系
9 脱硫装置
10 水タンク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reforming means 2 Water vapor generation means
12,12a 熱交換手段
13 熱交換手段
14 制御手段
16,17 熱交換手段
18 脱水用の熱交換手段
19 再加熱用の熱交換手段
20 エジェクタ
21 固定部
22 内部ノズル構造体
23 外部ノズル構造体
24,25 開口部
26 絞り部
12, 12a Heat exchange means 13 Heat exchange means 14 Control means 16, 17 Heat exchange means 18 Heat exchange means for
31〜39 流量調整手段
40 水位検出手段
41 圧力検出手段
42 温度検出手段
52,53 制御ケーブル
61 外筒
61a 第1反応室
62 内筒
62a 第2反応室
62b 隔壁
63 酸素含有ガス供給部
64〜66 マニホールド
68 原料供給部
69 排出部
69a 原料供給部
70 断熱壁
31-39 Flow rate adjustment means 40 Water level detection means 41 Pressure detection means 42 Temperature detection means 52, 53
71a 水蒸気改質触媒層
71b 伝熱粒子層
72a 混合触媒層
72b 伝熱粒子層
72c 高温シフト触媒層
72d 低温シフト触媒層
72e シフト触媒層
73a〜73e 支持板
71a Steam reforming
101〜115 配管
120 昇温手段
120a 槽
120b 酸化触媒
122 リサイクル手段
123 混合手段
300 燃料電池
101-115
Claims (4)
原料ガスと水蒸気発生手段2により発生した水蒸気を混合して原料−水蒸気混合物を得る混合手段123と、
原料−水蒸気混合物に含まれる原料ガスを外部から供給する酸素含有ガスで酸化し、酸化による反応熱で原料ガスの水蒸気改質を行って水素リッチな改質ガスを生成する改質手段1を備え、
前記改質ガスは燃料電池300に供給され、
燃料電池300から排出するアノード排ガスの少なくとも一部を前記原料ガスとして改質手段1に供給するリサイクル手段122を設け、
前記水蒸気発生手段2は燃焼用の空気と燃料を混合して得られた空気−燃料混合物を燃焼する燃焼部2aを含み、前記燃料として前記アノード排ガスの少なくとも一部を水蒸気発生手段2の燃焼部2aに供給するように構成し、
前記水蒸気発生手段2で発生する水蒸気に余剰が生じたとき、その余剰分を低減するように前記燃焼部2aへのアノード排ガスの供給量を減少し、前記混合手段123へのアノード排ガスの供給量を増加する制御を行う制御手段14を設けたことを特徴とする自己酸化内部加熱型水蒸気改質システム。 In a self-oxidation internally heated steam reforming system configured to generate a hydrogen-rich reformed gas by auto-oxidizing the raw material gas in the presence of oxygen and steam reforming,
Mixing means 123 for mixing the raw material gas and the water vapor generated by the water vapor generating means 2 to obtain a raw material-water vapor mixture;
A reforming means 1 is provided that oxidizes a source gas contained in a source-steam mixture with an oxygen-containing gas supplied from the outside and generates a hydrogen-rich reformed gas by performing steam reforming of the source gas with reaction heat due to oxidation. ,
The reformed gas is supplied to the fuel cell 300,
Recycling means 122 for supplying at least part of the anode exhaust gas discharged from the fuel cell 300 to the reforming means 1 as the raw material gas is provided,
The steam generating means 2 includes a combustion section 2a for burning an air-fuel mixture obtained by mixing combustion air and fuel, and at least a part of the anode exhaust gas as the fuel is a combustion section of the steam generating means 2. Configured to supply to 2a ,
When surplus is generated in the water vapor generated by the water vapor generating means 2, the amount of anode exhaust gas supplied to the combustion section 2a is reduced so as to reduce the surplus, and the amount of anode exhaust gas supplied to the mixing means 123 is reduced. A self-oxidation internal heating steam reforming system, characterized in that it is provided with a control means 14 for controlling the increase of the steam.
前記混合手段123は水蒸気流中に原料ガスを吸引して原料−水蒸気混合物を得る第1の吸引混合手段4により構成され、その第1の吸引混合手段4に前記アノード排ガスが吸引されることを特徴とする自己酸化内部加熱型水蒸気改質システム。 In claim 1,
The mixing means 123 includes first suction mixing means 4 that sucks a raw material gas into a water vapor flow to obtain a raw material-water vapor mixture, and the anode suction gas is sucked into the first suction mixing means 4. A self-oxidizing internal heating steam reforming system.
前記空気−燃料混合物を得るため、燃焼用の空気中に燃料を吸引する第2の吸引手段6を設けたことを特徴とする自己酸化内部加熱型水蒸気改質システム。 In claim 1 or claim 2 ,
In order to obtain the air-fuel mixture, a self-oxidation internal heating steam reforming system is provided, wherein a second suction means 6 for sucking fuel into the combustion air is provided.
前記水蒸気発生手段2で発生する水蒸気の圧力を検出する圧力検出手段41と、圧力検出手段41の検出信号が入力される制御手段14を設け、前記圧力検出手段41の検出圧力が予め設定された値より上昇したとき、制御手段14は該検出圧力が前記設定値になるように前記燃焼部2aへのアノード排ガスの供給量を減少すると共に前記混合手段123へのアノード排ガスの供給量を増加する制御を行うことを特徴とする自己酸化内部加熱型水蒸気改質システム。 In any one of Claims 1 thru | or 3 ,
A pressure detection means 41 for detecting the pressure of water vapor generated by the water vapor generation means 2 and a control means 14 for receiving a detection signal of the pressure detection means 41 are provided, and the detection pressure of the pressure detection means 41 is preset. When the value rises above the value, the control means 14 decreases the supply amount of the anode exhaust gas to the combustion section 2a and increases the supply amount of the anode exhaust gas to the mixing means 123 so that the detected pressure becomes the set value. A self-oxidation internal heating steam reforming system characterized by performing control.
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