JPH11106204A - Hydrogen production apparatus and hydrogen production process - Google Patents
Hydrogen production apparatus and hydrogen production processInfo
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- JPH11106204A JPH11106204A JP9268924A JP26892497A JPH11106204A JP H11106204 A JPH11106204 A JP H11106204A JP 9268924 A JP9268924 A JP 9268924A JP 26892497 A JP26892497 A JP 26892497A JP H11106204 A JPH11106204 A JP H11106204A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素等の燃料
を水蒸気を用いて改質することにより水素リッチな改質
ガスを生成する水素製造装置の改良技術に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an improved technology of a hydrogen producing apparatus for producing a hydrogen-rich reformed gas by reforming a fuel such as a hydrocarbon using steam.
【0002】[0002]
【従来の技術】燃料電池等に水素を供給するための水素
製造装置においては、天然ガス,メタノール,ナフサ等
の炭化水素系の原燃料を水蒸気と混合して改質触媒で水
素リッチなガスに改質するいわゆる水蒸気改質方式が採
用されている。この水蒸気改質は、ブタンを例にとる
と、下記化1の反応式で示され、通常600℃〜800
℃程度の高温下でなされる。2. Description of the Related Art In a hydrogen production apparatus for supplying hydrogen to a fuel cell or the like, a hydrocarbon-based raw fuel such as natural gas, methanol, and naphtha is mixed with steam to form a hydrogen-rich gas with a reforming catalyst. A so-called steam reforming method for reforming is employed. In the case of butane as an example, this steam reforming is represented by the following reaction formula 1 and is usually from 600 ° C. to 800 ° C.
It is performed at a high temperature of about ° C.
【0003】[0003]
【化1】 Embedded image
【0004】ここで生成される改質ガスにはある程度
(十数%)の一酸化炭素COが含まれるが、一酸化炭素
COは電極の触媒活性を低下させる要因となるので、こ
れを防ぐためシフト触媒を備えたCO変成器を通じて、
改質ガス中の一酸化炭素COを下記化2の反応で二酸化
炭素CO2にシフト反応してから燃料電池に供給するよ
うにしているものが多い。[0004] The reformed gas generated here contains carbon monoxide to some extent (several ten percent). Since carbon monoxide CO is a factor that lowers the catalytic activity of the electrode, it is necessary to prevent this. Through a CO converter equipped with a shift catalyst,
In many cases, carbon monoxide CO in the reformed gas is subjected to a shift reaction to carbon dioxide CO 2 by the reaction shown below, and then supplied to the fuel cell.
【0005】[0005]
【化2】 Embedded image
【0006】このような水蒸気改質装置は、家庭や戸外
で使用される場合もあり、配置スペースや運搬の利便性
からそのような場合できるだけコンパクトな装置設計が
要求される。従来の比較的コンパクトな水蒸気改質装置
の例としては、特開平2−264903号公報や特開平
5−186201号公報に開示されているように、二重
円筒管の中に改質反応用触媒が充填された反応槽をバー
ナで加熱しながら、当該反応槽に原燃料と水蒸気とを送
り込んで改質するものが知られている。[0006] Such a steam reforming apparatus is sometimes used at home or outdoors, and in such a case, the apparatus design is required to be as compact as possible in terms of arrangement space and transportation convenience. As an example of a conventional relatively compact steam reformer, as disclosed in JP-A-2-264903 and JP-A-5-186201, a reforming reaction catalyst is provided in a double cylindrical tube. There is known a method in which raw fuel and steam are fed into a reaction tank while heating the reaction tank filled with the gas with a burner to reform the reaction tank.
【0007】また、特開平7−335238号公報に開
示されているように、まず原燃料を空気と混合して部分
酸化触媒を用いて部分的に酸化し、高温になった原燃料
ガスを水蒸気と混合して改質触媒で水蒸気改質する装置
も開発されており、この装置では、部分酸化反応によっ
て発生する熱が改質触媒に伝熱されて改質反応に利用さ
れるようになっている。Further, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-335238, raw fuel is first mixed with air and partially oxidized using a partial oxidation catalyst. A device has been developed that mixes with steam and reforming with a reforming catalyst. In this device, the heat generated by the partial oxidation reaction is transferred to the reforming catalyst and used for the reforming reaction. I have.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな水蒸気改質方式による水素製造装置は、水蒸気の供
給を受けながら運転するようになっているため、ボイラ
等の熱源のない野外などでは運転できない。新たにボイ
ラ等の水蒸気供給源を設ければ運転できるが装置構成が
複雑になる問題がある。However, such a hydrogen production system using the steam reforming system is operated while receiving the supply of steam, and therefore cannot be operated in the field without a heat source such as a boiler. . If a steam supply source such as a boiler is newly provided, the apparatus can be operated, but there is a problem that the apparatus configuration becomes complicated.
【0009】また、原燃料を予熱して供給するような場
合には、反応装置外部に別途、熱交換器等の加熱手段を
配設する必要があるので、この場合にもそれだけ装置構
成が複雑になってしまう。そこで、本発明は、装置構成
を複雑にすることなく且つボイラや熱交換器などがなく
ても水蒸気の生成や燃料の加熱を行うことができる水素
製造装置を提供することを第1の目的とする。In addition, when the raw fuel is supplied after being preheated, it is necessary to separately provide a heating means such as a heat exchanger outside the reactor. Become. Accordingly, a first object of the present invention is to provide a hydrogen production apparatus capable of generating steam and heating fuel without complicating the apparatus configuration and without a boiler or a heat exchanger. I do.
【0010】更に、水素製造装置を改質ガス中に残存す
る一酸化炭素COの影響が大きい固体高分子型燃料電池
システムなどに用いる場合には、一酸化炭素CO濃度を
より低くするために、通常、前記CO変成器に加えてC
O除去器を配設して多段階的に一酸化炭素CO濃度の低
減を行うが、このように反応装置が多ければ作業者の監
視負担が大きくならざるを得ないし、そのぶん反応を行
うための水素製造装置の構成も複雑になってしまう。Further, when the hydrogen production apparatus is used in a polymer electrolyte fuel cell system or the like where the influence of carbon monoxide remaining in the reformed gas is large, in order to lower the carbon monoxide CO concentration, Usually, in addition to the CO transformer, C
An O remover is provided to reduce the carbon monoxide CO concentration in multiple stages. However, if there are many reactors, the monitoring burden on the operator must be increased, and the reaction must be performed accordingly. The configuration of the hydrogen production apparatus becomes complicated.
【0011】そこで、本発明の第2の目的は、少ない反
応装置でも一酸化炭素CO濃度の低減を十分に図ること
ができる水素製造方法を提供することにある。また、水
素製造装置は反応槽がある一定の温度に昇温した後に、
定常運転に入るのが一般的な作動手順であるが、この昇
温方法としては、反応槽の外部にバーナの燃焼ガスを強
制的に流通させるいわゆる外部加熱が通常の方法であ
る。Therefore, a second object of the present invention is to provide a method for producing hydrogen which can sufficiently reduce the concentration of carbon monoxide CO even with a small number of reactors. In addition, after the hydrogen production equipment heats the reaction tank to a certain temperature,
A general operation procedure is to enter a steady operation. As a method for raising the temperature, a so-called external heating method in which a combustion gas of a burner is forcibly circulated outside a reaction tank is a normal method.
【0012】ところで、昇温させる時間はできるだけ短
時間である方が望ましく、また、反応触媒層内部ができ
るだけ均一な温度分布になるよう昇温されることが望ま
しい。このような要請に応える技術として特開平6−2
19705号公報には、前記外部加熱の場合には熱の伝
熱率ができるだけ大きくなるように、例えば、多数のノ
ズルが配された燃焼用バーナを触媒層の周囲に配設し
て、バーナ燃焼面と反応槽との対向する面積を大きくす
るといった技術が開示されているが、この技術では触媒
層に前記バーナを周面に対向させるので燃焼ガスが流通
する通路空間をも含めると装置はいきおい大型化してし
まう。It is desirable that the time for raising the temperature be as short as possible, and that the temperature of the inside of the reaction catalyst layer be raised so that the temperature distribution becomes as uniform as possible. Japanese Patent Laid-Open No. 6-2 is a technique for responding to such a demand.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 19705 discloses that, in the case of the external heating, for example, a combustion burner having a large number of nozzles is arranged around a catalyst layer so that the heat transfer rate of heat is as large as possible. Although a technique of increasing the area of the surface and the reaction tank facing each other has been disclosed, in this technique, the catalyst layer includes the passage space through which the combustion gas flows because the burner is opposed to the peripheral surface. It becomes large.
【0013】そこで、本発明は、装置を大型化させるこ
となく迅速に昇温を行うことができるコンパクトな水素
製造装置を提供することを第3の目的とする。Therefore, a third object of the present invention is to provide a compact hydrogen production apparatus capable of rapidly raising the temperature without increasing the size of the apparatus.
【0014】[0014]
【課題を解決するための手段】前記第1の目的を達成す
るために、本発明は、水素製造装置において、燃料を部
分的に酸化する部分酸化反応層を配した部分酸化部と、
水蒸気の供給を受けて燃料を水蒸気改質反応して水素リ
ッチな改質ガスを生成する水蒸気改質触媒層を配した改
質部と、燃料の加熱を行い、当該加熱した燃料を前記部
分酸化部に供給する燃料供給手段と、水蒸気の生成を行
い、当該水蒸気を前記改質部に供給する水蒸気供給手段
とを備え、前記燃料供給手段と前記水蒸気供給手段の少
なくとも一方は、熱源として前記部分酸化反応で発生す
る熱を用いていることを特徴とする。In order to achieve the first object, the present invention provides a hydrogen production apparatus, comprising: a partial oxidation section having a partial oxidation reaction layer for partially oxidizing fuel;
A reforming section provided with a steam reforming catalyst layer for generating a hydrogen-rich reformed gas by performing a steam reforming reaction on the fuel by receiving a supply of steam, heating the fuel, and subjecting the heated fuel to the partial oxidation; A fuel supply unit for supplying the steam to the reforming unit, wherein at least one of the fuel supply unit and the steam supply unit serves as a heat source. It is characterized by using heat generated by the oxidation reaction.
【0015】また、水蒸気の供給を受けて燃料を水蒸気
改質反応して水素リッチな改質ガスを生成するととも
に、酸素を用いて燃料を部分的に酸化する部分酸化反応
を併発する水蒸気改質触媒層を配した改質部と、燃料の
加熱を行い、当該加熱した燃料を前記水蒸気改質部に供
給する燃料供給手段と、水蒸気の生成を行い、当該水蒸
気を前記改質部に供給する水蒸気供給手段とを備え、前
記燃料供給手段と前記水蒸気供給手段の少なくとも一方
は、熱源として部分酸化反応で発生する熱を用いている
ことを特徴とする。[0015] In addition, the steam reforming reaction is performed by receiving the supply of steam to generate a hydrogen-rich reformed gas by performing a steam reforming reaction on the fuel and simultaneously performing a partial oxidation reaction for partially oxidizing the fuel using oxygen. A reforming unit provided with a catalyst layer, a fuel supply unit for heating the fuel and supplying the heated fuel to the steam reforming unit, and a steam for generating the steam and supplying the steam to the reforming unit A steam supply means, wherein at least one of the fuel supply means and the steam supply means uses heat generated by a partial oxidation reaction as a heat source.
【0016】これによって、燃料加熱用或は水蒸気発生
用のボイラや熱交換器等の加熱装置を配設しなくとも、
発熱反応である部分酸化反応の顕熱を有効に利用して燃
料の加熱や水蒸気の生成を行うので、装置構成を複雑に
することなく簡略な構成で燃料の加熱や水蒸気の生成を
行うことができる。また、第2の目的を達成するため
に、本発明の水素製造方法は、燃料を酸素と反応させて
部分酸化反応させる部分酸化反応ステップと、当該部分
酸化反応で発生する燃焼熱を用いて500℃以下で前記
燃料を水蒸気改質反応して水素リッチな改質ガスを生成
する改質ガス生成ステップと、前記改質ガス中の一酸化
炭素を改質ガス中の残余の酸素と反応させて選択的に酸
化する選択酸化ステップとを備える。[0016] Accordingly, even if a heating device such as a boiler or a heat exchanger for heating fuel or generating steam is not provided,
Since heating and generation of steam are performed by effectively using the sensible heat of the partial oxidation reaction, which is an exothermic reaction, heating of fuel and generation of steam can be performed with a simple configuration without complicating the device configuration. it can. Further, in order to achieve the second object, the hydrogen production method of the present invention provides a partial oxidation reaction step in which a fuel is reacted with oxygen to perform a partial oxidation reaction, and a combustion heat generated by the partial oxidation reaction. A reformed gas generating step of generating a hydrogen-rich reformed gas by performing a steam reforming reaction on the fuel at a temperature of not more than 0 ° C., and reacting carbon monoxide in the reformed gas with residual oxygen in the reformed gas. Selective oxidation step of selectively oxidizing.
【0017】この水素製造方法によれば、改質ガス生成
を500℃以下と低温で行っているのでCO変成器を設
けなくても良く、また、選択酸化反応のための酸素供給
手段が不要となり少ない装置構成で十分に一酸化炭素C
O濃度の低減を図ることができる。更に、第3の目的を
達成するために、燃料を水蒸気改質反応して水素リッチ
な改質ガスを生成する改質触媒を備えた水素製造装置で
あって、燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃料燃焼
部を有し、前記改質触媒は当該燃料燃焼部と燃焼ガス通
路によって連通され、前記燃焼ガスは当該燃焼ガス通路
から前記改質触媒に導入され、当該改質触媒は加熱され
ることを特徴とする。According to this hydrogen production method, since the reformed gas is generated at a low temperature of 500 ° C. or less, there is no need to provide a CO converter, and oxygen supply means for the selective oxidation reaction becomes unnecessary. Sufficient carbon monoxide C with less equipment
O concentration can be reduced. Further, in order to achieve the third object, there is provided a hydrogen production apparatus provided with a reforming catalyst for producing a hydrogen-rich reformed gas by performing a steam reforming reaction on the fuel, wherein the combustion gas is burned by burning the fuel. A fuel combustion section to be generated, wherein the reforming catalyst is communicated with the fuel combustion section by a combustion gas passage, and the combustion gas is introduced into the reforming catalyst from the combustion gas passage, and the reforming catalyst is heated. It is characterized by that.
【0018】このように燃焼ガスを改質触媒に導入して
当該改質触媒をダイレクトに加熱するので前述したよう
に装置を大型化することなく、触媒層の内部からより迅
速に且つ均一に昇温させることができる。As described above, since the combustion gas is introduced into the reforming catalyst and the reforming catalyst is directly heated, as described above, the apparatus is quickly and uniformly raised from the inside of the catalyst layer without increasing the size of the apparatus. Can be warmed.
【0019】[0019]
[水素製造装置の全体構成について]図1は、本発明の
一の実施の形態に係る水素製造装置の本体構成を示す斜
視図であり、図2は、当該水素製造装置を用いた燃料電
池システムの構成を示すブロック図(前記水素製造装置
の要部断面図を含む。)である。[Overall Configuration of Hydrogen Production Apparatus] FIG. 1 is a perspective view showing a main configuration of a hydrogen production apparatus according to one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a fuel cell system using the hydrogen production apparatus. FIG. 2 is a block diagram (including a sectional view of a main part of the hydrogen production apparatus) illustrating the configuration of FIG.
【0020】当該水素製造装置は、水素製造装置本体1
と、燃料電池50の負荷電流量に応じて原燃料、空気及
び水の供給量を制御する制御部40と、原燃料供給用ポ
ンプP1と、空気ファンF1,F2と、原燃料と空気との
混合が行われる原燃料・空気混合部15と、水ポンプP
2と、各種計測計M1,M2,M3と、バーナBと、配管系
L1〜L6とから構成されている。The hydrogen production apparatus is composed of a hydrogen production apparatus main body 1
A control unit 40 for controlling the supply amounts of raw fuel, air and water in accordance with the amount of load current of the fuel cell 50; a pump P1 for supplying raw fuel; air fans F1 and F2; A raw fuel / air mixing unit 15 where mixing is performed, and a water pump P
2, various measuring meters M1, M2, M3, a burner B, and piping systems L1 to L6.
【0021】なお、特許請求の範囲では各実施の形態で
用いる「原燃料」という用語を「燃料」と記載している
が、これは便宜上このように使い分けているのであって
実質的な意味を異にするものではない。前記水素製造装
置本体1は、大きくは、原燃料(例えば、ブタン)、空
気及び水蒸気との混合物(以下、「原燃料混合物」とい
う。)を用いて部分酸化反応(下記化3に代表される原
燃料と酸素との反応)と共に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反応槽10と、前記改質
ガス中の一酸化炭素COを二酸化炭素CO2に変成し、
改質ガス中の一酸化炭素CO濃度の低減を行うシフト反
応槽20と、前記改質反応槽10などを装置起動時に所
定温度にまで昇温するための加熱槽30とから構成され
ている。In the claims, the term "raw fuel" used in each embodiment is described as "fuel", but this is used differently for convenience and has a substantial meaning. It is not different. The hydrogen production apparatus main body 1 is roughly oxidized using a mixture of raw fuel (for example, butane), air and steam (hereinafter, referred to as “raw fuel mixture”) (typically represented by Chemical Formula 3 below). (Reaction between raw fuel and oxygen) together with steam reforming to produce a hydrogen-rich reformed gas, and convert carbon monoxide CO in the reformed gas into carbon dioxide CO 2 ,
It comprises a shift reaction tank 20 for reducing the concentration of carbon monoxide CO in the reformed gas, and a heating tank 30 for raising the temperature of the reforming reaction tank 10 to a predetermined temperature when the apparatus is started.
【0022】[0022]
【化3】 Embedded image
【0023】前記改質反応槽10は、有天且つ有底の円
筒体状の容器101の略中央部分に改質触媒層100が
配設されており、当該改質触媒層100の下方容器10
1内には前記原燃料混合物を改質触媒層100全体に均
一的に分配するための円柱状の第1バッファ層110
が、改質触媒層100上方容器101内には、改質触媒
層100を経た改質ガスを回収する円柱状の第2バッフ
ァ層120が確保されている。なお、第2バッファ層1
20の空間容積は、第1バッファ層110の空間容積に
比べて大きめに設計されており、これにより後述する改
質ガスの冷却効率の向上が図られている。また、改質触
媒層100の中央部には、温度センサSe1が配設され
ている。In the reforming reaction tank 10, a reforming catalyst layer 100 is disposed substantially at the center of a cylindrical container 101 having a bottom and a bottom.
1 is a columnar first buffer layer 110 for uniformly distributing the raw fuel mixture throughout the reforming catalyst layer 100.
However, in the upper container 101 of the reforming catalyst layer 100, a columnar second buffer layer 120 for collecting the reformed gas having passed through the reforming catalyst layer 100 is secured. The second buffer layer 1
The space volume of 20 is designed to be larger than the space volume of the first buffer layer 110, thereby improving the reforming gas cooling efficiency described later. Further, a temperature sensor Se1 is provided in the center of the reforming catalyst layer 100.
【0024】前記改質触媒層100は、前記容器101
内の上下端寄りに一対の網材100aが配され、当該網
材100a間に触媒粒子100bが充填されて形成され
たものである。ここで用いる触媒粒子100bとしては
例えば、シリカやγ−AlO2等のセラミックス粒子担
体に、例えば、Rh,Ru,Ni等が焼結されて活性部
位が形成された公知の触媒を使用することができる。The reforming catalyst layer 100 comprises the container 101
A pair of mesh members 100a are arranged near the upper and lower ends of the inside, and catalyst particles 100b are filled between the mesh members 100a. As the catalyst particles 100b used here, for example, a known catalyst in which an active site is formed by sintering Rh, Ru, Ni, or the like on a ceramic particle carrier such as silica or γ-AlO 2 may be used. it can.
【0025】前記シフト反応槽20は、前記改質反応槽
10に周設された円筒体であって、当該改質反応槽10
で生成された改質ガス中の一酸化炭素CO濃度を低減す
るものである。その中央部には、シフト反応を担うシフ
ト触媒層200が配設されている。当該シフト触媒層2
00は、前記改質触媒層100と同様に円筒体内上下端
寄りに一対の網材200aが配され、触媒粒子200b
が充填されて形成されたものである。なお、シフト触媒
としては従前からのものを用いれば足りる。The shift reaction tank 20 is a cylindrical body provided around the reforming reaction tank 10.
To reduce the concentration of carbon monoxide CO in the reformed gas generated in step (1). A shift catalyst layer 200 that performs a shift reaction is disposed in the center. The shift catalyst layer 2
00, a pair of mesh members 200a are arranged near the upper and lower ends of the cylindrical body, similarly to the reforming catalyst layer 100, and the catalyst particles 200b
Is formed by filling. It is sufficient to use a conventional catalyst as the shift catalyst.
【0026】そして、シフト触媒層200の上方には前
記第2バッファ層120で回収された改質ガスをシフト
触媒層200全体に均一的に分配するための第3バッフ
ァ層210が形成され、シフト触媒層200の下方には
シフト反応により一酸化炭素COが低減された改質ガス
を回収する第4バッファ層220が確保されている。な
お、シフト反応槽20の改質反応槽10寄りの壁面に
は、図示しない断熱部材が配設され、改質反応槽10の
熱が伝わり難いように構成されている。A third buffer layer 210 for uniformly distributing the reformed gas recovered by the second buffer layer 120 to the entire shift catalyst layer 200 is formed above the shift catalyst layer 200. Below the catalyst layer 200, a fourth buffer layer 220 for recovering reformed gas in which carbon monoxide CO has been reduced by a shift reaction is secured. In addition, a heat insulating member (not shown) is provided on a wall surface of the shift reaction tank 20 near the reforming reaction tank 10 so that heat of the reforming reaction tank 10 is not easily transmitted.
【0027】前記加熱槽30は、前記シフト反応槽20
の内周側に挿通された当該シフト反応槽20の内周と略
同等の外径を有する無天且つ無底の円筒体301と、当
該円筒体301の下方に配されたバーナBとからなる。
そして、前記改質反応槽10は、この加熱槽30に挿設
された状態になり、当該改質反応槽10の外周壁面と円
筒体301の内周壁面とで囲設された空間300部に
は、前記バーナBで生成された燃焼ガスが流通する。当
該空間300内に導入された燃焼ガスは、改質反応槽1
0及びシフト反応槽20に熱を放出してそれらの槽外部
からの加熱に供され外気中に排気される。The heating tank 30 is provided with the shift reaction tank 20.
And a bottomless cylindrical body 301 having an outer diameter substantially equal to the inner circumference of the shift reaction tank 20 inserted into the inner peripheral side of the shift reaction tank 20, and a burner B disposed below the cylindrical body 301. .
Then, the reforming reaction tank 10 is in a state of being inserted into the heating tank 30, and in a space 300 portion surrounded by the outer peripheral wall surface of the reforming reaction tank 10 and the inner peripheral wall surface of the cylindrical body 301. The combustion gas generated by the burner B flows. The combustion gas introduced into the space 300 is supplied to the reforming reaction tank 1
The heat is released to the 0 and shift reaction tanks 20 and is supplied to heating from outside the tanks and exhausted to the outside air.
【0028】次に、配管系及び各種計測計について説明
する。前記原燃料・空気混合部15には原燃料供給用ポ
ンプP1から原燃料が流通する配管L1と、空気ファンF
1からの空気が流通する配管L2とが連結されている。前
記配管L1には原燃料の流量を計測する原燃料流量計M1
が、そして配管L2には空気流量を計測する空気流量計
M2が取着され、運転時には各流量が計測されてその計
測データが前記制御部40に伝達され、当該制御部40
の指示に従って原燃料供給用ポンプP1及び空気ファン
F1の駆動力は制御され、空燃比(空気と原燃料の重量
比)が所定値に設定される。Next, the piping system and various measuring instruments will be described. In the raw fuel / air mixing section 15, a pipe L1 through which raw fuel flows from a raw fuel supply pump P1 and an air fan F
The pipe L2 through which the air from 1 flows is connected. A raw fuel flow meter M1 for measuring the flow rate of the raw fuel is provided in the pipe L1.
An air flow meter M2 for measuring the air flow rate is attached to the pipe L2. During operation, each flow rate is measured, and the measurement data is transmitted to the control unit 40.
The driving force of the raw fuel supply pump P1 and the air fan F1 is controlled in accordance with the instruction, and the air-fuel ratio (weight ratio of air to raw fuel) is set to a predetermined value.
【0029】前記原燃料・空気混合部15は、配管L3
で前記改質反応槽10と連結されている。当該配管L3
は、改質反応槽10の上部から挿設されており、前記第
2バッファ層120及び改質触媒層100を貫き、その
端部(出口)が前記第1バッファ層110に臨んでい
る。これにより配管L3内での原燃料混合物と改質触媒
層100及び第2バッファ層120内での反応ガスとは
向流となる。The raw fuel / air mixing section 15 is connected to a pipe L3.
Is connected to the reforming reaction tank 10. The piping L3
Is inserted from the upper part of the reforming reaction tank 10, penetrates the second buffer layer 120 and the reforming catalyst layer 100, and an end (exit) thereof faces the first buffer layer 110. As a result, the raw fuel mixture in the pipe L3 and the reaction gas in the reforming catalyst layer 100 and the second buffer layer 120 flow countercurrently.
【0030】なお、本実施の形態では前記配管L3の改
質反応槽10内部に挿設された部位は、所定ピッチの螺
旋状に成形され、熱交換面積を大きく設計して熱交換効
率の向上を図っている。配管L4は、水供給用の配管で
あって、前記バーナB上方を螺旋状に旋回してから前記
空間300を上下方向に走るように設けられており、バ
ーナBの燃焼時には当該配管L4内を流れる水が気化さ
れて水蒸気が生成されるようになっている。In the present embodiment, the portion of the pipe L3 inserted into the inside of the reforming reaction tank 10 is formed into a spiral with a predetermined pitch, and the heat exchange area is designed to be large to improve the heat exchange efficiency. Is being planned. The pipe L4 is a pipe for supplying water, and is provided so as to spirally turn above the burner B and then run vertically in the space 300. When the burner B burns, the pipe L4 flows through the pipe L4. The flowing water is vaporized to generate steam.
【0031】前記配管L3は、この配管L4と合流してお
り、原燃料と空気の混合物に更に水が混入され前記原燃
料混合物となって前記改質反応槽10に供給される。配
管L4には水流量計M3が取着され、運転時には流量が計
測されてその計測データが前記制御部40に伝達され、
前記水ポンプP2の送液力が当該制御部40によって制
御される。The pipe L3 joins the pipe L4. Water is further mixed into the mixture of the raw fuel and air to be supplied to the reforming reaction tank 10 as the raw fuel mixture. A water flow meter M3 is attached to the pipe L4, the flow rate is measured during operation, and the measurement data is transmitted to the control unit 40,
The liquid sending power of the water pump P2 is controlled by the control unit 40.
【0032】前記改質反応槽10と前記シフト反応槽2
0とはそれら上部、つまり第2バッファ層120と第3
バッファ層210とが連通される位置で複数の連結管L
5…によって連結されている。前記シフト反応槽20下
部には、配管L6が連結されており、一酸化炭素CO濃
度が低減された改質ガスが燃料電池50に向けて導出さ
れる。The reforming reaction tank 10 and the shift reaction tank 2
0 indicates the upper part thereof, that is, the second buffer layer 120 and the third
A plurality of connection pipes L at positions where the connection pipes communicate with the buffer layer 210.
They are linked by 5 ... A pipe L6 is connected to a lower portion of the shift reaction tank 20, and a reformed gas having a reduced carbon monoxide CO concentration is led out to the fuel cell 50.
【0033】前記制御部40は、図示しないが装置全体
の制御を統括するCPUと、原燃料供給用ポンプP1,
水ポンプP2やファンF1,F2等の駆動力を調整するた
めのプログラムを内蔵したROMと、一時的に流量デー
タ、温度データや燃料電池の負荷電流値を格納するRA
Mと、原燃料供給用ポンプP1,水ポンプP2やファンF
1,F2等に駆動信号を送る駆動回路、各流量計M1,M
2,M3及び温度センサSe1と接続された拡張I/Oと
から構成されている。The control unit 40 includes a CPU (not shown) that controls the entire apparatus, and a raw fuel supply pump P 1,
A ROM containing a program for adjusting the driving force of the water pump P2 and the fans F1 and F2, and an RA for temporarily storing flow rate data, temperature data, and load current values of the fuel cell.
M, raw fuel supply pump P1, water pump P2 and fan F
1, a drive circuit for sending a drive signal to F2, etc., and each flow meter M1, M
2, M3 and an extended I / O connected to the temperature sensor Se1.
【0034】[水素製造装置の運転について] (1) 装置起動時について 装置起動時には室温から所定の温度にまで昇温(400
℃前後にまで)させることが必要となる。ここでは以下
のようにして昇温される。まず、操作者によって図示し
ないスタートボタンがONされると、前記制御部40の
指示によってバーナBに炭化水素等の燃焼用の燃料が供
給されると共に、空気ファンF2が駆動されて燃焼用空
気が供給されバーナBで燃焼されることによって高温の
燃焼ガスが発生される。この燃焼ガスが前記空間300
に送り込まれ、改質反応槽10の加熱が行われる。[Regarding Operation of Hydrogen Production Apparatus] (1) At the time of starting the apparatus At the time of starting the apparatus, the temperature is raised from room temperature to a predetermined temperature (400
C.). Here, the temperature is raised as follows. First, when a start button (not shown) is turned on by an operator, fuel for combustion such as hydrocarbons is supplied to the burner B by the instruction of the control unit 40, and the air fan F2 is driven to generate combustion air. The high-temperature combustion gas is generated by being supplied and burned by the burner B. This combustion gas is supplied to the space 300
And the reforming reaction tank 10 is heated.
【0035】前記昇温が進行して所定の温度(例えば、
400℃、前記温度センサSe1によって検出する。)
に達すれば、制御部40の指示によって原燃料供給用ポ
ンプP1、水ポンプP2及び空気ファンF1が駆動されて
原燃料、水及び反応用の空気の供給が開始され、徐々に
定常運転の状態に近づくよう安定化させる。即ち、この
段階では部分酸化反応の燃焼熱により触媒層の内部から
とバーナBの燃焼により触媒層の外部からの双方から反
応槽が温めらる。As the temperature rise proceeds, a predetermined temperature (for example,
400 ° C. is detected by the temperature sensor Se1. )
, The raw fuel supply pump P1, the water pump P2, and the air fan F1 are driven by the instruction of the control unit 40 to start supplying the raw fuel, water, and reaction air, and gradually become a steady operation state. Stabilize to get closer. That is, at this stage, the reaction tank is heated both from the inside of the catalyst layer by the combustion heat of the partial oxidation reaction and from the outside of the catalyst layer by the combustion of the burner B.
【0036】ここで改質触媒層100が所定温度(55
0℃程度)に達すれば、バーナB用燃料の供給が止めら
れバーナBの燃焼が停止される。そして、バーナBを作
動させて外部から熱を補わなくても部分酸化反応の燃焼
熱だけで自立的に定常的な運転がなされるように原燃
料、空気及び水の供給量が所定量になるように制御され
る。Here, the reforming catalyst layer 100 is heated to a predetermined temperature (55
When the temperature reaches about 0 ° C.), the supply of the fuel for the burner B is stopped, and the combustion of the burner B is stopped. Then, the supply amounts of the raw fuel, air, and water become predetermined amounts so that the burner B is operated and the steady operation is performed independently only by the combustion heat of the partial oxidation reaction without supplementing heat from the outside. Is controlled as follows.
【0037】(2) 定常運転時について 定常運転時において供給される原燃料、空気及び水の供
給量は次のようにして制御され、改質ガスの生成が安定
して行われる。制御器40は、燃料電池50の負荷電流
値に基づいて原燃料供給用ポンプP1、空気ファンF1、
水ポンプP2の駆動力を制御して各流量を設定する。(2) Steady State Operation The supply amounts of the raw fuel, air and water supplied during the steady state operation are controlled as follows, and the generation of the reformed gas is performed stably. The controller 40 controls the raw fuel supply pump P1, the air fan F1,
Each flow rate is set by controlling the driving force of the water pump P2.
【0038】まず、原燃料供給用ポンプP1の原燃料供
給量は、燃料電池50における燃料(水素ガス)利用率
が所定値(例えば、80%)になるように、燃料電池5
0の負荷電流に応じて設定される。次に、制御部40に
よって空気流量計の計測データに基づいて、空気ファン
F1の空気量が、空燃比が所定の比率となるように制御
される。First, the raw fuel supply amount of the raw fuel supply pump P1 is adjusted so that the fuel (hydrogen gas) utilization rate in the fuel cell 50 becomes a predetermined value (for example, 80%).
0 is set according to the load current. Next, the control unit 40 controls the air amount of the air fan F1 based on the measurement data of the air flow meter so that the air-fuel ratio becomes a predetermined ratio.
【0039】この比率(空燃比)は、予め操作者によっ
て設定されているものであって部分酸化反応による燃焼
熱によって水蒸気改質反応に必要な熱量を十分に得られ
るように設定され、ここでは水素製造装置がバーナBを
作動させなくても部分酸化反反応の燃焼熱だけで自立的
に定常運転される値、つまり反応系全体として発熱反応
となる値(例えば、11を越える値)に設定される。こ
れについては後述する。This ratio (air-fuel ratio) is set by the operator in advance, and is set so that the heat of combustion required for the partial oxidation reaction can sufficiently obtain the heat required for the steam reforming reaction. It is set to a value that allows the hydrogen production apparatus to operate autonomously and steadily by the combustion heat of the partial oxidation reaction alone without operating the burner B, that is, a value that causes an exothermic reaction in the entire reaction system (for example, a value exceeding 11) Is done. This will be described later.
【0040】水ポンプP2の水流量は、燃料流量の設定
値と予め操作者によるスチーム・カーボン比(以下、S
/Cと略記する。)の設定値に基づいて設定される。な
お、S/Cの設定値は、任意に設定可能であり水の量が
多い方が望ましいが、部分酸化反応での燃焼熱と水の蒸
発潜熱及び水蒸気改質反応の反応熱とがバランスするよ
うな範囲とするのが望ましく、ここではS/C=1に設
定して運転を行う。The water flow rate of the water pump P2 depends on the set value of the fuel flow rate and the steam-carbon ratio (hereinafter referred to as S
Abbreviated as / C. ) Is set based on the setting value. The set value of S / C can be set arbitrarily, and it is desirable that the amount of water is large. However, the combustion heat in the partial oxidation reaction, the latent heat of evaporation of water, and the reaction heat of the steam reforming reaction are balanced. It is desirable to set it in such a range. Here, the operation is performed with S / C = 1.
【0041】このような定常運転時には、前記配管L3
内を流れる冷たい原燃料混合物と前記第2バッファ層1
20中の高温の改質ガスとの間で熱交換して、冷たい原
燃料混合物は熱せられる。そして、改質反応層100を
通過する際に、当該改質触媒層100の反応熱を受けて
水蒸気の生成が行われる。つまり、装置内の反応層の顕
熱を有効利用することによってボイラ等の特別な加熱装
置を用いなくとも簡単な構成で原燃料、空気の加熱を行
うとともに、改質反応に必要な水蒸気が生成されること
となる。During such a steady operation, the pipe L3
The cold raw fuel mixture flowing through the second buffer layer 1
The cold raw fuel mixture is heated by heat exchange with the hot reformed gas in 20. Then, when passing through the reforming reaction layer 100, steam is generated by receiving the reaction heat of the reforming catalyst layer 100. In other words, by effectively utilizing the sensible heat of the reaction layer in the device, the raw fuel and air can be heated with a simple configuration without using a special heating device such as a boiler, and the steam required for the reforming reaction is generated. Will be done.
【0042】一方、シフト反応槽20に供給される改質
ガスは、前記配管L3内を流れる冷たい原燃料混合物と
熱交換してシフト反応に適した温度(250℃〜300
℃)にまで冷却される。なお、シフト反応は、改質ガス
中の残余の水蒸気との反応によって行われる。これは、
水蒸気改質反応の副生成物である一酸化炭素CO濃度は
低いので水蒸気の残余量が少なくてもこの残余量で十分
に反応させることができるからである。On the other hand, the reformed gas supplied to the shift reaction tank 20 exchanges heat with the cold raw fuel mixture flowing in the pipe L3 to a temperature (250 ° C. to 300 ° C.) suitable for the shift reaction.
(° C). The shift reaction is performed by a reaction with the residual steam in the reformed gas. this is,
This is because the concentration of carbon monoxide CO, which is a by-product of the steam reforming reaction, is low, so that even if the residual amount of steam is small, the reaction can be sufficiently performed using this residual amount.
【0043】[空燃比と改質反応槽での発熱量との関係
について]次に、空燃比(ブタン/空気)と改質反応槽
での発熱量との関係について具体的に述べる。図3は、
S/Cを一定とし空燃比を変化させて前記水素製造装置
を運転したときの発熱量(W,理論値)と空燃比との関
係を表す特性図である。[Relationship between air-fuel ratio and heat value in reforming reaction tank] Next, the relationship between air-fuel ratio (butane / air) and heat value in the reforming reaction tank will be specifically described. FIG.
FIG. 4 is a characteristic diagram illustrating a relationship between a calorific value (W, a theoretical value) and an air-fuel ratio when the hydrogen production apparatus is operated with the S / C kept constant and the air-fuel ratio changed.
【0044】この特性図は、以下の手順で導き出された
ものであり、ブタン改質反応(部分酸化反応と水蒸気改
質反応)が以下の反応式化4及び図4に示す反応経路に
沿って実施される場合を想定して導き出した。This characteristic diagram is derived by the following procedure. The butane reforming reaction (partial oxidation reaction and steam reforming reaction) is performed according to the following reaction formula 4 and the reaction path shown in FIG. It was derived assuming that it would be implemented.
【0045】[0045]
【化4】 Embedded image
【0046】初めに、ブタン改質に必要な熱は、反応物
であるブタン、空気及び水の昇温(T0→T1に昇温)に
要する顕熱、水の蒸発潜熱及び反応熱である。反応熱は
反応物及び生成物(改質ガス)の組成及び反応温度(T
1)に基づいて算出した。生成物の組成は、反応温度が
T1で、図5に示すように平衡に達したものと仮定し
(図5で、各反応の平衡定数をKp1,Kp2で表
す。)、反応物供給量、供給温度(T0)、反応温度
(T1)及び反応圧力(P)を入力パラメータとして熱
物質収支計算を行った。First, the heat required for butane reforming is the sensible heat, the latent heat of vaporization of water, and the heat of reaction required for raising the temperature of the reactants butane, air and water (heating from T0 to T1). The heat of reaction is determined by the composition of the reactant and product (reformed gas) and the reaction temperature (T
Calculated based on 1). The composition of the product is assumed to reach equilibrium as shown in FIG. 5 at the reaction temperature T1 (in FIG. 5, the equilibrium constant of each reaction is represented by Kp1 and Kp2), The thermal mass balance calculation was performed using the supply temperature (T0), the reaction temperature (T1) and the reaction pressure (P) as input parameters.
【0047】以上の計算に基づきグラフ化したものが前
記図3であり、図3において熱量のマイナス(−)の領
域は、発熱状態であることを表す。図3に示すように、
発熱反応である部分酸化反応と吸熱反応である水蒸気改
質反応との間の熱収支だけであれば空気量が少なくても
図中(◆−◆)線で表されるように発熱であるが、部分
酸化反応の燃焼熱は水蒸気改質反応に供される以外に水
の蒸発潜熱及び反応物の昇温に要され改質反応系全体と
しては、空気量が多くなければ、つまり空燃比11未満
では図中(×−×)線によって表されるように吸熱反応
となってしまう。FIG. 3 is a graph based on the above calculations. In FIG. 3, a minus (-) area of the calorific value indicates a heating state. As shown in FIG.
If only the heat balance between the partial oxidation reaction, which is an exothermic reaction, and the steam reforming reaction, which is an endothermic reaction, even if the amount of air is small, it is exothermic as shown by the line (◆-◆) in the figure. The combustion heat of the partial oxidation reaction is used not only for the steam reforming reaction but also for the latent heat of evaporation of water and the temperature rise of the reactants. If it is less than the above, an endothermic reaction will occur as represented by the (xx) line in the figure.
【0048】従って、空燃比を11よりも大きな値に設
定してはじめて前記自立的な運転が可能になる。尤も、
前記バーナBで熱量を補うのであれば、空燃比を反応系
全体として吸熱反応である領域(11より小さい値)に
設定しても運転することができるのは言うまでもない
が、その場合にはバーナBの燃焼用燃料ぶんだけ運転コ
ストが若干嵩むことになる。Therefore, the autonomous operation becomes possible only when the air-fuel ratio is set to a value larger than 11. Of course,
If the calorific value is supplemented by the burner B, it is needless to say that the operation can be performed even if the air-fuel ratio is set to an endothermic reaction region (a value smaller than 11) as the whole reaction system. The operating cost is slightly increased by the amount of the combustion fuel of B.
【0049】[その他の効果]配管L3内の水と、改質
触媒層100内のガスは前記のように向流であるので、
改質触媒層100内において入口側と出口側との温度差
は小さい。つまり、入口側は、加熱された原燃料混合物
によって温められ、出口側は、配管L3を流れる原燃料
混合物によって冷却されるので、改質触媒層100は、
反応ガスの流れ方向(上下方向、反応進行方向上流側か
ら下流側)で温度差が小さくなる。これにより改質反応
が均一的に行われることになり、局所的な反応の進行が
防止され、部分的な触媒の劣化が防止されることにもな
る。[Other effects] Since the water in the pipe L3 and the gas in the reforming catalyst layer 100 are countercurrent as described above,
The temperature difference between the inlet side and the outlet side in the reforming catalyst layer 100 is small. That is, the inlet side is warmed by the heated raw fuel mixture, and the outlet side is cooled by the raw fuel mixture flowing through the pipe L3.
The temperature difference becomes smaller in the flow direction of the reaction gas (vertical direction, the upstream side to the downstream side in the reaction progress direction). As a result, the reforming reaction is performed uniformly, the local progress of the reaction is prevented, and the catalyst is partially prevented from being deteriorated.
【0050】また、シフト触媒層内の温度も前記改質触
媒層の場合と同様に、反応ガス流れ方向で均一化される
といった効果もある程度は奏する。 〔実施の形態2〕本実施の形態の水素製造装置は、前記
シフト反応槽に代えて選択酸化反応槽(CO除去器)を
配設した前記水素製造装置と同様の2重円筒管構造体を
装置本体とするものである。Further, as in the case of the reforming catalyst layer, the temperature in the shift catalyst layer is also made uniform to some extent in the flow direction of the reaction gas. [Embodiment 2] The hydrogen production apparatus of the present embodiment employs a double cylindrical tube structure similar to the hydrogen production apparatus in which a selective oxidation reaction tank (CO remover) is provided instead of the shift reaction tank. It is the device body.
【0051】前記選択酸化反応槽では、下記化5に示す
ような選択酸化反応により一酸化炭素COを除去する。In the selective oxidation reaction tank, carbon monoxide CO is removed by a selective oxidation reaction as shown in the following chemical formula 5.
【0052】[0052]
【化5】 Embedded image
【0053】本実施の形態では、改質触媒層100を5
00℃以下の低温で運転することにより、改質反応で副
次的に生成される一酸化炭素CO量は、前記化1の化学
平衡が左にシフトすることで減少する。そのためシフト
反応槽(CO変成器)がなくとも選択酸化反応を担う一
つの反応槽(CO除去器)だけで、固体高分子型燃料電
池の発電に支障のない程度にまで一酸化炭素CO濃度を
十分に低減させることができる。In this embodiment, the reforming catalyst layer 100 is
By operating at a low temperature of 00 ° C. or lower, the amount of carbon monoxide CO by-produced by the reforming reaction is reduced by shifting the chemical equilibrium of Chemical Formula 1 to the left. Therefore, even without a shift reaction tank (CO converter), only one reaction tank (CO remover) responsible for the selective oxidation reaction can reduce the carbon monoxide CO concentration to such an extent that the power generation of the polymer electrolyte fuel cell is not hindered. It can be reduced sufficiently.
【0054】運転温度の制御は、前記温度センサSe1
で温度を検出し500℃以下の所定温度となるように、
予め実験的に求めた作動温度と水量との関係を表すデー
タに基づき水供給量を制御部で演算し、この演算結果に
基づいて水量を設定することで行われる。また、反応ガ
スの流れ方向下流側の選択酸化反応に供される酸素が十
分に確保されるように空気量や空間速度等の運転条件を
設定する。The operation temperature is controlled by the temperature sensor Se1.
In order to detect the temperature and to reach a predetermined temperature of 500 ° C. or less,
The water supply amount is calculated by the control unit based on data indicating the relationship between the operating temperature and the water amount experimentally obtained in advance, and the water amount is set based on the calculation result. In addition, the operating conditions such as the amount of air and the space velocity are set so that sufficient oxygen is supplied to the selective oxidation reaction on the downstream side in the flow direction of the reaction gas.
【0055】このように空気を供給すれば、改質ガス中
の残余の酸素を用いて選択酸化反応が行われるので、選
択酸化反応槽に改めてファン等で空気を強制的に供給す
る必要がなく、装置構成の簡略化にも寄与する。なお、
前記運転条件は、原燃料の供給量、水蒸気の供給量、改
質触媒層の触媒活性、反応温度等について実験的に求め
るものである。By supplying air in this manner, the selective oxidation reaction is carried out using the remaining oxygen in the reformed gas, so that it is not necessary to forcibly supply air to the selective oxidation reaction tank again with a fan or the like. This also contributes to simplification of the device configuration. In addition,
The operating conditions are obtained experimentally with respect to the supply amount of raw fuel, the supply amount of steam, the catalytic activity of the reforming catalyst layer, the reaction temperature, and the like.
【0056】また、前記シフト反応槽を保存するに際し
ては、触媒が酸化するのを防止するために、不活性ガス
をパージするのが通例であるが、選択酸化反応槽では触
媒は、空気酸化しても何ら支障がないのでこのような不
活性ガスをパージするといった操作は不用となり操作者
にとっては取り扱いやすい。また、前記改質反応槽10
は低温で作動されるので、コストが安価な材料(例え
ば、SUS)でその反応槽の容器を構成できるといった
利点もある。In storing the shift reaction tank, it is customary to purge an inert gas to prevent the catalyst from being oxidized. However, in the selective oxidation reaction tank, the catalyst is oxidized by air. Even if there is no problem, such an operation as purging the inert gas is unnecessary and the operator can easily handle the operation. In addition, the reforming reaction tank 10
Since is operated at low temperature, there is also an advantage that the container of the reaction tank can be constituted by a low-cost material (for example, SUS).
【0057】次に、前記低温で運転動作について例示的
に説明する。定常運転時は、S/Cを2〜5の所定値に
空燃比を6に設定し、適宜前記バーナBを作動させなが
ら反応温度が500℃になるように運転した。このよう
にして、定常運転した場合の改質反応槽直下流のガス組
成の測定結果を下記表1に示す。なお、表1の各S/C
に対するガスの数値は、単位体積当たりの体積%で表し
ている。Next, the operation at a low temperature will be exemplified. During the steady operation, the S / C was set to a predetermined value of 2 to 5, the air-fuel ratio was set to 6, and the burner B was operated so that the reaction temperature reached 500 ° C. while operating appropriately. Table 1 below shows the measurement results of the gas composition immediately downstream of the reforming reaction tank when the steady operation was performed. In addition, each S / C of Table 1
The numerical value of the gas with respect to is expressed in volume% per unit volume.
【0058】[0058]
【表1】 [Table 1]
【0059】前記表1示すように改質温度が500℃の
場合では1.6〜2.4%であるの対して、600℃の
場合には4.1〜7.9%と低温の500℃の方がCO
濃度は低減されることが分かる。また、S/C各設定値
での一酸化炭素CO濃度に着目すれば、S/Cを大きく
(水蒸気量を多くする)設定することで水素の生成量を
32.7,38.4,42.5,45.5%と増やし一
酸化炭素CO濃度を更に低減させられることが分かる。
なお、固体高分子型燃料電池システムに当該水素製造装
置を用いる場合には、このように大きなS/Cに設定す
れば、固体高分子型燃料電池の加湿も不要となるといっ
た利点もある。As shown in Table 1, when the reforming temperature is 500.degree. C., it is 1.6 to 2.4%, whereas when the reforming temperature is 600.degree. ℃ is CO
It can be seen that the concentration is reduced. Focusing on the carbon monoxide CO concentration at each set value of S / C, setting the S / C to a large value (increase the amount of water vapor) increases the hydrogen generation amount by 32.7, 38.4, and 42. It can be seen that the carbon monoxide CO concentration can be further reduced by increasing to 0.5,45.5%.
When the hydrogen production apparatus is used in a polymer electrolyte fuel cell system, setting such a large S / C has an advantage that humidification of the polymer electrolyte fuel cell is not required.
【0060】このように改質反応直後の改質ガスは、一
酸化炭素COの含有量が高温(600℃)の場合に比べ
て少ないので、選択酸化反応だけで十分に燃料電池の運
転に支障のない程度にまで、CO濃度の低減を図ること
が可能となる。 〔実施の形態3〕本実施の形態に係る水素製造装置は、
装置本体60構造を若干異にする以外その他の構成は前
記実施の形態1と同様の構成であるので差分のみを説明
する。As described above, since the reformed gas immediately after the reforming reaction has a lower carbon monoxide CO content than at a high temperature (600 ° C.), the selective oxidation reaction alone does not sufficiently interfere with the operation of the fuel cell. It is possible to reduce the CO concentration to the extent that there is no occurrence. [Embodiment 3] The hydrogen production apparatus according to the present embodiment
The other configuration is the same as that of the first embodiment except that the structure of the apparatus main body 60 is slightly different, so only the differences will be described.
【0061】図6は、当該水素製造装置の要部断面図で
ある。なお、説明を簡略にするためにシフト反応槽は図
示していない。当該水素製造装置本体60は、図6に示
すように、原燃料混合物供給用の配管L7と、改質触媒
層63上方に確保されたバッファ層61と、当該バッフ
ァ層61と改質触媒層63下方に確保されたバッファ層
62(実施の形態1の第1バッファ層110に相当す
る。)とを連通し且つ前記改質触媒層63を貫通するよ
うに分散して配設された複数個の配管L8…とを備え、
前記配管L7からの原燃料混合物は前記バッファ層61
に流れ込み、当該バッファ層61から前記配管L8…に
分配され前記バッファ層62に流れ込む構成になってい
る。FIG. 6 is a sectional view of an essential part of the hydrogen production apparatus. Note that the shift reaction tank is not shown for simplicity. As shown in FIG. 6, the hydrogen production device main body 60 includes a raw fuel mixture supply pipe L7, a buffer layer 61 secured above the reforming catalyst layer 63, the buffer layer 61 and the reforming catalyst layer 63. The buffer layer 62 (corresponding to the first buffer layer 110 according to the first embodiment) secured below communicates with the buffer layer 62 and is dispersed and disposed so as to penetrate the reforming catalyst layer 63. With piping L8 ...
The raw fuel mixture from the pipe L7
, And is distributed from the buffer layer 61 to the pipes L8... To flow into the buffer layer 62.
【0062】なお、実施の形態1における前記第2バッ
ファ層120に相当する改質ガス回収用のバッファ層6
4が、前記バッファ層61と改質触媒層63との間に確
保されている。このような構成の水素製造装置において
は基本的な運転動作は、実施の形態1と同様であるが、
原燃料混合物は複数個の配管L8から改質触媒層100
に分配されるので、改質触媒層100の面方向に均一に
分配されるといった効果がある。The buffer layer 6 for recovering the reformed gas corresponding to the second buffer layer 120 in the first embodiment
4 is secured between the buffer layer 61 and the reforming catalyst layer 63. The basic operation of the hydrogen production apparatus having such a configuration is the same as that of the first embodiment,
The raw fuel mixture is supplied to the reforming catalyst layer 100 through a plurality of pipes L8.
Is distributed uniformly in the surface direction of the reforming catalyst layer 100.
【0063】〔実施の形態4〕本実施の形態は、前記実
施の形態1の水素製造装置において昇温機構を異にする
以外は、これと同様の構成であるので差分のみを説明す
る。図7は、当該水素製造装置の要部断面図である。な
お、便宜上一酸化炭素CO濃度低減のための反応槽は、
図示していない。[Embodiment 4] This embodiment has the same configuration as that of the hydrogen production apparatus of Embodiment 1 except that the temperature raising mechanism is different, so only the differences will be described. FIG. 7 is a sectional view of a main part of the hydrogen production apparatus. For convenience, the reaction tank for reducing the carbon monoxide CO concentration is:
Not shown.
【0064】図7に示すように、当該水素製造装置にお
ける装置本体は、燃料を燃焼して高温の燃焼ガスを生成
する燃焼部70(バーナや燃焼触媒で構成される。)を
備え、当該燃焼部70は、適当数貫通孔(不図示)を有
した仕切板71(例えば、網材)を介して前記第1バッ
ファ層110と隣接されており、高温の燃焼ガスがこの
貫通孔と第1バッファ層110を通って改質触媒層10
0に供給されるようになっている。As shown in FIG. 7, the apparatus main body of the hydrogen production apparatus includes a combustion section 70 (composed of a burner and a combustion catalyst) for burning fuel to generate high-temperature combustion gas. The portion 70 is adjacent to the first buffer layer 110 via a partition plate 71 (for example, a net material) having an appropriate number of through holes (not shown). Through the buffer layer 110, the reforming catalyst layer 10
0 is supplied.
【0065】また、この水素製造装置は、前記燃焼部7
0に燃料及び空気の混合物を供給する配管L9と、燃料
及び空気の混合物を改質触媒層100に供給し改質反応
槽10内部でスパイラル形状に成形された配管L10(前
記配管L3に相当する配管)と、これら配管L9及び配管
L10間の流路の切り換えを担い各配管L9,L10に挿設
された制御バルブV1,V2と、温度センサSe1の検出
温度に基づきこれら制御バルブV1及び制御バルブV2を
制御する制御部75とを備えている。Further, the hydrogen producing apparatus is provided with
A pipe L9 for supplying a mixture of fuel and air to the fuel tank and a pipe L10 for supplying a mixture of fuel and air to the reforming catalyst layer 100 and forming a spiral shape inside the reforming reaction tank 10 (corresponding to the pipe L3). Pipes), control valves V1 and V2 inserted in the pipes L9 and L10 for switching the flow paths between the pipes L9 and L10, and these control valves V1 and V2 based on the temperature detected by the temperature sensor Se1. And a control unit 75 for controlling V2.
【0066】前記配管L9には、前記ポンプP1からの原
燃料とファンF1からの空気とが前記原燃料・空気混合
部15で混合されたものが送り込まれる。燃焼部70へ
の燃焼用燃料と空気は、改質反応用の原燃料と空気と供
給駆動源が共通であって、改質触媒層100の温度に基
づき制御バルブV1,V2が制御部75によって制御され
て燃焼部70への供給から改質反応槽10への供給へと
切り換えられる。A mixture of the raw fuel from the pump P1 and the air from the fan F1 in the raw fuel / air mixing section 15 is fed into the pipe L9. The combustion fuel and air to the combustion unit 70 have the same raw fuel and air for the reforming reaction and the same supply driving source. Based on the temperature of the reforming catalyst layer 100, the control valves V1 and V2 are controlled by the control unit 75. Control is switched from supply to the combustion section 70 to supply to the reforming reaction tank 10.
【0067】具体的には、起動時には制御バルブV1の
みを開いて原燃料と空気の混合物を供給する共に、点火
プラグGに通電することで燃料に点火し完全燃焼させ
る。そして、改質触媒層の温度が所定温度に達すれば
(例えば、400℃)、制御バルブV1を閉じ、制御バ
ルブV2を開き水ポンプP2をも駆動して水を混合して改
質触媒層に原燃料混合物を供給し、反応環境を安定化さ
せ定常状態に近づける。安定化すると原燃料、空気及び
水供給量が制御されながら定常運転が行われる。Specifically, at the time of startup, only the control valve V1 is opened to supply the mixture of the raw fuel and air, and the fuel is ignited and completely burned by energizing the ignition plug G. Then, when the temperature of the reforming catalyst layer reaches a predetermined temperature (for example, 400 ° C.), the control valve V1 is closed, the control valve V2 is opened, and the water pump P2 is also driven to mix water to form the reforming catalyst layer. The raw fuel mixture is supplied to stabilize the reaction environment and approach a steady state. When stabilized, the steady operation is performed while controlling the supply amounts of the raw fuel, air and water.
【0068】前述したように改質触媒層やシフト触媒層
の外部を流れて当該触媒層を加熱するのではなく、触媒
自体を高温の燃焼ガスと直接接触させて改質触媒層をダ
イレクトに且つその内部から加熱することにより、外部
加熱のように装置本体を大型化することなく迅速且つ均
一的に昇温を行うことができる。しかも、バーナBで燃
焼させる燃料には、改質反応に用いる燃料が同じポンプ
P1で送り出されたものを用いるので、別途、バーナB
燃料供給用のポンプ等を配設する必要がなく装置構成が
簡略なものとなるといった効果もある。As described above, instead of flowing outside the reforming catalyst layer and the shift catalyst layer to heat the catalyst layer, the catalyst itself is brought into direct contact with the high-temperature combustion gas to directly and directly contact the reforming catalyst layer. By heating from the inside, the temperature can be raised quickly and uniformly without increasing the size of the apparatus main body unlike the external heating. Moreover, since the fuel used for the reforming reaction is sent out by the same pump P1 as the fuel burned by the burner B, the burner B
There is also an effect that it is not necessary to provide a fuel supply pump or the like, and the device configuration is simplified.
【0069】なお、改質触媒層だけでなく改質触媒層の
改質ガスの流れ方向下流に配設されたシフト反応層や選
択酸化触媒層などにも、前記燃焼部70の燃焼ガスを流
せばそれらの反応層の昇温をも迅速に行うことができ
る。 〔実施の形態5〕前記実施の形態に係る水素製造装置
は、周囲に改質触媒が配置された配管部内で原燃料の予
熱と水蒸気の生成を行う構成であったが、本実施の形態
に係る水素製造装置は、原燃料の予熱と水蒸気の生成を
改質触媒層に周設された伝熱粒子の充填層内で行う構成
である。以下前記実施の形態との差分のみを説明する。It is to be noted that the combustion gas of the combustion section 70 can be supplied not only to the reforming catalyst layer but also to a shift reaction layer, a selective oxidation catalyst layer, etc. disposed downstream of the reforming catalyst layer in the flow direction of the reforming gas. In this case, the temperature of the reaction layers can be quickly raised. [Embodiment 5] The hydrogen production apparatus according to the embodiment has a configuration in which the raw fuel is preheated and the steam is generated in a pipe section around which a reforming catalyst is disposed. Such a hydrogen production apparatus is configured to perform preheating of raw fuel and generation of steam in a packed bed of heat transfer particles provided around a reforming catalyst layer. Hereinafter, only differences from the above embodiment will be described.
【0070】図8は、本実施の形態に係る水素製造装置
本体の断面図である。この図8に示すように、前記改質
反応槽10と前記シフト反応槽20の間には、有天且つ
有底の円筒体の原燃料混合物加熱槽80が前記改質触媒
槽10に周囲密接した状態に配設されている。当該原燃
料混合物加熱槽80は、筒体の中央部には一対の網材8
2a間に金属粒子などの良伝熱性材料82bが充填され
てなる伝熱層82が配設され、その上には導入された冷
たい原燃料混合物を拡散するためのバッファ層81及び
前記伝熱層82を経た原燃料混合物が回収されるバッフ
ァ層83が確保されている。FIG. 8 is a sectional view of the hydrogen production apparatus main body according to the present embodiment. As shown in FIG. 8, between the reforming reaction tank 10 and the shift reaction tank 20, a raw fuel mixture heating tank 80 having a cylindrical body having a bottom and a bottom is closely attached to the reforming catalyst tank 10. It is arranged in the state where it did. The raw fuel mixture heating tank 80 has a pair of mesh members 8 at the center of the cylindrical body.
A heat transfer layer 82, which is filled with a good heat transfer material 82b such as metal particles, is provided between 2a, on which a buffer layer 81 for diffusing the introduced cold raw fuel mixture and the heat transfer layer A buffer layer 83 from which the raw fuel mixture passed through 82 is recovered is secured.
【0071】前記バッファ層81は、前記第2バッファ
層120の周囲に位置されており、当該バッファ層81
内の原燃料混合物は、改質反応により生成された高温の
改質ガスと熱交換して伝熱層82に導入される前に予熱
され、逆に改質ガスはシフト反応にふさわしい温度に冷
却される。前記伝熱層82は、改質触媒層100の周囲
に位置され、当該改質触媒層100の部分酸化反応によ
る燃焼熱が伝熱されて高温の層となる。そして、バッフ
ァ層81からの原燃料混合物はこの高温の伝熱層82で
更に加熱され水蒸気が生成される。The buffer layer 81 is located around the second buffer layer 120,
The raw fuel mixture inside is preheated before being introduced into the heat transfer layer 82 by heat exchange with the high temperature reformed gas generated by the reforming reaction, and conversely, the reformed gas is cooled to a temperature suitable for the shift reaction. Is done. The heat transfer layer 82 is located around the reforming catalyst layer 100, and becomes a high-temperature layer by transferring heat of combustion due to a partial oxidation reaction of the reforming catalyst layer 100. Then, the raw fuel mixture from the buffer layer 81 is further heated in the high-temperature heat transfer layer 82 to generate steam.
【0072】前記バッファ層83は、前記第1バッファ
層110と連通されており、前記伝熱層82からの加熱
された原燃料混合物は、当該バッファ層83で回収さ
れ、前記第1バッファ層110から改質触媒層100に
分配され反応に供される。このように本実施の形態に係
る水素製造装置では、改質触媒層100周囲に原燃料混
合物加熱槽80が配設され、この構造に基づき改質触媒
層100における燃焼熱が有効に利用されて原燃料と空
気の加熱又水蒸気の生成が行われる。The buffer layer 83 communicates with the first buffer layer 110, and the heated raw fuel mixture from the heat transfer layer 82 is recovered by the buffer layer 83 and is mixed with the first buffer layer 110. Is distributed to the reforming catalyst layer 100 and subjected to the reaction. As described above, in the hydrogen production apparatus according to the present embodiment, the raw fuel mixture heating tank 80 is provided around the reforming catalyst layer 100, and the combustion heat in the reforming catalyst layer 100 is effectively used based on this structure. The raw fuel and air are heated or steam is generated.
【0073】なお、本実施の形態のように原燃料混合物
加熱槽80が改質触媒槽10に周設された形態よりも前
記実施の形態1〜4のように改質触媒層の中に原燃料加
熱槽が挿設(内設)された構成の方が、伝熱効率の観点
から並びに装置がコンパクトである点からはより望まし
い形態である。 〔変形例〕本発明は、以上の実施の形態に限定されない
のは言うまでもなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内
において種々の形態で実施可能であり、以下の変形例が
考えられる。It is to be noted that the raw fuel mixture heating tank 80 is provided around the reforming catalyst tank 10 as in the present embodiment, and the raw fuel mixture heating tank 80 is provided in the reforming catalyst layer as in the first to fourth embodiments. The configuration in which the fuel heating tank is inserted (internally installed) is a more desirable form from the viewpoint of heat transfer efficiency and from the viewpoint that the apparatus is compact. [Modifications] It is needless to say that the present invention is not limited to the above embodiments, but can be implemented in various forms without departing from the gist of the present invention, and the following modifications are possible.
【0074】即ち、 (1) 前記実施の形態における水素製造装置の運転に
おいて、S/C及び空燃比は前述した数値に限定され
ず、運転条件に応じて任意に設定することができる。 (2) 前記実施の形態では部分酸化反応用の触媒層と
水蒸気改質反応用の触媒層とが一体となった形態の水素
製造装置を示したがこれに限定されず、部分酸化用の触
媒層と水蒸気改質反応用の触媒層とを独立別体とし部分
酸化反応と水蒸気改質反応とを逐次的に行う構成の場合
にも同様に部分酸化反応用の触媒層に対して原燃料混合
物を加熱する通路を設ければ同様の効果が得られる。な
お、この場合には部分酸化反応の熱は水蒸気改質層に伝
熱される際に損失しやすくなるので、空燃比をより大き
く設定して燃焼熱をより多く発生させるか乃至はバーナ
Bを作動させて外部から熱量を補いながら運転すること
が望ましい。That is, (1) In the operation of the hydrogen production apparatus according to the above-described embodiment, the S / C and the air-fuel ratio are not limited to the above-mentioned values, but can be arbitrarily set according to the operation conditions. (2) In the above embodiment, the hydrogen production apparatus in which the catalyst layer for the partial oxidation reaction and the catalyst layer for the steam reforming reaction are integrated is shown, but the present invention is not limited to this. In the case where the layer and the catalyst layer for the steam reforming reaction are independently provided separately and the partial oxidation reaction and the steam reforming reaction are sequentially performed, the raw fuel mixture is similarly applied to the catalyst layer for the partial oxidation reaction. A similar effect can be obtained by providing a passage for heating the. In this case, since the heat of the partial oxidation reaction is likely to be lost when the heat is transferred to the steam reforming layer, a larger air-fuel ratio is set to generate more combustion heat or the burner B is operated. It is desirable to operate while supplementing the amount of heat from outside.
【0075】(3) 前記改質触媒層100は、充填粒
子が充填されたものであったが、これに限定されず、例
えば表面に金属触媒が担持されてなる伝熱フィンの板を
複数枚配設した触媒層としても良い。しかし、この場合
には、前記配管L3が挿設された構造体を作製する段階
で、前記伝熱フィン一部を切り欠いたりして成形しなけ
ればならないので、装置製造の簡略性を考慮すれば充填
材を用いる方が望ましい。(3) The reforming catalyst layer 100 is a layer filled with filler particles. However, the present invention is not limited to this. For example, a plurality of heat transfer fin plates having a metal catalyst supported on the surface thereof may be used. The catalyst layer may be provided. However, in this case, at the stage of manufacturing the structure in which the pipe L3 is inserted, the heat transfer fins must be partially cut or formed, so that the simplicity of device manufacturing is taken into consideration. It is more preferable to use a filler.
【0076】(4) 更に、前記実施の形態では、燃料
の加熱と水蒸気の生成双方を部分酸化反応の顕熱を用い
配管或は良伝熱性の充填層からなる同一の通路内で行っ
たが、燃料の加熱と水蒸気の生成それぞれを別個の通路
で行うこともできるし又燃料の加熱と水蒸気の生成の何
れか一方に部分酸化反応の顕熱を用いるようにすること
もできる。この場合にも部分酸化反応の顕熱を利用する
方には加熱手段を別途配設する必要がないのでそのぶん
構成が簡略になるといった効果は得られる。(4) Further, in the above embodiment, both heating of fuel and generation of water vapor are performed in the same passage made of piping or a packed bed of good heat transfer using sensible heat of the partial oxidation reaction. The heating of the fuel and the generation of steam can be performed in separate passages, or the sensible heat of the partial oxidation reaction can be used for either heating of the fuel or generation of steam. Also in this case, there is no need to separately provide a heating means for utilizing the sensible heat of the partial oxidation reaction, so that the effect of simplifying the configuration can be obtained.
【0077】[0077]
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明の水素
製造装置は、水素製造装置において、燃料を部分的に酸
化する部分酸化反応層を配した部分酸化部と、水蒸気の
供給を受けて燃料を水蒸気改質反応して水素リッチな改
質ガスを生成する水蒸気改質触媒層を配した改質部と、
燃料の加熱を行い、当該加熱した燃料を前記部分酸化部
に供給する燃料供給手段と、水蒸気の生成を行い、当該
水蒸気を前記改質部に供給する水蒸気供給手段とを備
え、前記燃料供給手段と前記水蒸気供給手段の少なくと
も一方は、熱源として前記部分酸化反応で発生する熱を
用いていることを特徴とする。As described above, the hydrogen production apparatus according to the present invention is characterized in that, in the hydrogen production apparatus, a partial oxidation section provided with a partial oxidation reaction layer for partially oxidizing fuel is supplied to the hydrogen production apparatus. A reforming section provided with a steam reforming catalyst layer that generates a hydrogen-rich reformed gas by performing a steam reforming reaction on fuel;
A fuel supply unit for heating the fuel and supplying the heated fuel to the partial oxidation unit; and a steam supply unit for generating steam and supplying the steam to the reforming unit. And at least one of the steam supply means uses heat generated by the partial oxidation reaction as a heat source.
【0078】或は、水蒸気の供給を受けて燃料を水蒸気
改質反応して水素リッチな改質ガスを生成するととも
に、酸素を用いて燃料を部分的に酸化する部分酸化反応
を併発する水蒸気改質触媒層を配した改質部と、燃料の
加熱を行い、当該加熱した燃料を前記水蒸気改質部に供
給する燃料供給手段と、水蒸気の生成を行い、当該水蒸
気を前記改質部に供給する水蒸気供給手段とを備え、前
記燃料供給手段と前記水蒸気供給手段の少なくとも一方
は、熱源として部分酸化反応で発生する熱を用いている
ことを特徴とする。Alternatively, a steam reforming reaction is performed on the fuel in response to the supply of steam to generate a hydrogen-rich reformed gas and a partial oxidation reaction for partially oxidizing the fuel using oxygen is performed. And a fuel supply unit for heating the fuel and supplying the heated fuel to the steam reforming unit, and generating steam to supply the steam to the reforming unit. Wherein at least one of the fuel supply means and the water vapor supply means uses heat generated by a partial oxidation reaction as a heat source.
【0079】この何れの場合も燃料加熱用或は水蒸気発
生用のボイラや熱交換器等の加熱装置を配設しなくと
も、発熱反応である部分酸化反応の顕熱を有効に利用し
て燃料の加熱や水蒸気の生成を行うので、装置構成を複
雑にすることなく簡略な構成で燃料加熱や水蒸気発生を
行うことができる。更に、部分酸化反応が併発される形
態の場合には、前記水蒸気供給手段に、前記部分酸化部
で発生する熱を用いて水蒸気を発生する水蒸気生成部を
設け、当該水蒸気生成部の水蒸気の流れを前記部分酸化
部反応での反応ガスの流れに対して向流とすることによ
り、水蒸気改質触媒層の燃料入口部分は温かい水蒸気の
熱が伝熱されるのに対して出口部分では冷たい水により
冷却効果があるので、水蒸気改質触媒層の反応ガス流れ
方向の温度は均一化されるといった効果を奏する。In any of these cases, the sensible heat of the partial oxidation reaction, which is an exothermic reaction, can be effectively used without providing a heating device such as a boiler or heat exchanger for heating the fuel or generating steam. Heating and steam generation, fuel heating and steam generation can be performed with a simple configuration without complicating the device configuration. Further, in the case where the partial oxidation reaction occurs simultaneously, the steam supply means is provided with a steam generation unit that generates steam using heat generated in the partial oxidation unit, and the flow of steam in the steam generation unit is controlled. Is made to flow countercurrent to the flow of the reaction gas in the partial oxidation section reaction, so that the heat of the hot steam is transferred to the fuel inlet portion of the steam reforming catalyst layer, while the outlet portion is formed by cold water. Since there is a cooling effect, there is an effect that the temperature of the steam reforming catalyst layer in the reaction gas flow direction is made uniform.
【0080】ここで前記水蒸気生成部を前記水蒸気改質
触媒層に内設すれば、装置がよりコンパクトになるし、
部分酸化反応の顕熱が水蒸気生成部に効率よく伝熱され
る。また、前記燃料供給手段に、前記部分酸化反応で発
生する熱を熱源として燃料を加熱する燃料加熱部を設
け、当該燃料加熱部の燃料の流れを前記部分酸化反応で
の反応ガスの流れに対して向流とすることにより、水蒸
気生成部の場合と同様に水蒸気改質触媒層の反応ガスの
流れ方向の温度を均一にする効果を奏する。If the steam generating section is provided in the steam reforming catalyst layer, the apparatus becomes more compact,
The sensible heat of the partial oxidation reaction is efficiently transferred to the steam generator. Further, the fuel supply means is provided with a fuel heating unit for heating fuel using heat generated in the partial oxidation reaction as a heat source, and the flow of the fuel in the fuel heating unit with respect to the flow of the reaction gas in the partial oxidation reaction. The countercurrent flow has the effect of making the temperature of the steam reforming catalyst layer in the flow direction of the reaction gas uniform, as in the case of the steam generation section.
【0081】前記燃料加熱部は、前記水蒸気生成部と同
様に水蒸気改質触媒層に内設すれば、装置がコンパクト
になるなどの効果がある。更に、装置をコンパクトにす
るという観点で、前記水蒸気生成部と燃料加熱部とは共
通の通路とすることが望ましい。この通路は、例えば、
単なる配管でも良いし、配管内に良伝熱粒子を充填し熱
伝導性の向上を図ったものとしてもよく、その形態は特
に限定されない。If the fuel heating section is provided in the steam reforming catalyst layer similarly to the steam generation section, there are effects such as a reduction in the size of the apparatus. Further, from the viewpoint of making the apparatus compact, it is desirable that the steam generation section and the fuel heating section are formed as a common passage. This passage, for example,
A simple pipe may be used, or the pipe may be filled with good heat transfer particles to improve thermal conductivity, and the form is not particularly limited.
【0082】また、本発明の水素製造装置は、燃料を燃
焼させて燃焼ガスを生成する燃料燃焼部を有し、前記改
質触媒は当該燃料燃焼部と燃焼ガス通路によって連通さ
れ、前記燃焼ガスを当該燃焼ガス通路から前記改質触媒
に導入し、当該改質触媒を加熱するので、装置本体を大
型化することなく触媒層の内部からより迅速に且つ均一
的に昇温させることができる。Further, the hydrogen production apparatus of the present invention has a fuel combustion section for burning fuel to generate combustion gas, wherein the reforming catalyst is communicated with the fuel combustion section by a combustion gas passage, and Is introduced into the reforming catalyst from the combustion gas passage, and the reforming catalyst is heated, so that the temperature can be quickly and uniformly increased from the inside of the catalyst layer without increasing the size of the apparatus body.
【0083】更に、本発明の燃料を酸素と反応させて部
分酸化反応させる部分酸化反応ステップと、当該部分酸
化反応で発生する燃焼熱を用いて500℃以下で前記燃
料を水蒸気改質反応して水素リッチな改質ガスを生成す
る改質ガス生成ステップと、前記改質ガス中の一酸化炭
素を改質ガス中の残余の酸素と反応させて選択的に酸化
する選択酸化ステップとを備えた水素製造方法によれ
ば、CO変成器を設けなくとも少ない装置構成で十分に
一酸化炭素CO濃度の低減を図ることができる。加え
て、選択酸化反応ステップを改質ガス中の残余の酸素を
用いて行うため、選択酸化反応のために改めてファン等
で空気を強制的に供給する必要がなく、装置簡略化にも
寄与する。Further, a partial oxidation reaction step of reacting the fuel of the present invention with oxygen to cause a partial oxidation reaction is performed, and the fuel is subjected to a steam reforming reaction at 500 ° C. or lower using combustion heat generated by the partial oxidation reaction. A reformed gas generating step of generating a hydrogen-rich reformed gas; and a selective oxidation step of selectively oxidizing by reacting carbon monoxide in the reformed gas with residual oxygen in the reformed gas. According to the hydrogen production method, the carbon monoxide CO concentration can be sufficiently reduced with a small apparatus configuration without providing a CO converter. In addition, since the selective oxidation reaction step is performed using the residual oxygen in the reformed gas, there is no need to forcibly supply air again with a fan or the like for the selective oxidation reaction, which contributes to simplification of the apparatus. .
【図1】一の実施の形態に係る水素製造装置の本体構成
を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view illustrating a main body configuration of a hydrogen production apparatus according to one embodiment.
【図2】前記水素製造装置を適応した燃料電池システム
の構成を示すブロック図(前記水素製造装置の要部断面
図を含む)である。FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system to which the hydrogen production apparatus is applied (including a cross-sectional view of a main part of the hydrogen production apparatus).
【図3】空燃比を変化させて前記水素製造装置を運転し
たときの発熱量(W)と空燃比との関係を表す特性図で
ある。FIG. 3 is a characteristic diagram showing a relationship between a calorific value (W) and an air-fuel ratio when the hydrogen production apparatus is operated while changing an air-fuel ratio.
【図4】ブタン改質反応の反応経路の模式図である。FIG. 4 is a schematic view of a reaction path of a butane reforming reaction.
【図5】ブタン改質反応とシフト反応との平衡状態を表
す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing an equilibrium state between a butane reforming reaction and a shift reaction.
【図6】別な実施の形態に係る水素製造装置の要部断面
図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of a main part of a hydrogen production apparatus according to another embodiment.
【図7】更に別な水素製造装置の要部断面図である。FIG. 7 is a sectional view of a main part of still another hydrogen production apparatus.
【図8】更に別な水素製造装置の要部断面図である。FIG. 8 is a sectional view of a main part of still another hydrogen production apparatus.
1 水素製造装置本体 10 改質反応槽 15 原燃料・空気混合部 20 シフト反応槽 30 加熱槽 40 制御部 50 燃料電池 60 水素製造装置本体 61 バッファ層 62 バッファ層 63 改質触媒層 64 バッファ層 70 燃焼部 71 仕切板 80 原燃料混合物加熱槽 81 バッファ層 82 伝熱層 83 バッファ層 100 改質触媒層 101 容器 110 第1バッファ層 120 第2バッファ層 200 シフト触媒層 210 第3バッファ層 220 第4バッファ層 P1 原燃料供給用ポンプ P2 水ポンプ M1 原燃料流量計 M2 空気流量計 M3 水流量計 F1,F2 ファン Se1 温度センサ REFERENCE SIGNS LIST 1 hydrogen production apparatus main body 10 reforming reaction tank 15 raw fuel / air mixing section 20 shift reaction tank 30 heating tank 40 control section 50 fuel cell 60 hydrogen production apparatus main body 61 buffer layer 62 buffer layer 63 reforming catalyst layer 64 buffer layer 70 Combustion unit 71 Partition plate 80 Raw fuel mixture heating tank 81 Buffer layer 82 Heat transfer layer 83 Buffer layer 100 Reforming catalyst layer 101 Container 110 First buffer layer 120 Second buffer layer 200 Shift catalyst layer 210 Third buffer layer 220 Fourth Buffer layer P1 Raw fuel supply pump P2 Water pump M1 Raw fuel flow meter M2 Air flow meter M3 Water flow meter F1, F2 Fan Se1 Temperature sensor
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小田 勝也 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 三宅 泰夫 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Katsuya Oda 2-5-2-5 Keihanhondori, Moriguchi-shi, Osaka Sanyo Electric Co., Ltd. (72) Yasuo Miyake 2-5-2 Keihanhondori, Moriguchi-shi, Osaka No. 5 Sanyo Electric Co., Ltd.
Claims (9)
を配した部分酸化部と、 水蒸気の供給を受けて燃料を水蒸気改質反応して水素リ
ッチな改質ガスを生成する水蒸気改質触媒層を配した改
質部と、 燃料の加熱を行い、当該加熱した燃料を前記部分酸化部
に供給する燃料供給手段と、 水蒸気の生成を行い、当該水蒸気を前記改質部に供給す
る水蒸気供給手段とを備え、 前記燃料供給手段と前記水蒸気供給手段の少なくとも一
方は、熱源として前記部分酸化反応で発生する熱を用い
ていることを特徴とする水素製造装置。1. A partial oxidation unit having a partial oxidation reaction layer for partially oxidizing a fuel, and a steam reforming unit that receives a supply of steam and performs a steam reforming reaction on the fuel to generate a hydrogen-rich reformed gas. A reforming section provided with a catalyst layer, a fuel supply means for heating the fuel and supplying the heated fuel to the partial oxidation section, and a steam for generating steam and supplying the steam to the reforming section A hydrogen supply device, wherein at least one of the fuel supply unit and the water vapor supply unit uses heat generated by the partial oxidation reaction as a heat source.
反応して水素リッチな改質ガスを生成するとともに、酸
素を用いて燃料を部分的に酸化する部分酸化反応を併発
する水蒸気改質触媒層を配した改質部と、 燃料の加熱を行い、当該加熱した燃料を前記改質部に供
給する燃料供給手段と、 水蒸気の生成を行い、当該水蒸気を前記改質部に供給す
る水蒸気供給手段とを備え、 前記燃料供給手段と前記水蒸気供給手段の少なくとも一
方は、熱源として部分酸化反応で発生する熱を用いてい
ることを特徴とする水素製造装置。2. A steam reforming system that receives a supply of steam to perform a steam reforming reaction on a fuel to generate a hydrogen-rich reformed gas, and also involves a partial oxidation reaction for partially oxidizing the fuel using oxygen. A reforming section provided with a catalyst layer, fuel supply means for heating the fuel and supplying the heated fuel to the reforming section, and steam for generating steam and supplying the steam to the reforming section A hydrogen production apparatus, comprising: a supply unit; and at least one of the fuel supply unit and the steam supply unit uses heat generated by a partial oxidation reaction as a heat source.
応で発生する熱を熱源として水蒸気を生成する水蒸気生
成部を有し、 当該水蒸気生成部の水蒸気の流れは、前記水蒸気改質触
媒層内での反応ガスの流れに対して向流であることを特
徴とする請求項2記載の水素製造装置。3. The steam supply unit has a steam generation unit that generates steam by using heat generated by the partial oxidation reaction as a heat source, and the flow of the steam in the steam generation unit is in the steam reforming catalyst layer. 3. The hydrogen production apparatus according to claim 2, wherein the flow is countercurrent to the flow of the reaction gas in the step.
で発生する熱を熱源として燃料を加熱する燃料加熱部を
有し、 当該燃料加熱部の燃料の流れは、前記水蒸気改質触媒層
の反応ガスの流れに対して向流であることを特徴とする
請求項2若しくは3の何れかに記載の水素製造装置。4. The fuel supply unit has a fuel heating unit that heats fuel by using heat generated by the partial oxidation reaction as a heat source, and the flow of the fuel in the fuel heating unit is controlled by the steam reforming catalyst layer. 4. The hydrogen production apparatus according to claim 2, wherein the flow is countercurrent to the flow of the reaction gas.
媒層に内設されていることを特徴とする請求項2〜4の
何れかに記載の水素製造装置。5. The hydrogen production apparatus according to claim 2, wherein the steam generation section is provided inside the steam reforming catalyst layer.
層に内設されていることを特徴とする請求項2〜5の何
れかに記載の水素製造装置。6. The hydrogen production apparatus according to claim 2, wherein the fuel heating section is provided inside the steam reforming catalyst layer.
の通路で構成されていることを特徴とする請求項2〜6
の何れかに記載の水素製造装置。7. The fuel cell according to claim 2, wherein the steam generation section and the fuel heating section are configured by a common passage.
The hydrogen production apparatus according to any one of the above.
改質ガスを生成する改質触媒を備えた水素製造装置であ
って、 燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃料燃焼部を有
し、 前記改質触媒は当該燃料燃焼部と燃焼ガス通路によって
連通され、前記燃焼ガスは当該燃焼ガス通路から前記改
質触媒に導入され、当該改質触媒は加熱されることを特
徴とする水素製造装置。8. A hydrogen production apparatus comprising a reforming catalyst for producing a hydrogen-rich reformed gas by performing a steam reforming reaction on a fuel, comprising a fuel combustion section for burning a fuel to produce a combustion gas. The reforming catalyst is communicated with the fuel combustion section by a combustion gas passage, the combustion gas is introduced from the combustion gas passage to the reforming catalyst, and the reforming catalyst is heated. Manufacturing equipment.
せる部分酸化反応ステップと、 当該部分酸化反応で発生する燃焼熱を用いて500℃以
下で前記燃料を水蒸気改質反応して水素リッチな改質ガ
スを生成する改質ガス生成ステップと、 前記改質ガス中の一酸化炭素を改質ガス中の残余の酸素
と反応させて選択的に酸化する選択酸化ステップとを備
えることを特徴とする水素製造方法。9. A partial oxidation reaction step in which a fuel is reacted with oxygen to cause a partial oxidation reaction, and a steam reforming reaction is performed on the fuel at 500 ° C. or lower using combustion heat generated in the partial oxidation reaction to form a hydrogen-rich fuel. A reformed gas generating step of generating a reformed gas, and a selective oxidation step of selectively oxidizing by reacting carbon monoxide in the reformed gas with the remaining oxygen in the reformed gas. Hydrogen production method.
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