JP5140361B2 - Fuel cell reformer - Google Patents

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Description

本発明は、原燃料を、燃料電池システムにおいて使用される改質ガスに改質する燃料電池用改質装置に関する。   The present invention relates to a reformer for a fuel cell that reforms raw fuel into a reformed gas used in a fuel cell system.

固体高分子形燃料電池は、水素が有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を発生する。実用的には、固体高分子形燃料電池の燃料となる水素は、比較的容易かつ安価に入手可能な天然ガス、ナフサ等の炭化水素系ガスまたはメタノール等のアルコール類の原燃料ガスと水蒸気とを混合して、改質器で改質することで得ている。改質により得られた水素ガスは燃料電池の燃料極に供給され、発電に用いられる。   A polymer electrolyte fuel cell generates electric power by converting chemical energy of hydrogen into electric energy. Practically, hydrogen used as a fuel for a polymer electrolyte fuel cell is a natural gas, a hydrocarbon gas such as naphtha, or a raw fuel gas of alcohols such as methanol and water vapor, which can be obtained relatively easily and inexpensively. Are mixed and reformed by a reformer. Hydrogen gas obtained by reforming is supplied to the fuel electrode of the fuel cell and used for power generation.

一般に、改質器は、水蒸気による原燃料ガスの改質反応に必要な熱を供給するためのバーナを備える。バーナで燃料を燃焼させて生じた燃焼ガスを、燃焼筒から改質反応部の近傍に設けられた経路に導くことにより、燃焼ガスの熱エネルギーが改質反応に利用される（例えば、特許文献１、２参照）。
特開２００７−１５９１１号公報 国際公開第０３／７８３１１号パンフレット Generally, the reformer includes a burner for supplying heat necessary for the reforming reaction of the raw fuel gas with steam. The combustion gas generated by burning the fuel with the burner is guided from the combustion cylinder to a path provided in the vicinity of the reforming reaction section, whereby the thermal energy of the combustion gas is used for the reforming reaction (for example, Patent Documents). 1 and 2).
JP 2007-15911 A International Publication No. 03/78311 Pamphlet

特許文献１、２記載の改質器は、バーナで原燃料を燃焼して発生した燃焼排ガスを改質部の内側に流すことで、燃焼排ガスの熱エネルギーを高温の水蒸気の生成や改質部の反応に用いている。都市ガス等の原燃料から燃料電池の発電燃料である水素を生成する改質効率を考慮すると、改質器の内部において燃焼排ガスや改質ガスの熱が水蒸気の生成や改質部の反応により多く用いられることが求められる。   The reformers described in Patent Documents 1 and 2 flow the combustion exhaust gas generated by burning the raw fuel with a burner to the inside of the reforming unit, thereby generating thermal energy of the combustion exhaust gas to generate high-temperature steam and the reforming unit. It is used for the reaction. Considering the reforming efficiency of generating hydrogen, which is power generation fuel for fuel cells, from raw fuel such as city gas, the heat of combustion exhaust gas and reformed gas is generated inside the reformer due to the generation of water vapor and reaction of the reforming unit. It is required to be used frequently.

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池用改質装置における改質効率を向上する技術を提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a technique for improving reforming efficiency in a fuel cell reforming apparatus.

上記課題を解決するために、本発明のある態様の燃料電池用改質装置は、原燃料を水素リッチな改質ガスに改質する燃料電池用改質装置であって、原燃料から改質ガスを生成する改質部と、改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減するシフト変成部と、シフト変成部を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化して低減する選択酸化部と、改質部とシフト変成部と選択酸化部とをこの順番に直線状に収納する改質反応筒と、改質反応筒の改質部側の端部に形成された燃焼室に配置され、原燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼手段と、改質反応筒の外周に配置され、該改質反応筒より径が大きい外筒と、改質反応筒と外筒との間に形成され、改質反応筒を加熱するために燃焼排ガスが通過する加熱流路と、改質部に水蒸気を供給するために、水が改質反応筒の内部を選択酸化部側から改質部側に向かって流れるように設けられている水蒸気供給路と、水蒸気供給路と該水蒸気供給路において通過する水が気化する箇所よりも上流側で合流し、原燃料を供給する原燃料供給路と、を備え、合流し、原燃料を供給する原燃料供給路と、を備える。水蒸気供給路は、改質ガスおよび燃焼排ガスから熱を回収するとともに、その熱により水と原燃料とを混合状態で気化および／または昇温させ、かつ前記シフト変成部および前記選択酸化部を冷却するように構成されている。 In order to solve the above problems, a fuel cell reforming apparatus according to an aspect of the present invention is a fuel cell reforming apparatus that reforms a raw fuel into a hydrogen-rich reformed gas. Reducing part that generates gas, shift shift part that reduces carbon monoxide contained in the reformed gas by a shift reaction, and selective oxidation of carbon monoxide contained in the reformed gas that has passed through the shift shift part The selective oxidation section, the reforming section, the shift shift conversion section, and the selective oxidation section that are stored in a straight line in this order, and the combustion formed at the end of the reforming reaction cylinder on the reforming section side A combustion means for combusting raw fuel to produce combustion exhaust gas, an outer cylinder arranged on the outer periphery of the reforming reaction cylinder, and having a diameter larger than the reforming reaction cylinder, and the reforming reaction cylinder and the outer cylinder And a heating flow path through which the flue gas passes to heat the reforming reaction cylinder, and a reforming section In order to supply steam, and steam supply passage water is provided so as to flow toward the reforming portion inside the reforming reaction tube from the selective oxidation unit side, pass in the steam supply passage and the water vapor supply passage And a raw fuel supply path for supplying the raw fuel and a raw fuel supply path for supplying the raw fuel. The steam supply passage recovers heat from the reformed gas and the combustion exhaust gas, vaporizes and / or raises the temperature of the water and raw fuel in a mixed state by the heat , and cools the shift shift conversion section and the selective oxidation section. It is configured to be so that.

この態様によると、水蒸気供給路において水を水蒸気へ気化させるために改質ガスから回収された熱が用いられるため、燃料電池用改質装置から外部へ送出される改質ガスの温度を下げることができる。   According to this aspect, since the heat recovered from the reformed gas is used to vaporize water into steam in the steam supply path, the temperature of the reformed gas sent out from the reformer for the fuel cell is lowered. Can do.

本発明によれば、燃料電池用改質装置における改質効率を向上することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the reforming efficiency in the reformer for fuel cells can be improved.

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、説明の都合上、図の上下左右と対応させて各部材間の位置関係を説明するが、あくまでも相対的な位置関係でありこれに限定されるものではない。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate. Further, for convenience of explanation, the positional relationship between the respective members will be described in correspondence with the upper, lower, left, and right sides of the drawing, but it is a relative positional relationship to the last and is not limited to this.

図１は、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０の構成を示す断面図である。燃料電池用改質装置１０は、原燃料であるメタンやプロパン、ブタン等を水蒸気改質により水素リッチな改質ガスを生成する。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a fuel cell reforming apparatus 10 according to the present embodiment. The fuel cell reformer 10 generates a hydrogen-rich reformed gas by steam reforming methane, propane, butane, or the like, which is a raw fuel.

燃料電池用改質装置１０は、原燃料から改質ガスを生成する改質部１２と、改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減するシフト変成部１４と、シフト変成部１４を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化反応により選択酸化し低減する選択酸化部１６と、改質部１２とシフト変成部１４と選択酸化部１６とをこの順番に直線状に収納する改質反応筒１８と、原燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼手段としてのバーナ２０と、改質反応筒１８の外周に同軸に配置され、改質反応筒１８より径が大きい外筒２２と、を備える。外筒２２の周囲は、複数の配管が外部と連通している箇所を除いて断熱材２４で覆われている。改質反応筒１８は、改質部１２側が下部になるとともに選択酸化部１６側が上部になるように鉛直方向に配置されていることが好ましい。   The fuel cell reformer 10 includes a reforming unit 12 that generates reformed gas from raw fuel, a shift shifter 14 that reduces carbon monoxide contained in the reformed gas by a shift reaction, and a shift shifter 14. The selective oxidation unit 16 that selectively oxidizes and reduces carbon monoxide contained in the reformed gas that has passed through, and the reforming unit 12, the shift shift conversion unit 14, and the selective oxidation unit 16 are linearly stored in this order. A reforming reaction cylinder 18, a burner 20 as a combustion means for combusting raw fuel to generate combustion exhaust gas, and an outer periphery having a diameter larger than that of the reforming reaction cylinder 18. A cylinder 22. The periphery of the outer cylinder 22 is covered with a heat insulating material 24 except for a place where a plurality of pipes communicate with the outside. The reforming reaction cylinder 18 is preferably arranged in the vertical direction so that the reforming unit 12 side is at the bottom and the selective oxidation unit 16 side is at the top.

バーナ２０は、空気取入口２６から取り入れた空気と燃料取入口２８から取り入れた原燃料オフガスとを混合して燃焼させる。バーナ２０で原燃料ガスが燃焼することによって、１２００〜１３００℃の高温の燃焼排ガスが発生する。バーナ２０は、改質反応筒１８の改質部１２側の端部に形成された燃焼室３０に配置されているとともに、外筒２２の下部に固定されている。これにより、バーナ２０で生成された燃焼排ガスの熱をすぐに改質部１２における改質反応に用いることができるので、熱効率を向上することができる。   The burner 20 mixes and burns the air taken in from the air intake 26 and the raw fuel off-gas taken in from the fuel intake 28. When the raw fuel gas burns in the burner 20, a high-temperature combustion exhaust gas of 1200 to 1300 ° C. is generated. The burner 20 is disposed in the combustion chamber 30 formed at the end of the reforming reaction cylinder 18 on the reforming section 12 side, and is fixed to the lower portion of the outer cylinder 22. As a result, the heat of the combustion exhaust gas generated by the burner 20 can be immediately used for the reforming reaction in the reforming section 12, so that the thermal efficiency can be improved.

改質反応筒１８と外筒２２との間には、改質反応筒１８を加熱するために前述の燃焼排ガスが通過する加熱流路３２が形成されている。   Between the reforming reaction cylinder 18 and the outer cylinder 22, a heating flow path 32 through which the above-described combustion exhaust gas passes is formed in order to heat the reforming reaction cylinder 18.

改質部１２は、改質反応筒１８の底部に設けられている改質反応筒１８より外径の小さいケース３４と、ケース３４の下方に収納された、ニッケルやルテニウム等の金属粒子をアルミナに担持した改質触媒を含む触媒層３６とを有する。ケース３４の上面には、原燃料と水蒸気とが混合された状態で流入する開口部３８が形成されている。また、ケース３４は、触媒層３６の側面から改質ガスが通過できるように、側面に通気口が設けられている。   The reforming unit 12 is made of a case 34 having a smaller outer diameter than the reforming reaction tube 18 provided at the bottom of the reforming reaction tube 18, and metal particles such as nickel and ruthenium housed under the case 34 are made of alumina. And a catalyst layer 36 containing a reforming catalyst supported on the catalyst. On the upper surface of the case 34, an opening 38 is formed through which raw fuel and water vapor are mixed. The case 34 is provided with a vent on the side surface so that the reformed gas can pass from the side surface of the catalyst layer 36.

原燃料は、原燃料供給路４０を経由して燃料電池用改質装置１０の外部から改質部１２の触媒層３６に供給される。この際、原燃料は、加熱流路３２を流れる燃料排ガスや改質反応筒１８の内部の改質ガスにより昇温させられるとともに、改質ガスの温度を低下させる。   The raw fuel is supplied to the catalyst layer 36 of the reforming unit 12 from the outside of the fuel cell reforming apparatus 10 via the raw fuel supply path 40. At this time, the temperature of the raw fuel is raised by the fuel exhaust gas flowing through the heating flow path 32 and the reformed gas inside the reforming reaction cylinder 18 and the temperature of the reformed gas is lowered.

また、改質部１２における改質反応に必要な水蒸気は、水蒸気供給路４２を経由して燃料電池用改質装置１０の外部から供給された改質水から生成される。水蒸気供給路４２は、改質水が改質反応筒１８の内部を選択酸化部１６側から改質部１２側に向かって流れるように設けられている。そして、水蒸気供給路４２は、燃焼排ガスや改質反応筒１８の内部で昇温されている改質ガスから熱を回収するとともに、その熱により外部から供給された液体である改質水を水蒸気へ気化させる。その結果、改質水は、水蒸気として触媒層３６に供給されるとともに、シフト変成部１４や選択酸化部１６の温度を低下させる。   Further, the steam necessary for the reforming reaction in the reforming unit 12 is generated from the reformed water supplied from the outside of the fuel cell reforming apparatus 10 via the steam supply path 42. The steam supply path 42 is provided such that the reformed water flows in the reforming reaction cylinder 18 from the selective oxidation unit 16 side toward the reforming unit 12 side. The steam supply path 42 recovers heat from the combustion exhaust gas or the reformed gas whose temperature is raised inside the reforming reaction cylinder 18, and converts the reformed water, which is a liquid supplied from the outside by the heat, into steam. Vaporize. As a result, the reformed water is supplied to the catalyst layer 36 as water vapor and reduces the temperature of the shift shift unit 14 and the selective oxidation unit 16.

本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０において、原燃料供給路４０は、水蒸気供給路４２と、水蒸気供給路４２において通過する水が気化される箇所より上流側の合流部１１４で合流している。水蒸気供給路４２は、外筒２２および改質反応筒１８の内部において、その一部が螺旋状に巻かれたコイル形状を有しており、表面積が増すことで水が気化し易くなっているため、少なくともコイルの下端では水蒸気が生成されている。また、水蒸気供給路４２は、改質反応筒１８の内部において、水が選択酸化部１６側から改質部１２側に向かって流れるように設けられているので、水の気化時に水の閉塞による圧力変動が抑制される。   In the fuel cell reforming apparatus 10 according to the present embodiment, the raw fuel supply path 40 joins at the steam supply path 42 and the junction 114 at the upstream side of the location where water passing through the steam supply path 42 is vaporized. doing. The steam supply path 42 has a coil shape in which a part of the steam supply path 42 is spirally wound inside the outer cylinder 22 and the reforming reaction cylinder 18, and water is easily vaporized by increasing the surface area. Therefore, water vapor is generated at least at the lower end of the coil. Further, since the water vapor supply path 42 is provided in the reforming reaction cylinder 18 so that water flows from the selective oxidation unit 16 side toward the reforming unit 12 side, the water vapor supply path 42 is blocked by water at the time of vaporization of water. Pressure fluctuation is suppressed.

シフト変成部１４は、例えば、酸化銅や酸化亜鉛のペレットからなる触媒層４６と、触媒層４６を担持するとともに下方から上方へ改質ガスが透過するように孔が形成されている仕切り板４８とを有する。シフト変成部１４は、触媒層４６の働きにより改質ガスに含まれる水蒸気を用いたシフト反応により一酸化炭素を低減することができる。   The shift shifter 14 includes, for example, a catalyst layer 46 made of copper oxide or zinc oxide pellets, and a partition plate 48 that supports the catalyst layer 46 and has holes formed so that the reformed gas permeates from below to above. And have. The shift shifter 14 can reduce carbon monoxide by a shift reaction using water vapor contained in the reformed gas by the action of the catalyst layer 46.

選択酸化部１６は、例えば、アルミナで担持した一酸化炭素選択酸化触媒からなる触媒層５０と、触媒層５０を担持するとともに下方から上方へ改質ガスが透過するように孔が形成されている仕切り板５２とを有する。選択酸化部１６では、触媒層５０の働きにより酸素で一酸化炭素を酸化し二酸化炭素にすることで、一酸化炭素の濃度が更に低減される。   For example, the selective oxidation unit 16 has a catalyst layer 50 made of a carbon monoxide selective oxidation catalyst supported by alumina, and a hole formed so as to support the catalyst layer 50 and allow the reformed gas to permeate from below to above. And a partition plate 52. In the selective oxidation unit 16, the concentration of carbon monoxide is further reduced by oxidizing the carbon monoxide with oxygen by the action of the catalyst layer 50 to carbon dioxide.

本実施の形態に係る選択酸化部１６は、水蒸気供給路４２が通過している領域Ａ以外の領域に、改質ガスの流れの抵抗となる抵抗部材１２６が設けられている。これにより、燃焼排ガスで加熱されている改質ガスは、選択酸化部１６を通過する水蒸気供給路４２のコイルに向かって流れやすくなり、水蒸気供給路４２の内部の水、あるいは、水蒸気に熱を供給しやすくなる。抵抗部材１２６としては、改質ガスの流れを完全に遮断する部材であるとよい。これにより、改質ガスは、選択酸化部１６の触媒層５０へ導入される。なお、シフト変成部１４に前述のような抵抗部材を設けても同様の効果を得ることができる。   In the selective oxidation unit 16 according to the present embodiment, a resistance member 126 that provides resistance to the flow of the reformed gas is provided in a region other than the region A through which the water vapor supply path 42 passes. As a result, the reformed gas heated by the combustion exhaust gas easily flows toward the coil of the water vapor supply path 42 that passes through the selective oxidation unit 16, and heats the water inside the water vapor supply path 42 or the water vapor. Easy to supply. The resistance member 126 may be a member that completely blocks the flow of the reformed gas. As a result, the reformed gas is introduced into the catalyst layer 50 of the selective oxidation unit 16. It should be noted that the same effect can be obtained even if the above-described resistance member is provided in the shift transformer 14.

シフト変成部１４と選択酸化部１６との間の領域には、選択酸化部１６で消費される酸素を供給するために、燃料電池用改質装置１０の外部と連通している空気供給路５４の先端部５６が配置されている。これにより、先端部５６から流入する空気は、シフト変成部１４で一酸化炭素が低減された改質ガスとともに上昇し、選択酸化部１６における反応に寄与する。   An air supply path 54 that communicates with the outside of the fuel cell reforming apparatus 10 to supply oxygen consumed by the selective oxidation unit 16 to a region between the shift shift unit 14 and the selective oxidation unit 16. The distal end portion 56 is disposed. As a result, the air flowing from the tip 56 rises together with the reformed gas from which carbon monoxide has been reduced in the shift shift unit 14 and contributes to the reaction in the selective oxidation unit 16.

選択酸化部１６の上方の、改質反応筒１８の上面には、開口部５８が形成されている。開口部５８には、一酸化炭素が十分低減された改質ガスを不図示の燃料電池の燃料極へ送出する改質ガス送出管６０が接続されている。   An opening 58 is formed on the upper surface of the reforming reaction cylinder 18 above the selective oxidation unit 16. Connected to the opening 58 is a reformed gas delivery pipe 60 for delivering a reformed gas with sufficiently reduced carbon monoxide to the fuel electrode of a fuel cell (not shown).

次に、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０の動作について説明する。バーナ２０で生成された燃焼排ガスは、改質反応筒１８の下面を加熱した後に加熱流路３２を上昇しながら改質反応筒１８を側面から加熱する。この際、触媒層３６は、改質反応筒１８を介して改質反応に必要な温度、例えば、６００〜７００℃の範囲に加熱される。また、水蒸気供給路４２は、直接的または改質反応筒１８を介して間接的に燃料排ガスにより加熱され、内部を通る改質水が気化される。一方、燃料排ガスは、加熱流路３２を上昇するに従い水蒸気供給路４２により冷却され徐々に温度が低下する。   Next, the operation of the fuel cell reforming apparatus 10 according to the present embodiment will be described. The combustion exhaust gas generated by the burner 20 heats the reforming reaction cylinder 18 from the side while ascending the heating channel 32 after heating the lower surface of the reforming reaction cylinder 18. At this time, the catalyst layer 36 is heated through the reforming reaction cylinder 18 to a temperature necessary for the reforming reaction, for example, in the range of 600 to 700 ° C. Further, the water vapor supply path 42 is heated directly or indirectly by the fuel exhaust gas via the reforming reaction cylinder 18, and the reformed water passing through the inside is vaporized. On the other hand, the fuel exhaust gas is cooled by the water vapor supply passage 42 as the heating passage 32 is raised, and the temperature gradually decreases.

原燃料供給路４０は合流部１１４で水蒸気供給路４２と合流しており、改質水と原燃料は、混合状態で水蒸気供給路４２において気化、昇温されながらケース３４の内部を下方に送り出される。本実施の形態に係る水蒸気供給路４２は、改質反応筒１８の内周面と接している環状部１２４を有するため、改質ガスだけでなく燃焼排ガスからの熱の回収も容易となり、より効率よく改質水を気化し水蒸気を生成することができる。水蒸気を含む原燃料ガスは、触媒層３６の内部を通過する際に燃焼排ガスの熱により徐々に加熱され、改質反応により水素リッチな改質ガスに変化する。   The raw fuel supply path 40 merges with the water vapor supply path 42 at the junction 114, and the reformed water and the raw fuel are sent out downward in the case 34 while being vaporized and heated in the water vapor supply path 42 in a mixed state. It is. Since the steam supply path 42 according to the present embodiment has the annular portion 124 that is in contact with the inner peripheral surface of the reforming reaction cylinder 18, it becomes easy to recover heat from not only the reformed gas but also the combustion exhaust gas. It is possible to efficiently vaporize the reforming water and generate water vapor. The raw fuel gas containing water vapor is gradually heated by the heat of the combustion exhaust gas when passing through the inside of the catalyst layer 36, and changes to a hydrogen-rich reformed gas by the reforming reaction.

原燃料ガスを改質することにより得られた改質ガスは、供給される原燃料ガスの流れによって改質反応筒１８の内部を上昇し、シフト変成部１４に到達する。ここで、改質部１２における改質反応は吸熱反応であるため、水蒸気供給路４２の熱回収により温度が低下した改質ガスがシフト変成部１４に到達することになる。シフト変成部１４におけるシフト反応は、例えば、２００〜３００℃の範囲で行われ、水蒸気供給路４２の熱回収で熱バランスをとっているので、特段の温度制御をしなくても適度な温度を維持することが可能である。これにより、改質ガスはシフト変成部１４において一酸化炭素が低減される。   The reformed gas obtained by reforming the raw fuel gas rises inside the reforming reaction cylinder 18 by the flow of the supplied raw fuel gas and reaches the shift shift unit 14. Here, since the reforming reaction in the reforming unit 12 is an endothermic reaction, the reformed gas whose temperature has decreased due to the heat recovery of the steam supply path 42 reaches the shift shift unit 14. The shift reaction in the shift shift unit 14 is performed, for example, in the range of 200 to 300 ° C., and heat balance is achieved by the heat recovery of the water vapor supply path 42, so an appropriate temperature can be maintained without special temperature control. It is possible to maintain. As a result, the reformed gas is reduced in carbon monoxide at the shift shift section 14.

なお、シフト変成部１４における温度が適温とならない装置の場合、バーナ２０での原燃料の燃料量を調整したり、シフト変成部１４近傍の水蒸気供給路４２のコイルの巻き数を増減させたりすることで調整可能である。   In the case of an apparatus in which the temperature at the shift shift section 14 does not reach an appropriate temperature, the amount of raw fuel in the burner 20 is adjusted, or the number of turns of the coil of the water vapor supply path 42 near the shift shift section 14 is increased or decreased. Can be adjusted.

シフト変成部１４で一酸化炭素が低減された改質ガスは更に、供給される原燃料ガスの流れによって改質反応筒１８の内部を整流板６４に流れを規制されながら上昇し、選択酸化部１６に到達する。その際、空気供給路５４から供給された空気も改質反応筒１８内を上昇し、選択酸化部１６に到達する。整流板６４は、シフト変成部１４と選択酸化部１６との間の空間に、改質ガスの流れを水蒸気供給路４２に向かう流れに変化させる。つまり、改質反応筒１８の内部を流れる改質ガスの流れを水蒸気供給路４２に向けて変化させることで、水蒸気供給路４２の内部を流れる改質水や原燃料ガスと、改質ガスとの熱交換が効率よく行われる。   The reformed gas whose carbon monoxide has been reduced in the shift shift unit 14 further rises while the flow is regulated by the flow straightening plate 64 inside the reforming reaction cylinder 18 by the flow of the supplied raw fuel gas, and the selective oxidation unit 16 is reached. At that time, the air supplied from the air supply path 54 also rises in the reforming reaction cylinder 18 and reaches the selective oxidation unit 16. The rectifying plate 64 changes the flow of the reformed gas into the flow toward the water vapor supply path 42 in the space between the shift transformation unit 14 and the selective oxidation unit 16. That is, by changing the flow of the reformed gas flowing in the reforming reaction cylinder 18 toward the steam supply path 42, the reformed water and raw fuel gas flowing in the steam supply path 42, the reformed gas, The heat exchange is efficiently performed.

選択酸化部１６は、水蒸気供給路４２の流入口６６近傍に配置されているため、改質ガスの温度は改質水による冷却によりシフト変成部１４における改質ガスの温度より低温となっている。選択酸化部１６における選択酸化反応は、シフト変成部１４におけるシフト反応より低温な、例えば、７０〜２００℃の範囲で行われ、水蒸気供給路４２の熱回収で熱バランスをとっているので、特段の温度制御をしなくても改質ガスを適度な温度に維持することが可能である。これにより、改質ガスは選択酸化部１６において更に一酸化炭素が低減される。   Since the selective oxidation unit 16 is disposed in the vicinity of the inlet 66 of the water vapor supply path 42, the temperature of the reformed gas is lower than the temperature of the reformed gas in the shift shift unit 14 by cooling with the reformed water. . The selective oxidation reaction in the selective oxidation unit 16 is performed at a lower temperature than the shift reaction in the shift shift unit 14, for example, in the range of 70 to 200 ° C., and heat balance is achieved by heat recovery of the steam supply path 42. It is possible to maintain the reformed gas at an appropriate temperature without controlling the temperature. As a result, the reformed gas is further reduced in carbon monoxide in the selective oxidation unit 16.

そして、改質ガスは、改質ガス送出管６０から燃料電池の燃料極に向けて送出されるが、水蒸気供給路４２による熱回収により、改質ガス送出管６０から排出される改質ガスの温度が低下するので、燃料電池用改質装置１０における改質効率を向上することができる。   The reformed gas is sent out from the reformed gas delivery pipe 60 toward the fuel electrode of the fuel cell, but the reformed gas discharged from the reformed gas delivery pipe 60 is recovered by heat recovery through the steam supply path 42. Since the temperature decreases, the reforming efficiency in the fuel cell reforming apparatus 10 can be improved.

なお、加熱流路３２を通過した燃焼排ガスは、改質反応筒１８の上部であって外筒２２との間に形成された燃焼排ガス貯留室１３２を経由して、外筒２２の上部に形成された排出口６２から外部へ排出される。本実施の形態に係る水蒸気供給路４２は、その一部が燃焼排ガス貯留室１３２を通過するように設けられており、加熱流路３２を通過して排出口６２から排出される燃焼排ガスから熱を回収することができる。そのため、水蒸気供給路４２による熱回収により、排出口６２から排出される燃焼排ガスの温度が低下するので、燃料電池用改質装置１０における改質効率を向上することができる。   The combustion exhaust gas that has passed through the heating flow path 32 is formed at the upper part of the outer cylinder 22 via the combustion exhaust gas storage chamber 132 formed between the upper part of the reforming reaction cylinder 18 and the outer cylinder 22. The discharged outlet 62 is discharged to the outside. The water vapor supply path 42 according to the present embodiment is provided so that a part thereof passes through the combustion exhaust gas storage chamber 132, and heat is generated from the combustion exhaust gas that passes through the heating flow path 32 and is discharged from the discharge port 62. Can be recovered. For this reason, the temperature of the combustion exhaust gas discharged from the discharge port 62 decreases due to the heat recovery by the water vapor supply path 42, so that the reforming efficiency in the fuel cell reforming apparatus 10 can be improved.

上述のように、燃料電池用改質装置１０は、改質部１２とシフト変成部１４と選択酸化部１６とがこの順番に一つの改質反応筒１８に収納されているため、複雑な形状の流路を形成することなく、改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減することができる。また、改質反応筒１８と外筒２２との間の加熱流路３２を燃焼排ガスが通過するので、改質反応筒１８の内部の改質部１２における改質反応に必要な熱を供給することができ、ヒータ等の加熱手段が不要となる。また、改質反応筒１８と外筒２２との間を加熱流路３２とすることで、折り返しや多くの筒を要する流路を必要とせずに簡素な構成で燃料電池用改質装置１０を実現することができる。   As described above, the fuel cell reforming apparatus 10 has a complicated shape because the reforming unit 12, the shift shift conversion unit 14, and the selective oxidation unit 16 are accommodated in one reforming reaction cylinder 18 in this order. The carbon monoxide contained in the reformed gas can be reduced without forming the flow path. Further, since the combustion exhaust gas passes through the heating flow path 32 between the reforming reaction cylinder 18 and the outer cylinder 22, heat necessary for the reforming reaction in the reforming section 12 inside the reforming reaction cylinder 18 is supplied. Therefore, no heating means such as a heater is required. Further, by forming the heating flow path 32 between the reforming reaction cylinder 18 and the outer cylinder 22, the fuel cell reforming apparatus 10 can be configured with a simple configuration without requiring a flow path that requires folding or many cylinders. Can be realized.

換言すると、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０においては、折り返しや多くの筒を要する流路が設けられていないため、部品点数の低減や製造工程の簡素化によりコストが低減される。また、外筒２２の外周部を断熱材２４で覆うことで装置全体の断熱性を容易に確保することができるので、断熱材２４を装着する際の工程を簡素化することができる。   In other words, the fuel cell reforming apparatus 10 according to the present embodiment is not provided with a flow path that requires folding or many cylinders, so that the cost is reduced by reducing the number of parts and simplifying the manufacturing process. The Moreover, since the heat insulation of the whole apparatus is easily securable by covering the outer peripheral part of the outer cylinder 22 with the heat insulating material 24, the process at the time of mounting | wearing with the heat insulating material 24 can be simplified.

また、加熱流路３２は、燃焼排ガスが改質部１２側から選択酸化部１６側に向かって通過するように形成されているので、燃焼排ガスは、改質反応筒１８や水蒸気供給路４２と熱交換をしながら徐々に温度が低下する。そのため、燃焼排ガスは、反応温度が高い改質部から反応温度の低い選択酸化部へと適度に温度が低下しながら加熱流路３２の内部を通過することになる。そのため、加熱流路３２を直線的に形成することが可能となる。また、改質反応筒１８は、改質部１２、シフト変成部１４、選択酸化部１６を反応温度が高い順に鉛直方向上方へ順番に収納している。そのため、改質ガスは、反応温度が高い改質部１２から反応温度の低い選択酸化部１６へ向かって、水蒸気供給路４２との熱交換により適度に温度が低下しながら、改質反応筒１８の内部を複雑な経路を通過することなく上昇することになる。   In addition, the heating flow path 32 is formed so that the combustion exhaust gas passes from the reforming unit 12 side toward the selective oxidation unit 16 side, so that the combustion exhaust gas is connected to the reforming reaction cylinder 18 and the steam supply path 42. The temperature gradually decreases while performing heat exchange. Therefore, the combustion exhaust gas passes through the inside of the heating channel 32 while the temperature is appropriately lowered from the reforming section having a high reaction temperature to the selective oxidation section having a low reaction temperature. Therefore, it becomes possible to form the heating flow path 32 linearly. In addition, the reforming reaction cylinder 18 accommodates the reforming unit 12, the shift shift unit 14, and the selective oxidation unit 16 in order in the vertical direction in order of increasing reaction temperature. Therefore, the reformed gas is lowered in temperature from the reforming section 12 having a high reaction temperature toward the selective oxidation section 16 having a low reaction temperature by heat exchange with the water vapor supply path 42, while the reforming reaction cylinder 18. It will rise without passing through a complicated route.

以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、これは例示であり、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。   The present invention has been described with reference to the above-described embodiment. However, this is an exemplification, and the present invention is not limited to the above-described embodiment, and appropriately combines the configurations of the embodiments. And those substituted are also included in the present invention. Various modifications such as design changes can be added to each embodiment based on the knowledge of those skilled in the art, and the embodiments to which such modifications are added are also included in the scope of the present invention. sell.

例えば、燃料電池用改質装置１０において、原燃料供給路４０は、水蒸気供給路４２において通過する水が気化される箇所より下流側の合流部で水蒸気供給路４２と合流するように構成してもよい。このように、燃焼排ガスの加熱による原燃料の昇温と水の気化とが別々の原燃料供給路４０および水蒸気供給路４２で行われた後に原燃料と水蒸気とが合流することで、各供給路における原燃料の昇温や水の気化による水蒸気の供給の制御が容易となる。   For example, in the fuel cell reforming apparatus 10, the raw fuel supply path 40 is configured to merge with the water vapor supply path 42 at a junction downstream of the location where water passing through the water vapor supply path 42 is vaporized. Also good. Thus, after the raw fuel temperature rise and the water vaporization by heating the combustion exhaust gas are performed in the separate raw fuel supply passage 40 and the water vapor supply passage 42, the raw fuel and the steam are joined together to supply each supply. This makes it easy to control the supply of water vapor by raising the temperature of raw fuel and vaporizing water.

上述の燃料電池用改質装置は、ガスと水との熱交換部において、ガス側の伝熱を促進させるために、ガス側通路にアルミナボールやマクマホンパッキン等の拡散により伝熱性を上げる物を充填してもよい。例えば、改質部１２とシフト変成部１４との間、シフト変成部１４と選択酸化部１６との間、選択酸化部１６の上部、水蒸気供給路４２の入口側における燃焼排ガスとの熱交換部、等に伝熱促進物が充填されていてもよい。   In the fuel cell reforming apparatus described above, in the heat exchange section between gas and water, in order to promote heat transfer on the gas side, an object that increases heat transfer by diffusion of alumina balls, McMahon packing, etc. in the gas side passage. It may be filled. For example, a heat exchange unit for combustion exhaust gas between the reforming unit 12 and the shift conversion unit 14, between the shift conversion unit 14 and the selective oxidation unit 16, an upper portion of the selective oxidation unit 16, and an inlet side of the steam supply path 42. , Etc. may be filled with a heat transfer promoting substance.

また、コイル状の環状部１２４は、水蒸気供給路４２の全領域に設けられていてもよいし、部分的に、断続的に設けられていてもよく、装置全体の熱効率や熱収支を考慮して設計すればよい。   Further, the coil-shaped annular portion 124 may be provided in the entire region of the water vapor supply path 42, or may be provided partially or intermittently, taking into consideration the thermal efficiency and heat balance of the entire apparatus. Design.

また、上述の燃料電池用改質装置に用いられる原燃料としては、例示されているメタンやプロパン、ブタン等に限られるものではない。例えば、天然ガス、プロパン・ブタンを主成分とするＬＰＧ、ナフサ、灯油等の炭化水素や、メタノール、エタノール等のアルコール類や、ジメチルエーテル等のエーテル類、等を、原燃料として用いてもよい。   The raw fuel used in the above-described fuel cell reforming apparatus is not limited to the exemplified methane, propane, butane and the like. For example, natural gas, hydrocarbons such as LPG mainly composed of propane / butane, naphtha and kerosene, alcohols such as methanol and ethanol, ethers such as dimethyl ether, and the like may be used as the raw fuel.

本実施の形態に係る燃料電池用改質装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the reformer for fuel cells which concerns on this Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 燃料電池用改質装置、 １２ 改質部、 １４ シフト変成部、 １６ 選択酸化部、 １８ 改質反応筒、 ２０ バーナ、 ２２ 外筒、 ３０ 燃焼室、 ３２ 加熱流路、 ４２ 水蒸気供給路、 ６０ 改質ガス送出管、 ６２ 排出口、 ６４ 整流板、 １２４ 環状部、 １２６ 抵抗部材、 １３２ 燃焼排ガス貯留室。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell reformer, 12 reformer, 14 shift shifter, 16 selective oxidation unit, 18 reforming reaction cylinder, 20 burner, 22 outer cylinder, 30 combustion chamber, 32 heating flow path, 42 steam supply path, 60 reformed gas delivery pipe, 62 discharge port, 64 rectifying plate, 124 annular portion, 126 resistance member, 132 combustion exhaust gas storage chamber.

Claims (8)

原燃料を水素リッチな改質ガスに改質する燃料電池用改質装置であって、
原燃料から改質ガスを生成する改質部と、
前記改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減するシフト変成部と、
前記シフト変成部を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化して低減する選択酸化部と、
前記改質部と前記シフト変成部と前記選択酸化部とをこの順番に直線状に収納する改質反応筒と、
前記改質反応筒の改質部側の端部に形成された燃焼室に配置され、原燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼手段と、
前記改質反応筒の外周に配置され、該改質反応筒より径が大きい外筒と、
前記改質反応筒と前記外筒との間に形成され、前記改質反応筒を加熱するために前記燃焼排ガスが通過する加熱流路と、
前記改質部に水蒸気を供給するために、水が前記改質反応筒の内部を選択酸化部側から改質部側に向かって流れるように設けられている水蒸気供給路と、
前記水蒸気供給路と該水蒸気供給路において通過する水が気化する箇所よりも上流側で合流し、原燃料を供給する原燃料供給路と、を備え、
前記水蒸気供給路は、改質ガスおよび燃焼排ガスから熱を回収するとともに、その熱により水と原燃料とを混合状態で気化および／または昇温させ、かつ前記シフト変成部および前記選択酸化部を冷却するように構成されていることを特徴とする燃料電池用改質装置。 A reformer for a fuel cell that reforms raw fuel into hydrogen-rich reformed gas,
A reforming section for generating reformed gas from raw fuel;
A shift shifter that reduces carbon monoxide contained in the reformed gas by a shift reaction;
A selective oxidation unit that selectively oxidizes and reduces carbon monoxide contained in the reformed gas that has passed through the shift transformation unit;
A reforming reaction cylinder for linearly storing the reforming section, the shift shift section, and the selective oxidation section in this order;
Combusting means disposed in a combustion chamber formed at an end of the reforming reaction tube on the reforming part side, combusting raw fuel to generate combustion exhaust gas,
An outer cylinder disposed on the outer periphery of the reforming reaction cylinder and having a larger diameter than the reforming reaction cylinder;
A heating passage formed between the reforming reaction cylinder and the outer cylinder, through which the combustion exhaust gas passes to heat the reforming reaction cylinder;
In order to supply water vapor to the reforming unit, a water vapor supply path provided so that water flows from the selective oxidation unit side toward the reforming unit side in the reforming reaction cylinder;
A raw fuel supply path that joins on the upstream side of the water vapor supply path and a location where water passing through the water vapor supply path vaporizes , and supplies raw fuel,
The steam supply path recovers heat from the reformed gas and the combustion exhaust gas, vaporizes and / or raises the temperature of the water and the raw fuel in a mixed state by the heat , and the shift shift unit and the selective oxidation unit the reformer, characterized in that has been configured to cool. 前記改質反応筒は、改質部側が下部になるとともに選択酸化部側が上部になるように鉛直方向に配置され、
前記改質ガスは、前記改質反応筒の内部を上方に向かって流れることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用改質装置。 The reforming reaction cylinder is arranged in the vertical direction so that the reforming unit side is at the bottom and the selective oxidation unit side is at the top,
The reformer for a fuel cell according to claim 1, wherein the reformed gas flows upward in the reforming reaction cylinder. 前記改質反応筒の上部であって前記外筒との間に形成された燃焼排ガス貯留室と、
前記燃焼排ガス貯留室から燃焼排ガスが外部へ排出されるように前記外筒の上方に設けられた排出口と、を更に備え、
前記水蒸気供給路は、その一部が前記燃焼排ガス貯留室を通過するように設けられており、前記加熱流路を通過して前記排出口から排出される前記燃焼排ガスから熱を回収することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用改質装置。 A combustion exhaust gas storage chamber formed between the reforming reaction cylinder and the outer cylinder;
An exhaust port provided above the outer cylinder so that the combustion exhaust gas is discharged from the combustion exhaust gas storage chamber to the outside; and
The steam supply passage is provided so that a part thereof passes through the combustion exhaust gas storage chamber, and recovers heat from the combustion exhaust gas discharged from the exhaust port through the heating passage. The reformer for a fuel cell according to claim 2, wherein the reformer is a fuel cell reformer. 前記水蒸気供給路は、コイル状に形成された環状部を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池用改質装置。   The reformer for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the water vapor supply path has an annular portion formed in a coil shape. 前記水蒸気供給路は、前記環状部の少なくとも一部が前記改質反応筒の内面に接するように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用改質装置。   5. The fuel cell reforming apparatus according to claim 4, wherein the steam supply path is disposed such that at least a part of the annular portion is in contact with an inner surface of the reforming reaction cylinder. 前記選択酸化部は、前記水蒸気供給路が通過している領域以外の領域に、前記改質ガスの流れの抵抗となる抵抗部材が設けられていることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池用改質装置。   The said selective oxidation part is provided with the resistance member used as resistance of the flow of the said reformed gas in the area | regions other than the area | region through which the said water vapor | steam supply path has passed. Fuel cell reformer. 前記シフト変成部は、前記水蒸気供給路が通過している領域以外の領域に、前記改質ガスの流れの抵抗となる抵抗部材が設けられていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の燃料電池用改質装置。   7. The shift shift unit according to claim 4, wherein a resistance member that provides resistance to the flow of the reformed gas is provided in a region other than a region through which the water vapor supply path passes. A reformer for a fuel cell according to claim 1. 前記改質反応筒は、前記改質ガスの流れを前記水蒸気供給路に向かう流れに変化させる整流部材を内部に備えていることを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載の燃料電池用改質装置。   The fuel cell according to any one of claims 4 to 7, wherein the reforming reaction cylinder includes a rectifying member that changes the flow of the reformed gas into a flow toward the water vapor supply path. Reformer.
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