JP2005044709A - Hydrogen-containing gas generating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素含有ガス生成装置に係り、より詳しくは、LPガスを原燃料ガスとして用いて、燃料電池の燃料となる水素リッチな水素含有ガスを製造する水素含有ガス生成装置に関するものである。 The present invention relates to a hydrogen-containing gas generation device, and more particularly to a hydrogen-containing gas generation device that uses a LP gas as a raw fuel gas to produce a hydrogen-rich hydrogen-containing gas that serves as fuel for a fuel cell. .
LPガスを原燃料ガスとして用いる水素含有ガス生成装置としては、例えば後述する構成になるものが公知である。以下、この従来例1に係る水素含有ガス生成装置の概要を、燃料電池システムの概略構成図の図6を参照しながら説明する。 As a hydrogen-containing gas generating apparatus using LP gas as a raw fuel gas, for example, one having a configuration described later is known. Hereinafter, an outline of the hydrogen-containing gas generation device according to the conventional example 1 will be described with reference to FIG. 6 of a schematic configuration diagram of a fuel cell system.
この従来例1に係る水素含有ガス生成装置Pは、燃料電池システム100に設けられ、LPガスボンベ40から原燃料ガスとして供給されるLPガスに水蒸気を混合させて改質処理して、CO濃度の低い(例えば、10ppm以下)水素リッチな水素含有ガスを生成するように構成されている。この水素含有ガス生成装置Pにより生成された水素含有ガスは、燃料電池Gの燃料極60に供給される。一方、燃料電池Gは、高分子膜を電解質61とする個体高分子型であり、水素含有ガス生成装置Pから燃料極60に供給される水素含有ガス中の水素と、ブロア57から酸素極62に供給される反応用空気中の酸素との電気化学反応により発電するように構成されている。前記水素含有ガス生成装置Pは、LPガスボンベ40から流路77を介して供給されたLPガスを脱硫処理する脱硫器51と、供給された水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成器56と、改質器加熱手段である燃焼器52aで加熱され、脱硫器51から供給される脱硫原燃料ガスを水蒸気生成器56で生成された水蒸気を用いてH2とCOを含むガスに改質処理する改質器52と、この改質器52から供給される改質処理ガス中のCOを水蒸気を用いてCO2に変成させることにより変成処理するCO変成器53と、このCO変成器53から供給される変成処理ガス中のCOを選択酸化させることにより選択酸化処理するCO選択酸化反応器54と、生成装置Pの運転条件等の制御を行うための、運転条件設定手段81を備えた制御部80とから構成されている。
The hydrogen-containing gas generating device P according to the conventional example 1 is provided in the
前記流路77には流量を調整する調整弁71が設けられると共に、この調整弁71の下流側にLPガスの質量流量を計測する熱式質量流量計74が設けられている。前記調整弁71は、前記制御部80により燃料電池Gの電力出力が電力負荷に追従するように調整される。熱式質量流量計74で計測されるLPガスの質量流量は、LPガスボンベ中のLPガスの残量の減少に伴って脱硫器51等に供給されるLPガス中のプロパンとブタンとの成分割合が変化しても、LPガスの炭素量及び発熱量にほぼ一定の発熱量に比例させる。
そして、改質器52に供給する水蒸気量をスチーム・カーボン比が所定の好ましい値になるように、水蒸気発生器56に供給される水も制御部80により制御される調整弁73で調整される。さらに、燃焼器52aに、燃料電池Gの燃料極60から排出されるオフガスと、LPガスボンベのLPガスとの混合ガスが供給されるようになっている。この混合ガスの流量は、LPガスの炭素量及び発熱量にほぼ一定の発熱量に比例させるように、制御部80により制御される調整弁72で調整されるようになっている。つまり、この従来例に係る生成装置Pは、LPガスボンベの残量の減少に伴ってLPガスのプロパンとブタンの割合が変化しても、良好な運転の継続を可能ならしめるようにしたものである(例えば、特許文献1参照。)。
The water supplied to the
また、ガス分子が侵入できる多孔性の支持体と、この支持体に被膜され、水素ガスが溶存することができるパラジウムまたはパラジウム合金からなるガス分離膜(被膜)とを有する水素ガス分離体(メンブレン管)を用いた燃料電池システムがある。この燃料電池システムは、前記水素ガス分離体(メンブレン管)でメタン、またはメタノール等の燃料と水蒸気を改質反応させて水素を生成し、生成した水素を燃料電池に供給するものである。
なお、支持体を構成する材質には、アルミナ、シリカ、シリカ−アルミナ、ムライト、コージェライト、ジルコニア等のセラミックスの他、カーボンや多孔質ガラス等のセラミックが用いられる(例えば、特許文献2参照。)。
As a material constituting the support, ceramics such as carbon and porous glass are used in addition to ceramics such as alumina, silica, silica-alumina, mullite, cordierite, and zirconia (see, for example, Patent Document 2). ).
上記従来例に係る水素含有ガス生成装置は極めて有用であって、それなりに優れていると考えられる。しかしながら、この従来例に係る水素含有ガス生成装置は大型であると想定され、小型化、及び低コスト化が指向されている燃料電池システムに対して適用するには不十分であると考えられる。つまり、燃料電池システムを小型化し、かつ低コスト化にするためには、より低温で水素含有ガスを高効率で生成することができる小型の水素含有ガス生成装置の実現が不可欠である。このような水素含有ガス生成装置の実現により、小型で低コストの燃料電池システムが具現され、例えば家庭でも用いることができるようになり、そして熱効率(約80%)が優れているが故に省エネルギー、地球温暖化防止に対して大いに寄与することが可能になる。 The hydrogen-containing gas generator according to the above conventional example is extremely useful and considered to be excellent as such. However, the hydrogen-containing gas generator according to this conventional example is assumed to be large, and is considered to be insufficient for application to a fuel cell system in which downsizing and cost reduction are aimed. That is, in order to reduce the size and cost of the fuel cell system, it is indispensable to realize a small hydrogen-containing gas generator that can generate a hydrogen-containing gas at a lower temperature with high efficiency. By realizing such a hydrogen-containing gas generation device, a small and low-cost fuel cell system is realized, which can be used at home, for example, and has excellent thermal efficiency (about 80%), thus saving energy. It will be possible to greatly contribute to the prevention of global warming.
また、メンブレン管のパラジウム合金被膜は,他の物質、例えば改質触媒等が直接接触する水素透過機能が劣化し、水素生成能率が低下することになる。しかしながら、上記従来例にはパラジウム合金被膜の改質触媒等の直接接触による水素透過機能の劣化防止に係る開示がなく、如何にしてメンブレン管のパラジウム合金被膜の水素透過機能を維持するかということが大きな課題である。 Further, the palladium alloy coating on the membrane tube deteriorates the hydrogen permeation function with which other substances such as the reforming catalyst are in direct contact, and the hydrogen generation efficiency is reduced. However, in the above conventional example, there is no disclosure relating to prevention of deterioration of the hydrogen permeation function by direct contact with a reforming catalyst etc. of the palladium alloy film, and how to maintain the hydrogen permeation function of the palladium alloy film of the membrane tube. Is a big issue.
従って、本発明の目的は、より低温で水素含有ガスを高効率で生成することができる小型で、しかも長期間に亘って安定的に水素を供給することができる水素含有ガス生成装置を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a small hydrogen-containing gas generator that can efficiently generate hydrogen-containing gas at a lower temperature and that can stably supply hydrogen over a long period of time. That is.
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、従って、上記課題を解決するために、本発明の請求項1に係る水素含有ガス生成装置(1)が採用した構成は、加熱手段(1b)により加熱され、供給される脱硫後のLPガスと水蒸気とから水素含有ガスを回収して燃料電池(9)に供給する改質器(2)を備えてなり、この改質器(2)は、脱硫後のLPガスと水蒸気との流入口(2a)を有する筒体(2b)と、この筒体(2b)内に充填され、LPガスと水蒸気とを水性ガス反応、シフト反応(以下合わせて改質反応という)によってH2とCOとCO2とに反応させる粒状の改質触媒からなる触媒層(2c)と、改質反応後のH2とCOとCO2のうちH2を選択的に透過させて水素含有ガスを回収するメンブレン管(2d)と、このメンブレン管(2d)の外周を覆い、このメンブレン管(2d)を前記触媒層(2c)から1mm以下の間隔を隔てて隔離する金網(2i)と、前記筒体(2b)の反流入口(2a)側に設けられ、回収した水素含有ガスを燃料電池(9)に流出させる流出口(2h)とからなり、前記筒体(2b)の内周とメンブレン管(2d)の外周との間の寸法が13.5mm以下に設定されると共に、前記触媒層(2c)に、前記筒体(2b)の内周面と接しかつ前記金網(2i)と所定の間隔を隔てる大リング板(2e)と、前記筒体(2b)の内周面と所定の間隔を隔てかつ前記金網(2i)に接する小リング板(2f)とが交互に配設されてなることを特徴とするものである。 The present invention has been made in view of the above circumstances. Therefore, in order to solve the above problems, the configuration employed by the hydrogen-containing gas generation device (1) according to claim 1 of the present invention is a heating means. (1b) is provided with a reformer (2) that recovers the hydrogen-containing gas from the desulfurized LP gas and water vapor that is heated and supplied to the fuel cell (9). 2) is a cylinder (2b) having an inlet (2a) for LP gas and water vapor after desulfurization, and this cylinder (2b) is filled with water gas reaction and shift reaction between LP gas and water vapor. (hereinafter together referred to as reforming reaction) catalyst layer comprising a granular reforming catalyst is reacted with H 2 and CO and CO 2 by the (2c), H of the H 2 and CO and CO 2 after the reforming reaction covering the membrane tube 2 selectively transmits to recover a hydrogen-containing gas and (2d), the outer periphery of the membrane tubes (2d), the surface portion A metal mesh (2i) that separates the pipe (2d) from the catalyst layer (2c) with an interval of 1 mm or less, and a counterflow inlet (2a) side of the cylindrical body (2b). It comprises an outlet (2h) through which gas flows out to the fuel cell (9), and the dimension between the inner periphery of the cylinder (2b) and the outer periphery of the membrane tube (2d) is set to 13.5 mm or less. Along with the catalyst layer (2c), a large ring plate (2e) in contact with the inner peripheral surface of the cylindrical body (2b) and spaced apart from the wire mesh (2i), and an inner surface of the cylindrical body (2b) A small ring plate (2f) that is in contact with the metal mesh (2i) at a predetermined interval from the peripheral surface is alternately arranged.
本発明の請求項2に係る水素含有ガス生成装置(1)が採用した構成は、加熱手段(1b)により加熱され、供給される脱硫後のLPガスと水蒸気とから水素含有ガスを回収して燃料電池(9)に供給する改質器(2)を備えてなり、この改質器(2)は、脱硫後のLPガスと水蒸気との流入口(2a)を有する筒体(2b)と、この筒体(2b)内に充填され、LPガスと水蒸気とをH2とCOとCO2に改質反応させる粒状の改質触媒からなる触媒層(2c)と、改質反応後のH2とCOとCO2のうちH2を選択的に透過させて水素含有ガスを回収するメンブレン管(2d)と、このメンブレン管(2d)の外周を覆い、このメンブレン管(2d)を前記触媒層(2c)から1mm以下の間隔を隔てて隔離する金網(2i)と、前記筒体(2b)の反流入口(2a)側に設けられ、回収した水素含有ガスを燃料電池(9)に流出させる流出口(2h)とからなり、前記筒体(2b)の内周とメンブレン管(2d)の外周との間の寸法が8mm以下に設定されてなることを特徴とするものである。
The configuration adopted by the hydrogen-containing gas generator (1) according to
本発明の請求項3に係る水素含有ガス生成装置が採用した構成は、請求項1または2のうちの何れか一つの項に記載の水素含有ガス生成装置(1)において、前記金網(2i)は、前記メンブレン管(2d)の表面に形成されたパラジウム合金被膜の水素透過機能の劣化を防止するために、表面に酸化被膜を形成させたステンレス鋼からなる線材により製造されてなることを特徴とするものである。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a hydrogen-containing gas generating device according to claim 1 wherein the wire-containing gas generating device (1) according to any one of the first and second aspects is configured such that the wire mesh (2i). In order to prevent deterioration of the hydrogen permeation function of the palladium alloy film formed on the surface of the membrane tube (2d), it is manufactured from a wire made of stainless steel having an oxide film formed on the surface. It is what.
本発明の請求項1に係る水素含有ガス生成装置では、加熱手段により加熱されている改質器の筒体の内周とメンブレン管の外周との間の寸法が13.5mm以下で流路が広いが、流入口から筒体に流入する脱硫後のLPガスと水蒸気を、粒状の改質触媒の触媒層に交互に配設された大リング板の内側と、小リング板の外側とに形成されたリング状の流路を方向変換させることによりメンブレン管に接触させることができる。また、本発明の請求項2に係る水素含有ガス生成装置では、加熱手段により加熱されている改質器の筒体の内周とメンブレン管の外周との間の寸法が8mm以下で流路が狭いため、流入口から筒体に流入する脱硫後のLPガスと水蒸気を、粒状の改質触媒の触媒層を通過させながらメンブレン管に接触させることができる。
In the hydrogen-containing gas generator according to claim 1 of the present invention, the dimension between the inner periphery of the cylinder of the reformer heated by the heating means and the outer periphery of the membrane tube is 13.5 mm or less and the flow path is Although wide, the desulfurized LP gas and water vapor that flow into the cylinder from the inlet are formed on the inside of the large ring plate and the outside of the small ring plate that are alternately arranged in the catalyst layer of the granular reforming catalyst. The membrane tube can be brought into contact by changing the direction of the ring-shaped flow path. In the hydrogen-containing gas generator according to
従って、本発明の請求項1または2に係る水素含有ガス生成装置によれば、脱硫後のLPガスと水蒸気は確実に改質触媒の表面に接触するから、改質反応により効果的にH2とCOとCO2に改質される。そして、メンブレン管は、このメンブレン管の外周を覆う金網により1mm以下の間隔で触媒層から隔てられているが、H2とCOとCO2とが大リング板の内側を流れるときに、金網の網目を介してメンブレン管の表面に確実に接触するから、このメンブレン管によりH2を能率良く回収することができる。また、メンブレン管の外周は、上記のとおり、金網で覆われていて、改質触媒が直接メンブレン管の表面に接触することがなく、メンブレン管の表面のH2透過機能が低下することがないから、燃料電池に対して長期間に亘って安定的にH2を供給し続けることができる。さらに、上記のとおり、メンブレン管によってH2を能率良く回収することができ、メンブレン管を小型にすることができるから、改質器を小型にすることができ、ひいては水素含有ガス生成装置を小型にすることができる。一方、H2がメンブレン管に透過されて効果的に回収され、LPガスと水蒸気の改質が促進されるため、より低温でLPガスと水蒸気を改質することができる。従って、水素含有ガス生成装置を安価な素材で製造することができるから、水素含有ガス生成装置を低コストなものとすることが可能になる。 Therefore, according to the hydrogen-containing gas generator according to claim 1 or 2 of the present invention, the LP gas and water vapor after desulfurization are surely brought into contact with the surface of the reforming catalyst, so that the H 2 is effectively removed by the reforming reaction. And reformed to CO and CO 2 . The membrane tube is separated from the catalyst layer at intervals of 1 mm or less by a metal mesh covering the outer periphery of the membrane tube. When H 2 , CO, and CO 2 flow inside the large ring plate, Since it reliably contacts the surface of the membrane tube through the mesh, H 2 can be efficiently recovered by this membrane tube. Further, as described above, the outer periphery of the membrane tube is covered with a metal mesh, so that the reforming catalyst does not directly contact the surface of the membrane tube, and the H 2 permeation function on the surface of the membrane tube does not deteriorate. Thus, H 2 can be stably supplied to the fuel cell over a long period of time. Furthermore, as described above, H 2 can be efficiently recovered by the membrane tube, and the membrane tube can be reduced in size. Therefore, the reformer can be reduced in size, and the hydrogen-containing gas generator can be reduced in size. Can be. On the other hand, since H 2 is permeated through the membrane tube and effectively recovered and the reforming of LP gas and water vapor is promoted, LP gas and water vapor can be reformed at a lower temperature. Therefore, since the hydrogen-containing gas generator can be manufactured from an inexpensive material, it is possible to reduce the cost of the hydrogen-containing gas generator.
本発明の請求項3に係る水素含有ガス生成装置によれば、金網は、前記メンブレンク管の表面に形成されたパラジウム合金被膜の水素透過機能の劣化を防止するために、表面に酸化被膜を形成させたステンレス鋼からなる線材により製造されている。従って、メンブレン管の表面は、金網の金属が直接メンブレン管の表面に接触することがなく、メンブレン管の表面のH2透過機能が低下することがないから、燃料電池に対して長期間に亘って安定的にH2を供給し続けることができる。 According to the hydrogen-containing gas generating apparatus according to claim 3 of the present invention, the wire mesh is provided with an oxide film on the surface in order to prevent deterioration of the hydrogen permeation function of the palladium alloy film formed on the surface of the membrane tube. Manufactured by a wire rod made of formed stainless steel. Therefore, the metal surface of the membrane tube does not directly contact the surface of the membrane tube, and the H 2 permeation function of the surface of the membrane tube does not deteriorate. stably it can continue to supply of H 2 Te.
以下、本発明の形態1に係る水素含有ガス生成装置を、添付図面を参照しながら説明する。図1は本発明の水素含有ガス生成装置を備えた燃料電池システムの系統図、図2は水素含有ガス生成装置の改質器の模式的断面図である。 Hereinafter, a hydrogen-containing gas generation apparatus according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a system diagram of a fuel cell system provided with a hydrogen-containing gas generator of the present invention, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a reformer of the hydrogen-containing gas generator.
先ず、図1を参照しながら、本発明の水素含有ガス生成装置を備えた燃料電池システムの構成を説明する。図1に示す符号1は水素含有ガス生成装置である。この水素含有ガス生成装置1は、内周部に耐火物が配設されてなるハウジング1aを備えており、その中心部に筒状の後述する改質器2が垂直に収容されている。前記ハウジング1aの内部であって、かつ下部側には前記改質器2のほぼ全体を囲み、図示しないLPガスボンベからLPガスの供給を受けるバーナ1cを備えた加熱手段である加熱装置1bが配設されており、この改質器2はこの加熱装置1bにより600℃に加熱されるように構成されている。さらに、前記ハウジング1aの内部であって、かつ上部側には改質器2の頂部を囲むコイル状に形成されたパイプからなり、前記加熱装置1bからハウジング1a内に排出される燃焼排ガスの熱により、供給された水を蒸発させて水蒸気を製造する蒸発器1dが配設されている。そして、ハウジング1a内の燃焼排ガスは、このハウジング1aの下部側面部に設けられた排気口1fから大気中に放出されるように構成されている。
First, the configuration of a fuel cell system provided with the hydrogen-containing gas generator of the present invention will be described with reference to FIG. The code | symbol 1 shown in FIG. 1 is a hydrogen containing gas production | generation apparatus. This hydrogen-containing gas generator 1 includes a
前記改質器2の頂部端面に設けられた流入口2aには、前記LPガスボンベから脱硫器3aが介装されたLPガス供給管路3が連通している。また、前記蒸発器1dからLPガス供給管路3の前記流入口2aへの接続部の近傍に、LPガス供給管路3を流れるLPガスに水蒸気を混入させる水蒸気供給管路1eが連通している。前記加熱装置1bのバーナ1cには、前記LPガス供給管路3のLPガスボンベと脱硫器3aとの間から分岐した燃料供給管路4が連通している。さらに、前記改質器2の下部から前記バーナ1cに、熱交換器5を経由する補助燃料供給管路6が連通しており、この補助燃料供給管路6を介して改質器2から排出されるオフガス(H2とCOを含んでいる。)も補助燃料として供給されるように構成されている。
An LP gas supply line 3 in which a
前記改質器2で改質されると共に回収された水素含有ガスは、燃料電池9の出力を低下させる水素含有ガスに含まれているCOをメタネーション反応によって除去するCOメタネーション7を加熱した後、前記熱交換器5及び前記COメタネーション7を経由する水素供給管路8が燃料電池9に連通している。これにより、H2濃度が99.9容積%の水素含有ガスが燃料電池9に供給されるようになっている。この燃料電池9で生成された水は貯水タンク10に貯水されるようになっている。そして、この貯水タンク10から前記蒸発器1dに前記熱交換器5を経由する水供給管路11が連通しており、貯水タンク10に貯水された水が1乃至2w程度の出力の図示しない水ポンプでポンプアップされると共に、加温されて前記蒸発器1dに供給されるように構成されている。
The hydrogen-containing gas reformed and recovered by the
前記改質器2は、図2(4枚のリング板のみを模式的に示している。)に示すように、加熱装置1bにより加熱され、LPガス供給管路3が連通する流入口2aから、脱硫後のLPガスと水蒸気とが流入する筒体2bを備えている。そして、この筒体2bの内部には、LPガスと水蒸気をH2とCOとCO2とに水性ガス反応、シフト反応(以下、これらの反応を併せて改質反応という。)させる粒状の、例えば多孔質アルミナに担持されたルテニウムからなる改質触媒が充填されることにより触媒層2cが形成されている。この触媒層2cには、改質反応後のH2とCOとCO2のうちH2を選択的に透過させて水素含有ガスを回収するメンブレン管2dが垂直に埋設されている。
As shown in FIG. 2 (only four ring plates are schematically shown), the
このメンブレン管2dは、多孔質セラミックス管と、この多孔質セラミックス管の表面に無電解めっきされたパラジウム合金(Pd−Ag)被膜とから構成されており、そしてこのメンブレン管2dはこのメンブレン管2dの外周を覆う金網2iによって触媒層2cから隔てられており、それらの間隔は1mm以下に設定されている。この場合、1mm以下の厚さの金網2i、例えば0.7mm、0.5mm厚さの金網2iが用いられるが、メンブレン管2dとの間の隙間が微小で金網2iの接触により前記パラジウム合金被膜が損傷し、水素透過機能が劣化する恐れがあるため、金網2iは表面に酸化被膜を形成させたステンレス鋼製の線材で製造されている。このメンブレン管2dの下部はグラファイトからなるシールリングを介して、下端に前記水素供給管路8が接続される流出口2hを有する金属金具2gに接続されている。なお、多孔質セラミックス管の材質としては、従来例2の場合と同様に、アルミナ、シリカ、シリカ−アルミナ、ムライト、コージェライト、ジルコニア等を採用することができる。また、焼結法によって製作する多孔質管も採用することができる。
The
前記筒体2bの内周とメンブレン管2dの外周との間の寸法は13.5mmに設定されている。この場合、LPガスと水蒸気が流れる流路が広く、LPガスと水蒸気の多くが抵抗の少ない金網の配設部位、つまりメンブレン管2dの外周部の0.5mmの領域を流れ、前記触媒層2cを流れるLPガスと水蒸気の量が少なくなって改質効率が低下し、メンブレン管2dによるH2の透過量が減少する恐れがある。そこで、LPガスと水蒸気を確実に触媒層2c中に流し、しかもメンブレン管2dの表面のパラジウム合金被膜に接触させるために、前記触媒層2cに3枚ずつの大リング板2eと小リング板2fとを交互に所定の間隔(35mm間隔)で配設した。前記大リング板2eは、前記筒体2bの内周面と接する外径を有しかつ前記金網2iとの間に所定の間隔を隔てる内径を有しており、また前記小リング板2fは、前記筒体2bの内周面との間に所定の間隔を隔てる外径を有しかつ前記金網2iに接する内径を有している。なお、前記大リング板2eと小リング板2fとの枚数は、メンブレン管2dの長さによって変更されるべきものであり、一義的に決定することができない性質のものである。
The dimension between the inner periphery of the
以下、本発明の形態1に係る水素含有ガス生成装置1の作用態様を説明する。即ち、本発明の形態1に係る水素含有ガス生成装置1では、改質器2の筒体2bの内周とメンブレン管2dとの間の寸法が13.5mmで流路が広い。しかしながら、流入口2aから筒体2bに流入する脱硫後のLPガスと水蒸気との流れ方向を、触媒層2cに交互に配設された大リング板2eの内側と、小リング板2fの外側とに形成されたリング状の流路を方向変換させることにより改質しながら、メンブレン管2dに接触させることができる。
Hereinafter, the operation mode of the hydrogen-containing gas generation device 1 according to Embodiment 1 of the present invention will be described. That is, in the hydrogen-containing gas generator 1 according to Embodiment 1 of the present invention, the dimension between the inner periphery of the
従って、本発明の形態1に係る水素含有ガス生成装置1によれば、脱硫後のLPガスと水蒸気は確実に触媒層2cの改質触媒の表面に接触するから、改質反応によって効果的にH2とCOとCO2とに改質される。そして、メンブレン管2dの外周は金網2iによって覆われているが、H2とCOとCO2とが大リング板2eの内側のリング状の流路を流れるときに、金網2iの網目を介してメンブレン管2dの表面に形成されたパラジウム合金被膜に確実に接触するから、このメンブレン管2dによりH2を能率良く回収することができる。また、このメンブレン管2dの外周は、上記のとおり、金網2iで覆われていて、改質触媒が直接メンブレン管2dの表面に接触することがなく、メンブレン管2dの表面に形成されたパラジウム合金被膜のH2透過機能が低下することがないから、燃料電池9に対して長期間に亘って安定的にH2を供給し続けることができる。
Therefore, according to the hydrogen-containing gas generation device 1 according to Embodiment 1 of the present invention, the LP gas and water vapor after desulfurization are surely in contact with the surface of the reforming catalyst of the
また、上記のとおり、メンブレン管2dによりH2を能率良く回収することができるから、このメンブレン管2dを小型にすることができる。従って、改質器2を小型にすることができ、ひいては水素含有ガス生成装置1を小型にすることができる。一方、H2がメンブレン管2dに透過されて効果的に回収され、LPガスと水蒸気の改質が促進されるため、より低温(600℃)でLPガスと水蒸気を改質することができる。従って、水素含有ガス生成装置1を安価な素材で製造することができるから、水素含有ガス生成装置1を低コストなものとすることが可能になる。さらに、金網2iは、前記メンブレンク管2dの表面に形成されたパラジウム合金被膜の水素透過機能の劣化を防止するために、表面に酸化被膜を形成させたステンレス鋼からなる線材により製造されている。従って、このメンブレン管2dの表面に金網2iの金属が直接接触することがなく、パラジウム合金被膜のH2透過機能が低下することがないから、燃料電池9に対して長期間に亘って安定的にH2を供給し続けることができる。
Further, as described above, since the H 2 can be efficiently recovered by the
次に、本発明の形態2に係る水素含有ガス生成装置を、水素含有ガス生成装置の改質器の模式的断面図の図3を参照しながら説明する。但し、本形態2が上記形態と相違するところは、水素含有ガス生成装置の改質器の構成の相違にあり、これ以外は全く同構成であるから、その相違する点についての説明に止める。
Next, a hydrogen-containing gas generation device according to
この形態2に係る水素含有ガス生成装置の改質器2は、図3に示すように構成されている。即ち、筒体2bの内部には、LPガスと水蒸気とをH2とCOとCO2とに改質反応させる粒状の改質触媒が充填されることにより触媒層2cが形成されている。この触媒層2cには、改質反応後のH2とCOとCO2とのうちH2を選択的に透過させて水素含有ガスを回収する、多孔質セラミックス管と、この多孔質セラミックス管の表面に無電解めっきされ、厚さ3μmクラスのパラジウム合金被膜とからなるメンブレン管2dが垂直に埋設されている。このメンブレン管2dは、上記形態1の場合と同様に、このメンブレン管2dを覆う金網2iによって触媒層2cから1mm以下隔てられている。そして、このメンブレン管2dの下部はグラファイトからなるシールリングを介して、下端に水素供給管路8が接続される流出口2hを有する金属金具2gに接続されている。前記筒体2bの内周とメンブレン管2dの外周との間の寸法は8mm以下に設定されている。この場合、改質器2の筒体2bの内周とメンブレン管2dの外周との間の寸法が8mm以下で流路が狭いため、流入口2aから筒体2bに流入する脱硫後のLPガスと水蒸気を、粒状の改質触媒の触媒層2cを通過させて改質しながら、メンブレン管2dの表面に接触させることができる。そのため、この形態2の場合にあっては、上記形態1と異なり、触媒層2c内に、LPガスと水蒸気との流れ方向を変換するためのリング板が設けられていない構成になっている。
The
以下、本発明の形態2に係る水素含有ガス生成装置の作用態様を説明する。即ち、改質器2の筒体2bの内周とメンブレン管2dの外周との間の寸法が8mm以下で流路が狭いため、流入口2aから筒体2bに流入する脱硫後のLPガスと水蒸気は粒状の改質触媒の触媒層2cを通過すると共に、メンブレン管2dの表面に接触する。従って、本発明の形態2に係る水素含有ガス生成装置1によれば、脱硫後のLPガスと水蒸気は確実に触媒層2cの改質触媒の表面に接触するから、改質反応によって効果的にH2とCOとCO2に改質される。そして、メンブレン管2dの表面を覆う金網2iは、表面に酸化被膜が形成されたステンレス鋼製の線材で製造されているから、本発明に係る形態2に係る水素含有ガス生成装置は、上記形態1に係る水素含有ガス生成装置と同等の効果を得ることができる。なお、本発明に係る形態2の場合には、上記のとおり、筒体2bの内周とメンブレン管2dの外周との間の寸法が8mm以下である。従って、メンブレン管2dの外径が形態1のメンブレン管と同一である場合、筒体2bが細いから上記形態1の場合より水素含有ガス生成装置を小型にすることができる。
Hereinafter, the operation mode of the hydrogen-containing gas generation device according to
以下、本発明の実施例を、試作品に係り、水素含有ガス生成装置の改質器の模式的断面図の図4と、上記図2,3と、縦軸に水素透過量(Nリットル/h)をとり、横軸に1kWを100%とする改質負荷(%)をとって示す、触媒層の厚さと水素透過量の関係説明図の図5とを参照しながら説明する。 In the following, an embodiment of the present invention relates to a prototype, and FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a reformer of a hydrogen-containing gas generator, FIGS. This will be described with reference to FIG. 5 showing the relationship between the thickness of the catalyst layer and the hydrogen permeation amount, with the horizontal axis representing the reforming load (%) with 1 kW being 100%.
先ず、本発明に係る水素含有ガス生成装置をなすに至った経緯を、図2,3及び4を参照しながら説明する。発明者らは、より低温で水素含有ガスを高効率で生成することができる小型な水素含有ガス生成装置を実現するためにはメンブレン管を使用すれば良いと考えた。つまり、H2を効率良く回収することができるからメンブレン管を具備する改質器を小型にすることができ、結果的に水素含有ガス生成装置を小型にすることができる。
また、低温で良く、低級材料の使用が可能になるから、水素含有ガス生成装置を低コストにすることができ、加えてメンブレン管の長期間の安定使用が可能になると考えてなしたものである。
First, the process of achieving the hydrogen-containing gas generator according to the present invention will be described with reference to FIGS. The inventors have thought that a membrane tube may be used to realize a small hydrogen-containing gas generating device that can generate a hydrogen-containing gas at a lower temperature with high efficiency. That is, since H 2 can be efficiently recovered, the reformer including the membrane tube can be reduced in size, and as a result, the hydrogen-containing gas generator can be reduced in size.
In addition, it is possible to use low-temperature materials at low temperatures, so it is possible to reduce the cost of the hydrogen-containing gas generation device, and in addition, the membrane tube can be used stably for a long time. is there.
そこで、図2,3,4に示す構成の4種類の改質器2を試作した。先ず、図4に示す試作品1に係る改質器2は、脱硫後のLPガスと水蒸気との流入口2aを上部に有する筒体2bを備えている。この筒体2b内には、LPガスと水蒸気とをH2とCOとCO2とに改質反応させる粒状の改質触媒からなる触媒層2cが形成されている。この触媒層2cには、改質反応後のH2とCOとCO2とのうちH2を選択的に透過させて、水素リッチな水素含有ガスを回収するメンブレン管2dが埋設されている。このメンブレン管2dは外径が29mmφの多孔質セラミックス管に無電解めっきにより5μm厚さのパラジウム合金(Pd−Ag)被膜が形成されており、そしてメンブレン管2dはこのメンブレン管2dを覆う金網2iにより触媒層2cから1mm以下隔てられている。このメンブレン管2dの外周と前記筒体2bの内周との間の寸法が13.5mmに設定されると共に、このメンブレン管2dの透過面の上下方向の長さは250mmに設定されている。そして、このメンブレン管2dを透過して内部に回収された水素リッチな水素含有ガスは、前記筒体2bの下部に設けられた流出口2hから排出されるように構成されている。
Therefore, four types of
図2に示す試作品2に係る改質器2は、上記試作品1に係る構成に、流入口2aから流入する脱硫後のLPガスと水蒸気との流れ方向を変換する変換手段を設けたものである。
詳しくは、前記触媒層2cに、前記筒体2bの内周面と接しかつ前記金網2iと所定の間隔を隔てる3枚の大リング板2eと、前記筒体2bの内周面と所定の間隔を隔てかつ前記金網2iに接する3枚の小リング板2fとを所定の間隔で交互に配設したものである。
つまり、図2に示すように、LPガスと水蒸気とをメンブレン管2dの表面方向と、筒体2bの内周面方向とに交互に方向変換させ、リング板同士の間で、必ず改質触媒及びメンブレン表面に触れるように構成したものである。
The
Specifically, the
That is, as shown in FIG. 2, LP gas and water vapor are alternately changed in the direction of the surface of the
図3に示す試作品3に係る改質器2は、脱硫後のLPガスと水蒸気との流入口2aを上部に有する筒体2bを備えている。この筒体2b内には、LPガスと水蒸気とをH2とCOとCO2とに改質反応させる粒状の改質触媒からなる触媒層2cが形成されている。
この触媒層2cには、外径が29mmφであって、改質反応後のH2とCOとCO2とのうちH2を選択的に透過させて水素含有ガスを回収するメンブレン管2dが埋設されている。このメンブレン管2dは、このメンブレン管2dを覆う金網2iによって1mm以下触媒層2cから隔てられている。このメンブレン管2dの外周と前記筒体2bの内周との間の寸法が8mmに設定されると共に、このメンブレン管2dの透過面の上下方向の長さは280mmに設定されている。そして、このメンブレン管2dを透過して回収された水素リッチな水素含有ガスは、前記筒体2bの下部に設けられた流出口2hから排出されるように構成されている。
The
The
さらに、試作品4に係る改質器2として、図3に示す試作品3に係る改質器2と同構成であって、かつメンブレン管2dの外周と前記筒体2bの内周との間の寸法が5mmの改質器2も作成した。
Furthermore, the
上記各改質器に対して47〜79(Nリットル/h)のLPガスを供給して、触媒入口温度480℃、触媒層出口温度600℃、圧力4,4atm(≒0.43MPa、LPガスボンベからLPガスを供給するだけで達成される圧力である。)、S/C=3で試験を行った。その結果は、縦軸に水素透過量(Nリットル/h)をとり、横軸に1kWを100%とする改質負荷(%)をとって示す、触媒層の厚さと水素透過量の関係説明図の図5に示す通りである。なお、図中白丸と黒丸印は試作品2に係る改質器の場合を、白三角と黒三角印は試作品3に係る改質器の場合を、白四角と黒四角印は試作品4に係る改質器の場合を示し、白丸、白三角、白四角印は計算値を、また黒丸、黒三角、黒四角印は実測値を示している。
但し、試作品1に係る改質器2の場合については、実測値が計算値の50%程度で、水素の透過量が少ないため図示を省略した。
47 to 79 (N liter / h) of LP gas was supplied to each reformer, and the catalyst inlet temperature was 480 ° C., the catalyst layer outlet temperature was 600 ° C., the pressure was 4,4 atm (≈0.43 MPa, LP gas cylinder The pressure was achieved simply by supplying LP gas from the gas.), And the test was conducted at S / C = 3. The result shows the relationship between the catalyst layer thickness and the hydrogen permeation amount, with the hydrogen permeation amount (N liter / h) on the vertical axis and the reforming load (%) on the horizontal axis with 1 kW as 100%. This is as shown in FIG. In the figure, the white and black circles indicate the reformer according to
However, in the case of the
試作品2に係る改質器2では、図5において丸印で示すように、水素の回収率は計算値の98%程度であって、ほぼ100%回収できており、十分実用に供し得る機能を有していることが分かる。因みに、ガス分析により求めたこの試作品2に係る改質器2の改質触媒による改質ガスの組成は、H2;72.6容積%、CO;4.4容積%、CH4;3.8容積%、CO2;19.2容積%であった。
In the
試作品3に係る改質器2では、図5において三角印で示すように、水素は計算値の85%程度回収できており、十分実用に供し得る機能を有していることが分かる。因みに、この試作品3に係る改質器2の試験の一例ではメンブラン2dを透過した水素含有ガス量は185Nリットル/hであり、ガス分析により求めた水素含有ガスの組成は、H2;99.57容積%、CO;0.18容積%、CH4;0.18容積%、CO2;0.20容積%であった。
また、オフガス量は310Nリットル/hであり、ガス分析により求めたオフガスの組成は、H2;52.98容積%、CO;9.78容積%、CH4;7.54容積%、CO2;29.70容積%であった。
In the
The off-gas amount was 310 N liter / h, and the off-gas composition determined by gas analysis was H 2 ; 52.98% by volume, CO; 9.78% by volume, CH 4 ; 7.54% by volume, CO 2. 29.70% by volume.
試作品4に係る改質器2では、図5において四角印で示すように、水素の回収率は計算値の96%以上で、ほぼ100%回収できており、十分実用に供し得る機能を有していることが分かる。このことは、メンブラン管2dから8mmを超える位置の改質触媒により改質反応した改質ガスのメンブラン管2dによる水素の引抜き効果が低いことを示している。改質触媒をメンブラン管2dに接近させるほど水素引抜き効果が向上することは当然であるが、この観点からのみによって改質触媒を配設すると、改質触媒の必要量を確保するために、メンブラン管2bの表面積を広くしなければならならない。従って、結果的に水素含有ガス生成装置が大型になるから、メンブラン管2dから8mm以内の範囲内に改質触媒を配設することが、水素の引抜き効果を向上させ、好ましい構造であると結論することができる。
In the
以上の実施例から良く理解されるように、水素含有ガス生成性能の観点からすると、最も好ましいのは試作品2に係る改質器2であるが、試作品3または4に係る改質器2も実用に供し得る構成であるということができる。ところで、メンブレン管と触媒層との離隔寸法が1mmを超える場合についても試みたが、改質層より流路抵抗が小さい金網配設部位を改質されることなく流れるガス量が多いため、水素透過量が少ないということを確認している。なお、以上では、原燃料ガスとしてLPガスを用いる場合を例として説明したが、特にLPガスでなければならないという訳ではなく、他の炭化水素も採用することができる。
As well understood from the above examples, from the viewpoint of hydrogen-containing gas generation performance, the
1…水素含有ガス生成装置,1a…ハウジング,1b…加熱装置(加熱手段),1c…バーナ,1d…蒸発器,1e…水蒸気供給管路,1f…排気口(燃焼排ガス)
2…改質器,2a…流入口,2b…筒体,2c…触媒層,2d…メンブレン管,2e…大リング板,2f…小リング板,2g…金属金具,2h…流出口,2i…金網
3…LPガス供給管路,3a…脱硫器
4…燃料供給管路
5…熱交換器
6…補助燃料供給管路
7…COメタネーション
8…水素供給管路
9…燃料電池
10…貯水タンク
11…水供給管路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Hydrogen-containing gas production | generation apparatus, 1a ... Housing, 1b ... Heating device (heating means), 1c ... Burner, 1d ... Evaporator, 1e ... Water vapor supply line, 1f ... Exhaust port (combustion exhaust gas)
2 ... reformer, 2a ... inlet, 2b ... cylinder, 2c ... catalyst layer, 2d ... membrane tube, 2e ... large ring plate, 2f ... small ring plate, 2g ... metal fitting, 2h ... outlet, 2i ... Wire mesh 3 ... LP gas supply line, 3a ...
Claims (3)
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2003
- 2003-07-25 JP JP2003279744A patent/JP2005044709A/en active Pending
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