JP4657351B2 - Reformer - Google Patents
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Description
本発明は改質装置に関し、特に温度変化によって部材が伸縮しても改質触媒が脱落することを防止する改質装置に関する。 The present invention relates to a reforming apparatus, and more particularly to a reforming apparatus that prevents a reforming catalyst from dropping even when a member expands or contracts due to a temperature change.
近年普及が期待されている燃料電池は、水素と酸素とを導入してこれらの電気化学的反応により発電する装置である。燃料電池は発電に水素を必要とするが、水素自体を供給するインフラが普及していないことから入手が比較的困難であるため、都市ガスや灯油等の炭化水素系の原料を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質装置を燃料電池に併設した燃料電池システムを構築することが多い。例えば家庭に設置される出力1kw程度の燃料電池に併設される小型の改質装置には、コンパクト化の要請から、複数の管を同心円状に間隔を空けて配置し、最も内側の管の内部に燃焼室を形成し、燃焼室の外側の管と管との間に原料及び水蒸気を通過させて高温下で触媒に接触させることにより水素リッチな改質ガスを生成する多重円筒式としたものがある(例えば、特許文献1参照。)。 A fuel cell that is expected to spread in recent years is a device that introduces hydrogen and oxygen and generates electric power through these electrochemical reactions. Fuel cells require hydrogen for power generation, but they are relatively difficult to obtain because the infrastructure for supplying hydrogen itself is not widespread. Therefore, steam reforming of hydrocarbon-based raw materials such as city gas and kerosene is performed. In many cases, a fuel cell system is constructed in which a reformer that generates hydrogen-rich reformed gas is provided in the fuel cell. For example, in a small reformer that is installed in a fuel cell with an output of about 1 kW installed in a home, a plurality of tubes are arranged concentrically at intervals from the request for downsizing, and the inside of the innermost tube A multi-cylinder type that forms a hydrogen-rich reformed gas by forming a combustion chamber and passing the raw material and water vapor between the tubes outside the combustion chamber and contacting the catalyst at a high temperature (For example, refer to Patent Document 1).
上述の多重円筒式の改質装置において、一般に、触媒は球状あるいは円柱状等のアルミナ担体に担持されて管と管との間の流路に充填され、充填された触媒の落下防止のためにガスが流通可能な多孔板が管の底部に取り付けられる。このとき、多重円筒式改質装置の構造上、同心円状に配置された複数の管は、内側に配置されたものほど温度が高くなるため、同一の材料で形成されている場合は熱膨張により伸びる長さが異なることとなる。このため、触媒の落下防止用の多孔板は、流路を形成する内外筒のいずれか一方に固定するのが好ましい。しかしながら、触媒落下防止用の多孔板を内外筒の一方に固定して他方に固定しない構造としても、熱膨張により一旦伸びた円筒が温度低下に伴い縮む際に、充填された触媒が抵抗となって多孔板を相対的に押し下げようとする力が生じて多孔板が曲げられて、触媒が内外筒間の流路から脱落する場合があった。 In the above-described multi-cylinder reforming apparatus, the catalyst is generally supported on a spherical or cylindrical alumina support and filled in a flow path between the tubes, and the filled catalyst is prevented from falling. A perforated plate through which gas can flow is attached to the bottom of the tube. At this time, due to the structure of the multi-cylindrical reformer, the plurality of tubes arranged concentrically increases in temperature as they are arranged on the inner side. The extending length will be different. For this reason, it is preferable to fix the porous plate for preventing the fall of the catalyst to either one of the inner and outer cylinders forming the flow path. However, even when the perforated plate for preventing the fall of the catalyst is fixed to one of the inner and outer cylinders and not fixed to the other, the packed catalyst becomes a resistance when the cylinder once extended due to thermal expansion contracts as the temperature decreases. As a result, a force to push the porous plate relatively down is generated, the porous plate is bent, and the catalyst may fall out of the flow path between the inner and outer cylinders.
本発明は上述の課題に鑑み、温度変化によって部材が伸縮しても改質触媒が脱落することを防止する改質装置を提供することを目的とする。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a reforming device that prevents a reforming catalyst from dropping even when a member expands or contracts due to a temperature change.
上記目的を達成するために、本発明の第1の態様に係る改質装置は、例えば図1乃至図3に示すように、炭化水素系の原料rを改質して水素を主成分とする水素含有ガスgを生成する改質装置10であって;原料rの改質に用いられる熱を発生させる発熱装置12と;第1の筒状部材16と、第1の筒状部材16を内部に収容する第2の筒状部材17とを有する流路形成部材15であって、発熱装置12を第1の筒状部材16の内部に収容し、第1の筒状部材16と第2の筒状部材17との間に原料rが流れる原料流路18が形成された流路形成部材15と;原料rの改質を促進させる改質触媒RCであって、原料流路18に充填された改質触媒RCと;改質触媒RCの落下を防止しつつ流体r、s、jを通過させる受板31であって、第1の筒状部材16に固定されて第2の筒状部材17に固定されずに設けられた受板31と;流路形成部材15の軸方向への受板31の変形を抑制する補強部材32であって、第1の筒状部材16と受板31とに固定された補強部材32とを備え;補強部材32が、受板31に固定された受板固定部32sと、改質触媒RCが充填されている側の第1の筒状部材16に固定された筒状部材固定部32tと、を有する平板状に形成されている。
In order to achieve the above object, the reforming apparatus according to the first aspect of the present invention reforms a hydrocarbon-based raw material r to have hydrogen as a main component, for example, as shown in FIGS. A reforming
このように構成すると、流路形成部材の軸方向への受板の変形を抑制する補強部材であって第1の筒状部材と受板とに固定された補強部材を備えるので、温度変化によって筒状部材が伸縮しても受板が変形することを抑制することができ、流路形成部材と受板とに囲まれた空間内の改質触媒が脱落することを防止することができる。また、補強部材が受板に固定された受板固定部と改質触媒が充填されている側の第1の筒状部材に固定された筒状部材固定部とを有する平板状に形成されているので、発熱装置から受熱して温度が上昇した第1の筒状部材が保有する熱を、補強部材を介して改質触媒に伝達することができ、原料の改質反応を促進させることができる。 If comprised in this way, since it is a reinforcement member which suppresses a deformation | transformation of the receiving plate to the axial direction of a flow-path formation member, Comprising: It equips with a 1st cylindrical member and a receiving plate, By temperature change, Even if the tubular member expands and contracts, the receiving plate can be prevented from being deformed, and the reforming catalyst in the space surrounded by the flow path forming member and the receiving plate can be prevented from falling off. The reinforcing member is formed in a flat plate shape having a receiving plate fixing portion fixed to the receiving plate and a cylindrical member fixing portion fixed to the first cylindrical member on the side filled with the reforming catalyst. Therefore, the heat possessed by the first tubular member that has received the heat from the heat generating device and has risen in temperature can be transmitted to the reforming catalyst via the reinforcing member, and the reforming reaction of the raw material can be promoted. it can.
また、本発明の第2の態様に係る改質装置は、例えば図7に示すように、上記本発明の第1の態様に係る改質装置10Aにおいて、補強部材32Aが、第1の筒状部材16と実質的に同じ線膨張係数の材料で形成され、第1の筒状部材16の軸方向における長さが改質触媒RCが充填されている部分全体にわたって構成されている。
Moreover, the reformer according to the second aspect of the present invention is, for example, as shown in FIG. 7, in the
このように構成すると、第1の筒状部材の軸方向における補強部材の長さが改質触媒が充填されている部分全体にわたって構成されているので、第1の筒状部材から補強部材への伝達熱量を増加させることができ、原料の改質反応をより促進させることができる。 If comprised in this way, since the length of the reinforcement member in the axial direction of the 1st cylindrical member is comprised over the whole part with which the reforming catalyst is filled, it is from a 1st cylindrical member to a reinforcement member. The amount of heat transferred can be increased, and the reforming reaction of the raw material can be further promoted.
また、上記本発明の第1の態様又は第2の態様に係る改質装置と;前記改質装置で生成された水素含有ガスと、酸素を含有する酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池とを備える燃料電池システムとしてもよい。 Further, power generation is performed by an electrochemical reaction between the reformer according to the first or second aspect of the present invention and a hydrogen-containing gas generated by the reformer and an oxidant gas containing oxygen. It is good also as a fuel cell system provided with the fuel cell to perform.
本発明によれば、流路形成部材の軸方向への受板の変形を抑制する補強部材であって第1の筒状部材と受板とに固定された補強部材を備えるので、温度変化によって筒状部材が伸縮しても受板が変形することを抑制することができ、流路形成部材と受板とに囲まれた空間内の改質触媒が脱落することを防止することができる。また、補強部材が受板に固定された受板固定部と改質触媒が充填されている側の第1の筒状部材に固定された筒状部材固定部とを有する平板状に形成されているので、発熱装置から受熱して温度が上昇した第1の筒状部材が保有する熱を、補強部材を介して改質触媒に伝達することができ、原料の改質反応を促進させることができる。 According to the present invention, since the reinforcing member for suppressing the deformation of the receiving plate in the axial direction of the flow path forming member is provided with the reinforcing member fixed to the first tubular member and the receiving plate, Even if the tubular member expands and contracts, the receiving plate can be prevented from being deformed, and the reforming catalyst in the space surrounded by the flow path forming member and the receiving plate can be prevented from falling off. The reinforcing member is formed in a flat plate shape having a receiving plate fixing portion fixed to the receiving plate and a cylindrical member fixing portion fixed to the first cylindrical member on the side filled with the reforming catalyst. Therefore, the heat possessed by the first tubular member that has received the heat from the heat generating device and has risen in temperature can be transmitted to the reforming catalyst via the reinforcing member, and the reforming reaction of the raw material can be promoted. it can.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same or similar members are denoted by the same or similar reference numerals, and redundant description is omitted.
まず図1を参照して、本発明の実施の形態に係る改質装置10を説明する。図1は、改質装置10の縦断面図である。改質装置10は、コンパクト化を図る観点から、複数の管を同心円状に間隔を空けて配置して、各管の間に流体が通過する流路が形成された多重円筒式の改質装置である。改質装置10は、炭化水素系原料としての原料ガスrの水蒸気改質に用いる改質熱を発生させる発熱装置としてのバーナー12と、原料ガスrが改質熱を受けながら通過する原料流路18を形成する流路形成部材15と、原料流路18に充填された改質触媒RCと、改質触媒RCの原料流路18からの落下を防ぐ受板31(図2及び図3参照)と、補強部材32(図2及び図3参照)とを備えている。
First, a
改質触媒RCが充填された原料流路18は、典型的には改質部21を構成している。改質部21は、原料ガスrを水蒸気改質して水素を主成分とするが一酸化炭素を10体積%程度含んでいる準改質ガスjを生成する部分である。改質部21の下流には、準改質ガスjから一酸化炭素濃度を低減した水素含有ガスとしての改質ガスgを生成する一酸化炭素低減部22が設けられている。一酸化炭素低減部22は、準改質ガスj中の一酸化炭素を変成して準改質ガスjから一酸化炭素が低減した変成ガスhとする変成部23と、変成ガスh中の一酸化炭素を選択酸化して変成ガスhからさらに一酸化炭素が低減した改質ガスgを生成する選択酸化部24とを有している。改質部21と一酸化炭素低減部22とで改質ガス生成部20を構成している。
The raw
上記の炭化水素系原料(本実施の形態では原料ガスrとして説明している)は、炭化水素あるいは炭化水素を主成分とする混合物の総称であり、典型的には、メタン、エタン等の鎖式炭化水素(天然ガスも含む)、あるいはメタノール、石油製品(灯油、ガソリン、ナフサ、LPG等)等の炭化水素を主成分とする炭化水素系の原料である。また、準改質ガスjは、水素を主成分とするガスであり、水素を40体積%以上、典型的には70〜80体積%程度含んでいる。準改質ガスjの水素濃度は80体積%以上でもよく、例えば燃料電池(不図示)に供給したときに酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。準改質ガスjには、典型的には、一酸化炭素が10体積%程度含まれている。 The hydrocarbon-based raw material (described in the present embodiment as the raw material gas r) is a general term for a hydrocarbon or a mixture containing hydrocarbon as a main component, and typically includes a chain of methane, ethane, or the like. Hydrocarbons (including natural gas) or hydrocarbon-based raw materials mainly composed of hydrocarbons such as methanol and petroleum products (kerosene, gasoline, naphtha, LPG, etc.). The semi-reformed gas j is a gas containing hydrogen as a main component, and contains 40% by volume or more, typically about 70 to 80% by volume of hydrogen. The hydrogen concentration of the semi-reformed gas j may be 80% by volume or more, for example, as long as it can be generated by an electrochemical reaction with oxygen when supplied to a fuel cell (not shown). The semi-reformed gas j typically contains about 10% by volume of carbon monoxide.
バーナー12は、燃焼用燃料としての燃焼燃料fを燃焼させることで改質熱を発生するように構成されている。バーナー12は、ステンレス鋼製の筒状部材である燃焼室区画筒14の内部に収容され、バーナー12の先端の空間が燃焼室区画筒14に囲まれることによって燃焼室13が形成されている。バーナー12及び燃焼室13で燃焼部11を構成している。本実施の形態では、燃焼室区画筒14は、その軸が略鉛直になるように配設されている。バーナー12は、火炎が下向きに形成されるように燃焼室区画筒14内に配設されている。燃焼室区画筒14は、上端14aが閉塞されて筐体に固定されており、下端が開口になっていると共に温度変化による収縮が妨げられないように自由端となっている。バーナー12の、火炎が形成されるのと反対側は、燃焼室区画筒14の上端14aを貫通して空気燃料導入管29に接続されている。空気燃料導入管29は、燃焼空気a及び燃焼燃料fを流す流路を形成している。燃焼室区画筒14は、側面周囲を流路形成部材15に囲まれている。
The
ここで図2及び図3を図1と共に参照して、流路形成部材15まわりの詳細を説明する。図2は、流路形成部材15の部分縦断面図である。図3は、図2におけるIII−III矢視図である。流路形成部材15は、第1の筒状部材としての内筒16と、第2の筒状部材としての外筒17とを有している。内筒16及び外筒17は、共にステンレス鋼で形成されている。内筒16は、燃焼室区画筒14より一回り大きい筒状部材で形成されており、その軸が燃焼室区画筒14の軸と略一致するように配設されている。これにより、燃焼室区画筒14の外側と内筒16の内側との間に、バーナー12で燃焼燃料fを燃焼させた後の排ガスeを流す排ガス流路11rが形成される。内筒16は、上端が軸直角断面外側に伸びて他の部材(本実施の形態では後述するCO低減触媒保持筒19c(図1参照))に固定されており、下端16bが燃焼室区画筒14よりも下方で閉塞されていると共に温度変化による収縮が妨げられないように自由端となっている。
2 and 3 together with FIG. 1, the details around the flow
外筒17は、内筒16より一回り大きい筒状部材で形成されており、その軸が内筒16の軸と略一致するように配設されている。外筒17は、上端が軸直角方向中心に向かって伸びて内筒16の外側面に固定されており(図1参照)、下端が内筒16の下端と略同じ位置で開口していると共に温度変化による収縮が妨げられないように自由端となっている。外筒17の上端が内筒16の外側面に固定される位置は、バーナー12の火炎の位置よりも上方になっている(図1参照)。外筒17が内筒16の周囲を囲むように配設されていることにより、内筒16の外側面と外筒17の内側面との間に原料流路18が形成されている。本実施の形態では、原料流路18の幅(軸直角方向における内筒16の外側面と外筒17の内側面との距離)が、約5〜8mmに形成されている。
The
原料流路18には、原料ガスrの水蒸気改質反応を促進させるための改質触媒RCが充填されている。本実施の形態の改質触媒RCは、直径約3mmの球状に形成されたアルミナ担体に、ニッケルあるいはルテニウムが担持されたものが、複数充填されて構成されている。このように構成されていることで、原料流路18内における改質触媒RCの各球状担体同士の間に隙間が形成され、この隙間を通って原料ガスrが原料流路18を流れるようになっている。なお、担体は、球状以外の、円柱状等に形成されていてもよい。改質触媒RCは、典型的には、外筒17の軸方向の長さ略全体にわたって充填されている(図1参照)。この改質触媒RCが充填されている部分が、改質部21を構成している。改質部21における水蒸気改質反応は吸熱反応であるために、燃焼部11において燃焼燃料fを燃焼させて改質熱を発生させるように構成されている。改質部21とバーナー12との位置関係は、改質部21の鉛直方向の略中央にバーナー12の火炎が位置するように構成されている。このような位置関係とすると、改質部21全体を加熱することができる。
The raw
受板31は、上述のように構成された改質触媒RCが原料流路18から落下しないようにするために、内筒16の下部に取り付けられている。受板31は、円形平板の中心部分が円形にくり貫かれてドーナツ状に形成されている。受板31は、中心部分開口の直径が内筒16の外径と略等しく、外周の直径が、外周と外筒17との間に隙間が形成されるように、外筒17の内径よりも小さく形成されている。受板31は、典型的には中心部開口の周囲が内筒16の下部外側面に固定されているが、内筒16の下端に固定されていてもよい。受板31の面には、原料ガスr等の流体は通過できるが改質触媒RCは通過できない大きさの通過孔31hが複数形成されている。
The receiving
補強部材32は、受板31が内筒16から剥がれ落ちるのを防ぐために設けられた部材である。補強部材32を設けることとしたのは、以下の理由による。改質装置10は、停止時に常温(周囲環境温度)となっている部材が、運転時には原料ガスrが改質ガスgに改質される工程に適した温度に上昇する。特に、改質部21は、一般に800℃程度に上昇する。このとき、より燃焼部11に近い内筒16の温度が、原料流路18(吸熱反応を行う原料ガスrが流れる)を介して外側に配設された外筒17の温度よりも高くなり、内筒16と外筒17とに温度差が生じる。そのため、熱膨張及び内筒16と外筒17との温度差を考慮して、流路形成部材15は下端が自由端に構成されると共に、受板31は内筒16に固定されるが外筒17には固定されないようになっている。しかし、このような熱膨張の対策を取っても、受板31が内筒16から剥がれて改質触媒RCが脱落する場合があった。この原因を明確に特定することは困難であるが、本発明者らが鋭意研究したところ、改質装置10が運転されることにより運転温度に上昇すると、内筒16及び外筒17が熱膨張により伸び、これに伴って受板31の位置が下がると共に改質触媒RCも重力で下がり、この状態から改質装置10が停止されて温度が低下すると、内筒16及び外筒17が収縮し、これに伴って受板31の位置が上がり、受板31に支持されている改質触媒RCの位置も上がるのであるが、充填された改質触媒RCの各球状担体間に上昇を妨げる方向の摩擦力が生じ、上昇する受板31を相対的に押し下げようとする応力(受板31が内筒16に固定されている部分を破損に至らせる応力)が、片持梁のように内筒16に固定された部分に生じることが原因の1つに考えられるという知見を得た。
The reinforcing
上記の事情に鑑みて、補強部材32は、受板31に固定される受板固定部としての受板固定辺32sと、内筒16の外側面に固定される筒状部材固定部としての筒状部材固定辺32tとを有する平板状に形成されている。受板固定辺32s及び筒状部材固定辺32tは、厳密な直線状の辺だけでなく、途中に突起などがあっても全体として直線状の辺と見ることができるもの(大部分が直線状の辺であるもの)も含まれる。本実施の形態では、補強部材32が矩形平板状に形成されている。これは、本実施の形態では受板31の上面と内筒16の外側面とが直交していると共に、矩形平板状とすると加工が容易だからである。しかしながら、補強部材32は、受板固定辺32sと筒状部材固定辺32tとを有していれば、矩形以外の例えば三角形やその他の多角形の平板に形成されていてもよい。平板に形成されていることで、原料流路18への改質触媒RCの充填及び原料ガスrの流通の妨げとなることを軽減することができる。
In view of the above circumstances, the reinforcing
また、補強部材32は、平面視(図3参照)において、原料流路18を周方向に等分するようにして、8個が設けられている。補強部材32を周方向に等分して取り付けることで、内筒16の収縮時に受板31に生ずる応力を均等に分散させることができる。なお、設置される補強部材32の数は、8個に限らず、原料流路18の大きさや、熱応力により内筒16が伸びる長さを勘案して適宜決定するとよい。
Further, eight reinforcing
流路形成部材15まわりの典型的な構築手順は、次のようになる。まず、内筒16の下部外側面に補強部材32の筒状部材固定辺32tを固定する。次に、外筒17を内筒16に被せて外筒17の上部を内筒16の外側面に固定する。その後、外筒17が取り付けられた内筒16を天地逆にして、形成された原料流路18に改質触媒RCを充填する。そして、受板31を、補強部材32の受板固定辺32s上に載置して、内筒16外側面及び受板固定辺32sに固定する。受板31の補強部材32への固定は、受板31の通過孔31hを利用して溶接するとよい。例えば、補強部材32の受板固定辺32sに、通過孔31hを通過できる突起を形成しておき、受板31を補強部材32上に載置する際にその突起を通過孔31hから飛び出させ、この飛び出させた突起を溶かすように溶接すると、補強部材32と受板31との固定が強固になって好ましい。また、受板31の内筒16への固定は、典型的には、隣り合う補強部材32間の中点を点溶接することにより行われる(これにより本実施の形態では8箇所で点溶接することとなる)。点溶接とすることにより、溶接の手間を軽減することができる。あるいは、内筒16との接続部の受板31への発生応力をさらに低減する観点から、点溶接の数を増やしてもよく、全周溶接としてもよい。
A typical construction procedure around the flow
再び図1を主に参照して改質装置10の構成を説明する。外筒17の下端は開口になっている。この開口により改質部21は変成部23と連通している。他方、外筒17の上端は閉塞しており、この上端の一部に原料ガスrを改質部21に導入する原料ガス導入管26が接続されている。改質部21の上部には、原料ガス導入管26を介して導入した原料ガスrが外筒17の上部全体に行き渡るように改質触媒が充填されていない空間が形成されている。原料ガス導入管26は、燃焼部11と反対方向に(すなわち外側に)向かって延びている。原料ガス導入管26には、後に詳説する改質用水管25が接続されている。
The configuration of the
変成部23は、内筒16の上部を残して、改質部21より上方の内筒16の外周に変成触媒が設けられることにより構成されている。変成触媒は、外筒17の上部をも覆っている。この変成触媒が外筒17を覆っている部分は、外筒17で区画されているため改質部21とは接触していない。上述のように、変成部23は外筒17の下端の開口により改質部21と連通している。変成触媒は、改質部21における水蒸気改質反応によって生成された準改質ガスjに含まれる一酸化炭素を水と反応させる変成反応を促進させる触媒であり、典型的には、鉄−クロム系変成触媒、銅−亜鉛系変成触媒、白金系変成触媒等が用いられる。また、変成触媒の形状は、変成反応を効率的に行うため、粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状とするとよい。変成反応は、一酸化炭素を二酸化炭素にシフトする。変成反応は発熱反応である。
The
選択酸化部24は、変成部23より上方の内筒16の外周に選択酸化触媒が設けられることにより構成されている。選択酸化部24と変成部23との境界は、パンチングメタル等で区画されていてもよいが、選択酸化部24と変成部23とは連通するように構成される。選択酸化触媒は、変成部23における変成反応によって生成された変成ガスhに含まれる一酸化炭素を酸素と反応させる選択酸化反応を促進させる触媒であり、典型的には、白金系選択酸化触媒、ルテニウム系選択酸化触媒、白金−ルテニウム系選択酸化触媒等が用いられる。また、選択酸化触媒の形状は、選択酸化反応を効率的に行うため、粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状とするとよい。選択酸化反応は発熱反応である。
The
変成触媒及び選択酸化触媒は、燃焼室区画筒14等と同軸の筒状部材であるCO低減触媒保持筒19cによって保持されている。言い換えると、内筒16及び外筒17の一部とCO低減触媒保持筒19cとの間に変成触媒が充填されており、内筒16の上部とCO低減触媒保持筒19cとの間に選択酸化触媒が充填されている。CO低減触媒保持筒19cは、変成部23の下方にも延びており、改質部21の下部を覆っている。変成部23より下方のCO低減触媒保持筒19cは、外筒17より一回り大きく形成されている。CO低減触媒保持筒19cの下端19bは閉塞されている。外筒17の下端はCO低減触媒保持筒19cの下端19bに接触しないように配設される。これにより改質部21と変成部23とが連通する。変成部23より下方の、外筒17の外側とCO低減触媒保持筒19cの内側との間には、準改質ガスjを流す準改質ガス流路19が形成されている。準改質ガス流路19は、変成触媒の直下で、変成触媒の下面全体に準改質ガスjが行き渡るように、外側に向けて放射状に広がっている。外筒17よりも一回り大きいCO低減触媒保持筒19cのサイズは、準改質ガス流路19を流れる準改質ガスjの流量を勘案して適宜決定すればよい。
The shift catalyst and the selective oxidation catalyst are held by a CO reduction
CO低減触媒保持筒19cには、変成部23直近の選択酸化部24で、選択酸化空気cを選択酸化部24に導入する選択酸化空気導入管27が接続されている。選択酸化空気導入管27は、外側に向かって延びている。また、CO低減触媒保持筒19cには、変成部23に隣接する側とは反対側の選択酸化部24で、改質ガスgを導出する改質ガス管28が接続されている。改質ガス管28は、外側に向かって延びている。
A selective oxidation
改質用水管25は、以下のように配設されている。選択酸化部24の上方からCO低減触媒保持筒19cの外側に接触し、選択酸化部24の上部からCO低減触媒保持筒19cの外側を螺旋状に下方に巻いていく。螺旋状に下方に巻いていって変成部23の上から2/3程度の位置に至ったところでCO低減触媒保持筒19cから外側に離れ、さらに上方に向きを変えて原料ガス導入管26に接続する。改質用水管25が原料ガス導入管26に接続されることで改質用水管25は改質部21に連通している。このように、改質用水管25は、選択酸化部24及び変成部23に隣接する位置に、改質ガス生成部20の一酸化炭素低減部22から受熱するように配設されている。改質用水管25をこのように配設すると、改質用水sは選択酸化部24の傍らから変成部23の傍らを流れ、原料ガス導入管26に流入するまでに選択酸化部24及び変成部23から受熱して液体から気体となる。なお、図1に示すように、改質用水管25の一部が選択酸化部24及び/又は変成部23の内部を通り、内筒16に接触するように配設されることとすると、受熱量が増加するので好ましい。
The reforming
改質用水管25の最下部(本実施の形態では変成部23の上から2/3程度の位置)より下方の変成部23及び改質部21の外周は、断熱材46で覆われている。断熱材46よりも上方の変成部23及び選択酸化部24の外周は、断熱材47で覆われている。各部21、23、24が断熱材46、47で覆われていることにより、各部21、23、24を運転時における反応に適した温度に維持することができると共に、改質装置10外周の温度を各部21、23、24の温度よりも低くすることができて火傷防止等に寄与する。断熱材46、47は、表面材48で覆われており、改質装置10の外観は概ね円筒状に形成されている。
The outer periphery of the
引き続き図1乃至図3を参照して、改質装置10の作用を説明する。改質装置10が運転を開始すると、燃焼燃料fが改質装置10内のバーナー12に供給されると共に、燃焼空気aもバーナー12に供給される。燃焼燃料f及び燃焼空気aがバーナー12に供給されたらバーナー12を点火する。これにより、改質部21が昇温すると共に、燃焼室区画筒14、内筒16及び外筒17も加熱されて温度が上昇するにつれ自由端側が伸びる。このとき、共に同じ材料で形成されている内筒16及び外筒17は、同じ温度とならないために熱膨張による伸びの量が異なるが、受板31は内筒16に固定されているが外筒17には固定されていないため、内筒16及び外筒17の温度差に起因する受板31への熱応力は生じない。なお、バーナー12における燃焼によって生じた排ガスeは、排ガス流路11rを流れて系外に排出される。改質装置10の温度が上昇してきたら、改質用水ポンプ(不図示)を起動して改質用水sを改質用水管25に送水する。
With continued reference to FIGS. 1 to 3, the operation of the
改質用水sは、改質用水管25を流れて原料ガス導入管26に至るまでに改質ガス生成部20の一酸化炭素低減部22から受熱して水蒸気(この水蒸気も改質用水であるため、以下、水蒸気となった改質用水sを「水蒸気s」ということもある。)となる。水蒸気sが改質部21に供給され、改質部21内が水蒸気雰囲気になったら、原料ガスrを原料ガス導入管26に供給する。原料ガス導入管26に導入された水蒸気sと原料ガスrとは、原料ガス導入管26内で混合されて改質部21に到達する。改質部21では、原料ガスr中の炭化水素と改質用水sが気化した水蒸気sとが燃焼部11から改質熱を得ながら改質触媒RCの隙間を流れて反応し(水蒸気改質反応)、水素と一酸化炭素とを含む準改質ガスjが生成される。生成された準改質ガスjは、受板31の通過孔31hを通って、一酸化炭素濃度を低減するために変成部23に送られる。
The reforming water s receives heat from the carbon
変成部23に送られた準改質ガスjでは、生成された一酸化炭素と残存していた水蒸気とが反応して(変成反応)、水素と二酸化炭素とになる。つまり、変成部23で生成される変成ガスhは、準改質ガスjに比べて、一酸化炭素が減少し、水素と二酸化炭素が増加している。変成ガスhは、準改質ガスjに比べて一酸化炭素濃度が低減しているものの、通常、定常運転時で5000〜10000ppm程度の一酸化炭素を含んでいるため、変成ガスh中の一酸化炭素濃度を低減するために変成部23で生成された変成ガスhは選択酸化部24に送られる。選択酸化部24に変成ガスhが送られるとき、選択酸化空気ブロワ(不図示)により、選択酸化空気cが選択酸化部24に供給される。選択酸化部24に送られた変成ガスhは、残存している一酸化炭素が、供給された選択酸化空気c中の酸素と反応して(選択酸化反応)二酸化炭素となる。選択酸化反応により生成された改質ガスgは、含有する一酸化炭素が、定常運転時で10ppm以下程度となる。この程度の一酸化炭素濃度になった改質ガスgは、改質ガス管28を介して、典型的には燃料電池(不図示)に供給される。
In the semi-reformed gas j sent to the
なお、改質装置10の定常運転時とは、改質部21、変成部23、選択酸化部24の各部が、それぞれの部における反応に適した温度となっている状態である。定常運転時の各部の温度は、改質部21が約550℃〜800℃、変成部23が約160℃〜280℃、選択酸化部が約100℃〜250℃である。改質装置10の起動初期で、各部21、23、24が定常運転時の温度に達していないときは、改質ガス管28に導出される改質ガスgは組成が安定しておらず、高濃度の一酸化炭素を含んでいる。したがって、組成が安定していない改質ガスgは、燃焼部11に導いて、燃焼燃料fとして燃焼させるとよい。
In the steady operation of the
改質装置10の運転が停止される際は、バーナー12への燃焼燃料fの供給を停止し、バーナー12の燃焼を停止する。併せて、改質装置10への改質用水s、原料ガスr、選択酸化空気cの供給を停止する。バーナー12の燃焼が停止されることにより、改質部21の加熱が停止され、時間経過と共に内筒16及び外筒17は温度が低下して縮む。このとき、改質触媒RC担体の摩擦力が、収縮する内筒16の下部に固定された受板31を相対的に押し下げる方向に作用すると考えられ、受板31と内筒16との接続部分に応力が生ずるが、補強部材32が設けられていることで、応力による受板31の変形が抑制される。このように本実施の形態に係る改質装置10では、運転・停止が繰り返されることで熱応力による伸縮が生じても、補強部材32により受板31の破損が防止され、改質触媒RCが原料流路18から脱落することが防止される。以下に参考として、受板31に生ずる応力の解析モデルを示す。
When the operation of the
図4に、応力解析のモデルとなる構成を示す。図4(a)は本実施の形態に係るモデル(以下「実施例モデル」という。)であり、図4(b)は比較例に係るモデル(以下「比較例モデル」という。)である。図4(a)に示す実施例モデルでは、補強部材32の受板固定辺32s(図4では省略しており、図2参照)に形成された突起を受板31の通過孔31hから改質触媒RC(図2参照)が充填されていない側に飛び出させ、この飛び出させた突起を溶かすように溶接して溶接点W32(計8箇所)とすると共に、隣り合う補強部材32間の中点を溶接点W16(計8箇所)で点溶接することで受板31と内筒16との固定をしている。図4(a)に示す実施例モデルでは、便宜上、溶接点W32における応力は、受板固定辺32s(図2参照)と接する受板31の上面(改質触媒RCが充填されている側)ではなく、受板31の下面(改質触媒RCが充填されていない側)に生じることとする。他方、図4(b)に示す比較例モデルでは、図4(a)に示す実施例モデルには設けられている溶接点W32が設けられておらず、受板31と内筒16とが溶接点W16(計8箇所)で点溶接されているだけであることとしている。
FIG. 4 shows a configuration as a model for stress analysis. FIG. 4A is a model according to the present embodiment (hereinafter referred to as “example model”), and FIG. 4B is a model according to a comparative example (hereinafter referred to as “comparative example model”). In the embodiment model shown in FIG. 4A, the protrusion formed on the receiving
応力を解析する前提として、図4(b)に示す比較例モデルにおける受板31が破損した際に受板31に掛かっていた圧力p(受板31を相対的に押し下げようとする圧力)を推定することとする。なお、各解析モデルは、以下に示す条件において考察するものとする。溶接点W16における軸方向の固定部分W16vは、長さ0.2mm、幅2.0mmとなっており、半径方向の固定部分W16hは長さ0.5mm、幅2.0mmとなっている。また、溶接点W32における半径方向の固定部分W32hは、長さ1.5mm、幅2.0mmとなっている。さらに、受板31の通過孔31hは無視することとし、各溶接点W16、W32の固定部分の形状は直接考慮せず、各溶接点W16、W32の拘束(固定)は完全固定であるものと仮定する。そして、改質装置10の運転時は改質部21の温度が700℃になり、停止時は常温(周囲環境温度)になる運転及び停止の繰り返しを約1000回行った際に受板31が破損した実績(実体験)に、上記の条件を当てはめ、このときの受板31に作用する応力及びひずみを逆算し、応力ひずみ線図を仮定し、弾塑性解析を実施して、低サイクル疲労破損時の応力及びひずみの値となるように圧力pを探索した。その結果、図4(b)に示す比較例モデルにおいて溶接点W16に破損応力である245MPaが生ずるのは、受板31に掛かる圧力pが0.7MPaのときであるとの結論を得た。この圧力p=0.7MPaが受板31に掛かったときの固定部分(溶接点)に生ずる応力の解析結果を以下に示す。
As a premise for analyzing the stress, the pressure p applied to the receiving
図5には、実施例モデルの溶接点W16、W32(図4(a)参照)に生ずる応力の解析結果を示す。なお、図では、8箇所ある溶接点W16のうちの隣接する2箇所の溶接点W16の間の受板31の部分を抜粋して示している。図から把握されるように、実施例モデルでは、最も大きな応力が生ずる溶接点W16の固定点の部分の応力が60MPaとなっている。これは、破損応力(245MPa)の4分の1を下回る。また、溶接点W32の部分の応力は約20MPaであり、破損応力(245MPa)の10分の1を下回る。この解析結果から分かるように、実施例モデルでは受板31の破損を抑制する効果が顕著である。
In FIG. 5, the analysis result of the stress which arises in the welding points W16 and W32 (refer FIG. 4A) of an Example model is shown. In addition, in the figure, the part of the receiving
図6には、比較例モデルの溶接点W16(図4(b)参照)に生ずる応力の解析結果を示す。この比較例モデルの場合も実施例モデル(図5参照)の場合と同様に、8箇所ある溶接点W16のうちの隣接する2箇所の溶接点W16の間の受板31の部分を抜粋して示している。図から把握されるように、比較例モデルでは、最大応力245MPaが生ずる溶接点W16の固定点の部分を中心として、応力が生ずる範囲が実施例モデル(図5参照)よりも広範囲に及んでいる。この解析結果から分かるように、比較例モデルでは、改質装置10の運転及び停止の繰り返しにより受板31の破損に至る可能性が実施例モデル(図5参照)よりも高くなる。
In FIG. 6, the analysis result of the stress which arises in the welding point W16 (refer FIG.4 (b)) of a comparative example model is shown. In the case of this comparative example model, as in the case of the example model (see FIG. 5), the portion of the receiving
次に図7を参照して、本発明の実施の形態の変形例に係る改質装置10Aを説明する。図7は、改質装置10Aの流路形成部材15まわりの部分縦断面図である。改質装置10Aの、改質装置10(図2参照)との異なる点は、補強部材32Aの軸方向における長さが、流路形成部材15の軸方向の改質触媒RCが充填されている部分全体にわたっている点である。また、補強部材32Aは、内筒16と実質的に同じ線膨張係数の材料で形成されている。実質的に同じ線膨張係数の材料とは、内筒16及び補強部材32Aが熱膨張しても熱応力により破損することがない関係にある材料である。本実施の形態では、内筒16と補強部材32Aとが同一材料で形成されている。改質装置10Aの上記以外の構成は、改質装置10(図2参照)と同様であるので説明は省略する。改質装置10Aは、内筒16と同一材料で形成された補強部材32Aの内筒16の軸方向における長さ(筒状部材固定辺32Atの長さ)が、改質触媒RCが充填されている部分全体にわたっているので、熱膨張による伸縮の際に過度の応力が生じることを回避しつつ、補強部材32Aを介して内筒16の熱を効率よく改質触媒RCに伝達することができるので、原料ガスrの水蒸気改質反応をより促進させることができる。なお、補強部材32Aの筒状部材固定辺32Atの内筒16外側面との固定箇所は、長手方向全体であってもよく、適切な間隔を空けて固定してもよい。いずれの場合も、内筒16から補強部材32Aへの熱伝達を多くする観点から、筒状部材固定辺32Atと内筒16とができるだけ多くの面積で接していることが好ましい。
Next, with reference to FIG. 7, a
10、10A 改質装置
12 発熱装置
15 流路形成部材
16 内筒(第1の筒状部材)
17 外筒(第2の筒状部材)
18 原料流路
31 受板
32、32A 補強部材
32s 受板固定辺
32t、32At 筒状部材固定辺
RC 改質触媒
g 改質ガス
r 原料ガス
s 改質用水
10,
17 Outer cylinder (second cylindrical member)
18 Raw
Claims (2)
前記原料の改質に用いられる熱を発生させる発熱装置と;
第1の筒状部材と、前記第1の筒状部材を内部に収容する第2の筒状部材とを有する流路形成部材であって、前記発熱装置を前記第1の筒状部材の内部に収容し、前記第1の筒状部材と前記第2の筒状部材との間に前記原料が流れる原料流路が形成された流路形成部材と;
前記原料の改質を促進させる改質触媒であって、前記原料流路に充填された改質触媒と;
前記改質触媒の落下を防止しつつ流体を通過させる受板であって、前記第1の筒状部材に固定されて前記第2の筒状部材に固定されずに設けられた受板と;
前記流路形成部材の軸方向への前記受板の変形を抑制する補強部材であって、前記第1の筒状部材と前記受板とに固定された補強部材とを備え;
前記補強部材が、前記受板に固定された受板固定部と、前記改質触媒が充填されている側の前記第1の筒状部材に固定された筒状部材固定部と、を有する平板状に形成された; 改質装置。 A reformer for reforming a hydrocarbon-based raw material to produce a hydrogen-containing gas mainly containing hydrogen;
A heat generating device for generating heat used for reforming the raw material;
A flow path forming member having a first tubular member and a second tubular member that accommodates the first tubular member therein, wherein the heat generating device is disposed inside the first tubular member. And a flow path forming member in which a raw material flow path through which the raw material flows is formed between the first cylindrical member and the second cylindrical member;
A reforming catalyst for promoting reforming of the raw material, the reforming catalyst filled in the raw material flow path;
A receiving plate that allows fluid to pass through while preventing the reforming catalyst from falling, the receiving plate being fixed to the first cylindrical member and not fixed to the second cylindrical member;
A reinforcing member that suppresses deformation of the receiving plate in the axial direction of the flow path forming member, the reinforcing member being fixed to the first tubular member and the receiving plate;
The reinforcing member has a receiving plate fixing portion fixed to the receiving plate, and a cylindrical member fixing portion fixed to the first cylindrical member on the side filled with the reforming catalyst. A reformer.
請求項1に記載の改質装置。 The reinforcing member is formed of a material having substantially the same linear expansion coefficient as that of the first cylindrical member, and the axial length of the first cylindrical member is filled with the reforming catalyst. Composed throughout;
The reformer according to claim 1.
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