JP5065117B2 - Carbon monoxide removal device and hydrogen production device - Google Patents
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Description
この発明は、例えば灯油等の水素製造用原料から製造された水素リッチな改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置及びこれを備える水素製造装置に関する。 The present invention relates to a carbon monoxide removal apparatus that removes carbon monoxide contained in a hydrogen-rich reformed gas produced from a raw material for hydrogen production such as kerosene, and a hydrogen production apparatus including the same.
燃料電池による発電に使用するための水素を製造する水素製造装置として、例えば特許文献1に開示されてものがある。この装置では、メタノール等の水素製造用原料を改質触媒層で改質して水素リッチな改質ガスを生成し、燃料電池の電極触媒に被毒をもたらす改質ガス中の一酸化炭素(CO)を除去すべく、改質ガスをCO変成触媒層に通して水性シフト反応によりCOを低減し、更に、CO変成触媒層からの改質ガスをCO選択酸化触媒層に通して選択酸化によりCOをより一層低減している。
For example,
このCO選択酸化触媒層による選択酸化では、COを酸化させるための酸素源が必要となるため、酸化除去部に空気を導入することが行われる。
しかしながら、改質ガスと空気とが十分に混ざっていなかったり、選択酸化触媒を最大限に活性化する温度範囲にガス温度が温度調整されていなかったりすると、CO選択酸化触媒層におけるCOの除去効率が低下するおそれがある。 However, if the reformed gas and air are not sufficiently mixed, or if the gas temperature is not adjusted to a temperature range that maximizes the activation of the selective oxidation catalyst, the CO removal efficiency in the CO selective oxidation catalyst layer May decrease.
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、一酸化炭素が十分に除去された高純度な水素を製造することが可能な一酸化炭素除去装置及びこれを備えた水素製造装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and a carbon monoxide removal apparatus capable of producing high-purity hydrogen from which carbon monoxide has been sufficiently removed, and a hydrogen production apparatus provided with the same. The purpose is to provide.
本発明に係る一酸化炭素除去装置は、水素リッチな改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置であって、改質ガスに含まれる一酸化炭素を水性シフト反応により低減するシフト部と、シフト部からの改質ガスと酸素含有ガスとを混合するチャンバと、チャンバからの混合ガスを冷却する冷却部と、冷却部で冷却された混合ガス中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化部と、を備え、更に、略柱状の第1領域と、第1領域の外周側に位置し該第1領域と同軸の環状領域である第2領域と、第2領域の外周側に位置し第1領域と同軸の環状領域である第3領域と、第3領域の外周側に位置し第1領域と同軸の環状領域である第4領域と、を備え、第1領域に、チャンバとシフト部からの改質ガスを該チャンバに導入するための中央ガス流路とを有し、第2領域に、シフト部を有し、第3領域に、チャンバからの混合ガスが通る混合ガス流路と選択酸化部とを有し、第4領域に冷却部を有し、第3領域にある環状の混合ガス流路には、チャンバからの混合ガスが導入される導入口が周方向の一部分に偏って設けられており、第3領域にある環状の選択酸化部には、選択酸化された改質ガスが導出される導出口が周方向の一部分に偏って設けられており、第1領域を中心とした周方向の位置関係において、導入口と導出口とは、第1領域を挟んで反対側に設けられており、シフト部は、高温シフト部と、高温シフト部よりも低い温度で水性シフト反応を行う低温シフト部とを含み、高温シフト部と冷却部とは、混合ガス流路を挟んで隣接する、ことを特徴とする。 A carbon monoxide removal apparatus according to the present invention is a carbon monoxide removal apparatus that removes carbon monoxide contained in a hydrogen-rich reformed gas, and reduces carbon monoxide contained in the reformed gas by an aqueous shift reaction. A shift unit, a chamber for mixing the reformed gas and the oxygen-containing gas from the shift unit, a cooling unit for cooling the mixed gas from the chamber, and carbon monoxide in the mixed gas cooled by the cooling unit A selective oxidation portion that oxidizes, a first region having a substantially columnar shape, a second region that is located on the outer peripheral side of the first region and is an annular region coaxial with the first region, and an outer periphery of the second region A third region that is an annular region that is coaxial with the first region and a fourth region that is an annular region that is coaxial with the first region and is located on the outer peripheral side of the third region, , For introducing the reformed gas from the chamber and the shift unit into the chamber A central gas passage, a shift portion in the second region, a mixed gas passage and a selective oxidation portion through which the mixed gas from the chamber passes in the third region, and cooling in the fourth region. The annular mixed gas flow path in the third region is provided with an inlet for introducing the mixed gas from the chamber in a part of the circumferential direction, and the annular mixed gas channel in the third region The selective oxidation unit is provided with a lead-out port from which the selectively oxidized reformed gas is led out partially in the circumferential direction, and is guided to the introduction port in the circumferential positional relationship around the first region. The outlet is provided on the opposite side across the first region, and the shift unit includes a high temperature shift unit and a low temperature shift unit that performs an aqueous shift reaction at a lower temperature than the high temperature shift unit, and the high temperature shift unit The cooling unit is adjacent to the mixed gas flow path .
この一酸化炭素除去装置では、シフト部からの改質ガスと酸素含有ガスとを混合する混合チャンバを設けることにより、シフト部からの改質ガスと酸素含有ガスとを十分に混合させることが可能であるという特徴を有する。また、その後段に混合ガスと改質用水の熱交換器を設けることにより、混合ガスを冷却して選択酸化部での選択酸化に好適な温度に調整すると共に、改質用水に熱を供給することで改質効率を向上させることができる、という特徴を有する。以上により、改質部で効率的に水素を製造し、また、選択酸化部での選択酸化を効率的に行うことができるため、一酸化炭素が十分に除去された高純度な水素を効率的に製造することが可能となる。 In this carbon monoxide removal apparatus, it is possible to sufficiently mix the reformed gas and the oxygen-containing gas from the shift unit by providing a mixing chamber for mixing the reformed gas and the oxygen-containing gas from the shift unit. It has the characteristic of being. In addition, by providing a heat exchanger for the mixed gas and reforming water in the subsequent stage, the mixed gas is cooled and adjusted to a temperature suitable for selective oxidation in the selective oxidation unit, and heat is supplied to the reforming water. Thus, the modification efficiency can be improved. As described above, hydrogen can be efficiently produced in the reforming section, and selective oxidation in the selective oxidation section can be performed efficiently, so that high-purity hydrogen from which carbon monoxide has been sufficiently removed can be efficiently produced. Can be manufactured.
また、同軸環状に各部を配置することで、コンパクトな構成で一酸化炭素の効率的な除去を行うことができる。 Further, by disposing the respective parts in a coaxial ring shape, it is possible to efficiently remove carbon monoxide with a compact configuration.
ここで、導入口と導出口とが第1領域に関して同じ側にある場合は、導入口から選択酸化部に導入された混合ガスの大部分が選択酸化部の一部分に偏って通され、しかも導入口と導出口とを結ぶ最短距離で十分な選択酸化を施されることなく導出されるおそれがあるものの、このように導入口と導出口とを第1領域を挟んで反対側に設けることで、選択酸化部の特定部分に偏ることなく、且つその中をより長く通すことができるため、改質ガス中の一酸化炭素を十分に低減することが可能となる。 In here, the inlet and outlet may be in the same side with respect to the first region, most of the mixed gas introduced into the selective oxidizing unit through the inlet is passed biased to a portion of the selective oxidation unit, moreover Although the shortest distance connecting the inlet and outlet may be derived without sufficient selective oxidation, the inlet and outlet are thus provided on the opposite side across the first region. Thus, carbon monoxide in the reformed gas can be sufficiently reduced because it can be passed through the selective oxidation portion without being biased to a specific portion and longer.
第3領域にある環状の混合ガス流路内には、導入口から導入された混合ガスを周方向に分散させるための分散体が設けられていることを特徴としてもよい。このようにすれば、混合ガスを周方向に分散して一部に偏ることなく選択酸化部に通すことができるため、改質ガス中の一酸化炭素を十分に低減することが可能となる。 A dispersion for dispersing the mixed gas introduced from the inlet in the circumferential direction may be provided in the annular mixed gas channel in the third region. In this way, the mixed gas can be dispersed in the circumferential direction and passed through the selective oxidation unit without being partially biased, so that carbon monoxide in the reformed gas can be sufficiently reduced.
選択酸化部と混合ガス流路とは、穴が複数空いた環状板により区画されていることを特徴としてもよい。このようにすれば、環状板において混合ガスの流量が制限されることで、混合ガスを周方向により一層分散させることができる。 The selective oxidation unit and the mixed gas flow path may be characterized by being partitioned by an annular plate having a plurality of holes. In this way, the mixed gas can be further dispersed in the circumferential direction by restricting the flow rate of the mixed gas in the annular plate.
酸素含有ガスは、中央ガス流路を通してチャンバに導入されることを特徴としてもよい。このようにすれば、酸素含有ガスがシフト部を介して予熱されるため、改質ガスと酸素含有ガスとをチャンバにおいて混合させ易くなる。
第4領域にある環状の冷却部には改質用水が流され、その導入口が周方向の一部分に偏って設けられており、冷却部内には、改質用水を周方向に分散させるための分散体が設けられていることを特徴としてもよい。このようにすれば、改質用水を周方向に分散して一部に偏ることなく冷却部に通すことができるため、選択酸化部の周方向の温度を均一にすることができ、改質ガス中の一酸化炭素を十分に低減することが可能となる。
The oxygen containing gas may be introduced into the chamber through a central gas flow path. In this way, since the oxygen-containing gas is preheated via the shift unit, the reformed gas and the oxygen-containing gas can be easily mixed in the chamber.
The reforming water is caused to flow through the annular cooling section in the fourth region, and its inlet is provided in a part of the circumferential direction. In the cooling section, the reforming water is dispersed in the circumferential direction. A dispersion may be provided. In this way, since the reforming water can be dispersed in the circumferential direction and passed through the cooling unit without being partially biased, the temperature in the circumferential direction of the selective oxidation unit can be made uniform, and the reformed gas It becomes possible to sufficiently reduce carbon monoxide therein.
本発明に係る水素製造装置は、水素製造用原料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質装置と、上記した一酸化炭素除去装置と、を備えることを特徴とする。この水素製造装置では、上記した一酸化炭素除去装置を備えるため、水素製造用原料から一酸化炭素が十分に除去された高純度な水素を製造することが可能となる。 A hydrogen production apparatus according to the present invention includes a reforming apparatus that reforms a raw material for hydrogen production to generate a hydrogen-rich reformed gas, and the above-described carbon monoxide removal apparatus. Since this hydrogen production apparatus includes the above-described carbon monoxide removal apparatus, it is possible to produce high-purity hydrogen from which carbon monoxide has been sufficiently removed from the raw material for hydrogen production.
本発明によれば、一酸化炭素が十分に除去された高純度な水素を製造することが可能な一酸化炭素除去装置及びこれを備えた水素製造装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the carbon monoxide removal apparatus which can manufacture the highly purified hydrogen from which carbon monoxide was fully removed, and a hydrogen production apparatus provided with the same can be provided.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。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、重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、本実施形態に係る燃料電池システムの概略を示す図である。この燃料電池システム1は、水素製造装置2において水素製造用原料から水素リッチな改質ガスを生成し、この改質ガスを用いて燃料電池3で発電を行う。
FIG. 1 is a diagram showing an outline of a fuel cell system according to the present embodiment. In the
この燃料電池システム1で用いる水素製造用原料としては、水蒸気改質により水素を含む改質ガスを得られる物質であれば使用できる。例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。工業用あるいは民生用に安価に入手できる原料として、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、メタン、都市ガス、LPG(液化石油ガス)を挙げることができ、また石油から得られるガソリン、ナフサ、灯油、軽油など炭化水素油を挙げることができる。これらの中でも、液体原料が好ましく、特に灯油は入手容易でありその取扱が容易であるため好ましい。
As a raw material for producing hydrogen used in the
燃料電池システム1は、図1に示すように、水素製造装置(以下、「FPS」という)、2及び燃料電池3を備えている。燃料電池3としては、固体高分子形(以下、「PEFC」という)、リン酸形、アルカリ形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形など種々の形式のものが挙げられるが、本実施形態では、特に一酸化炭素(CO)による被毒が問題となるPEFCを前提に説明する。
As shown in FIG. 1, the
FPS2は、改質装置21と、一酸化炭素除去装置22とを備えている。改質装置21は、改質用水を用いて水素製造用原料としての灯油を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを生成する。一酸化炭素除去装置22は、改質ガスからPEFC3において被毒となるCOを除去する。この一酸化炭素除去装置22は、シフト部23、チャンバ24、及び選択酸化部25を有している。
The
シフト部23は、シフト触媒を用いて水性シフト反応により改質ガス中のCOを除去する。選択酸化部25は、選択酸化触媒を用いて選択酸化により改質ガス中のCOを除去する。チャンバ24は、選択酸化のための酸素供給源としての空気(酸素含有ガス)と改質ガスとを混合する。なお、チャンバ24と選択酸化部25との間には、チャンバ24で混合された混合ガスが流れる混合ガス流路26が設けられており、これと改質用水が流れる冷却部としての改質用水流路27とが接して熱交換することにより、混合ガスを冷却する。
The
燃料電池3は、このようにしてFPS2で製造された水素リッチな改質ガスを利用し、酸素との電気化学反応によって発電を行う。
The
図2は、図1の燃料電池システム1が備えるFPS2の具体的な構成を示す縦断面図である。図2に示すように、FPS2の改質装置21は、熱源としてのバーナを備える燃焼筒31と、燃焼筒31を囲むように配置され、水素製造用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部32と、改質部32と燃焼筒31との間に設けられた排ガス流路33と、改質部32に導入される改質用水が通る上部水路34とを有している。
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a specific configuration of the
改質部32は、図2及び図3に示すように、燃焼筒31の外側で、燃焼筒31と同軸に配置された筒状の内胴部35と、内胴部35の外側で、内胴部35に同軸に配置された外胴部36と、を備えている。燃焼筒31と内胴部35との間に、燃焼筒31からの排ガスが通過する排ガス流路33が形成されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the reforming
外胴部36の下部には、図2に示すように、上部よりも径が小さくなっている縮径部36aが形成されている。内胴部35と外胴部36との間には、原料ガスと水蒸気との水蒸気改質反応を促進して改質ガスを生成する改質触媒が収容されており、縮径部36aの下端には、改質触媒を支持する環状の多孔板32aが設けられている。これにより、多孔板32aを通って改質ガスが流出する。縮径部36a、多孔板32a及び縮径部36aに対面する内筒部35の下部によって改質ガスの流出部が形成されている。
As shown in FIG. 2, a reduced
縮径部36aの外側には、図2及び図4に示すように、環状の仕切壁37が配置されている。仕切壁37は、流出部の下方に配置された円形のガイド板38に固定されており、ガイド板38は内胴部35の下端に固定されている。この仕切り壁37は、断熱構造を有している。例えば、他の筒体よりも肉厚に形成されていてもよく、WDS(商品名:独Wacker chemie GmbH社製)やグラスウール等の公知の断熱材を利用してもよい。あるいは、内部に空気等の気体が封入された、もしくは内部が真空とされた二重壁構造を利用してもよい。仕切壁37の外側には、外胴部36の上部と同径の筒状の外壁部39が配置され、外壁部39は、外胴部36の上部下端に固定されている。これらガイド板38及び仕切壁37によって改質ガスが流れる改質ガス流路42が形成される。すなわち、流出部から流出した改質ガスは、ガイド板38に衝突して流れ方向が変わり、仕切壁37に案内されながら縮径部36aの外周面に沿って上昇した後、仕切壁37の上端を抜けて折り返し、外壁部39の内周面に沿って下降する。このように、改質ガス流路42を流れる改質ガスは、縮径部36aの上部近傍では改質触媒よりも温度が高くなるため、縮径部36aを介して改質触媒と熱交換し、改質触媒の温度低下を防止する。
As shown in FIGS. 2 and 4, an
外胴部36及び外壁部39の外側には、外胴部36及び外壁部39と同軸に配置された筒状の上部水路壁40が設けられている。外胴部36及び外壁部39と上部水路壁40との間には、水蒸気改質のための改質用水が流動する上部水路34が形成される。この改質用水は、改質ガス流路42を通る改質ガスと外壁部39を介して熱交換して加熱されながら、水蒸気として上部水路34を上昇し、改質部32の導入部に供給される。なお、改質部32の流出部から流出して改質ガス流路42を流れる改質ガスは、外壁部39を介して改質用水との間で熱交換されて冷却される。
A cylindrical
一酸化炭素(CO)除去装置22は、改質装置21で生成された改質ガス中の一酸化炭素を除去する。CO除去装置22は、改質装置21の下方に隣接して配置されており、縦型のFPS2が構成されている。このように、熱供給が必要な改質装置21を上部に配置する一方、冷却が必要なCO除去装置22を下部に配置したので、改質装置21の周りをCO除去装置が同軸に取り囲む構成とする場合と比べて熱効率を上げることができると共に、スリムな構成とすることができる。
The carbon monoxide (CO) removing
CO除去装置22は、略円柱状の第1領域S1と、第1領域S1の外周側に位置し、第1領域S1と同軸の環状領域である第2領域S2と、第2領域S2の外周側に位置し、第1領域S1と同軸の環状領域である第3領域S3と、第3領域S3の外周側に位置し、第1領域S1と同軸の環状領域である第4領域S4を備えている。
The
第2領域S2には、改質ガス中の一酸化炭素を水と二酸化炭素とに転化する水性シフト反応によって一酸化炭素を低減するシフト部23が設けられている。シフト部23は、高温シフト部23aと低温シフト部23bとを有しており、それぞれ異なる温度領域で活性化するシフト触媒が設けられている。改質装置21からの改質ガスは、700°C程度の非常に高い温度であり、高温シフト部23aには、高温での水性シフト反応の促進に有利なシフト触媒が収容されている。シフト触媒としては、例えばFe−Crの混合酸化物が挙げられる。低温シフト部23bには、高温シフト部23aのシフト触媒よりも低い温度での水性シフト反応の促進に有利なシフト触媒が収容されている。シフト触媒としては、例えばZn−Cuの混合酸化物が挙げられる。このシフト部23による水性シフト反応により、改質ガス中に含まれるCO濃度は1%程度にまで軽減される。なお、シフト部23の入口には、改質装置21からの改質ガスを入口全体に亘って分散させる分散板49が設けられている。この分散板49は、例えば複数の穴が空けられたパンチングメタルであり、ガス流量を制限することで、改質ガスを周方向に分散する。
The second region S2 is provided with a
第1領域S1には、シフト部23からの改質ガスが流れる中央ガス流路51と、中央ガス流路51からの改質ガスと酸素含有ガスとしての空気とを混合するチャンバ52とが設けられている。なお、中央ガス流路51には細径の空気導入パイプ53が設けられており、FPS2外部から空気導入パイプ53を通してチャンバ52に空気が導入されるようになっている。
The first region S1 is provided with a
第3領域S3には、チャンバ52からの混合ガスが流れる混合ガス流路26と、混合ガス流路26で冷却された混合ガス中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化部25とが設けられている。なお、チャンバ52と混合ガス流路26とは、図2及び図5に示すように、高温シフト部23aを貫く連絡流路54により連絡されている。このようにして、混合ガス流路26への混合ガスの導入口55が周方向の一部分に偏って集約化されている。混合ガス流路26には、図6に示すように、混合ガス流路26を画成する内周壁外面に分散体56が設けられている。分散体56は、導入口55から混合ガス流路26へ導入された混合ガスを周方向に分散させるものであり、導入口55直下の角度位置を中心とした270度程度の角度範囲に亘って、流路幅の半分程度を塞ぐように配置されている。
The third region S3 is provided with a mixed
混合ガス流路26と選択酸化部25とは、図2及び図7に示すように、穴が複数空いた環状板57により区画されている。選択酸化部25では、CO濃度は10ppm以下にまで低減される。選択酸化部25の下部には、図2に示すように、高純度の水素ガスを含む改質ガスが流出する改質ガス流出部58が設けられている。この改質ガス流出部58への導出口59から、改質ガスが導出される。このようにして、改質ガス流出部58への改質ガスの導出口59が周方向の一部分に偏って集約化されている。ここで、図2及び図8に示すように、第1領域S1を中心とした周方向の位置関係において、混合ガス流路26への導入口55と、改質ガス流出部58への導出口59とは、第1領域S1を挟んで反対側に設けられている。反対側とは、少なくとも、導入口55が設けられた角度位置を中心として左右に90度づつ進んだ180度の角度領域とは異なる他方の180度の角度領域をいう。特に本実施形態では、導入口55が設けられた角度位置を中心として左右に180度づつ進んだ正反対の角度位置に導出口59が設けられている。
As shown in FIGS. 2 and 7, the
第4領域S4には、チャンバ52からの混合ガスを冷却する冷却部が設けられている。この冷却部は、第3領域と第4領域とを区画する内側筒体60とこれを囲む外側筒体61との間の改質用水流路27として構成されている。この冷却部としての改質用水流路27を改質用水が流れることで、混合ガス流路26の部位で改質用水と混合ガスとが熱交換し、混合ガスが冷却される。なお、改質用水流路27は混合ガス流路26の下方に設けられた選択酸化部25の下部まで延びており、選択酸化部25をも冷却する。
ここで、改質用水の導入口は、図2及び図9に示すように、周方向の一部の角度位置に偏って設けられているが、この導入口が設けられた部分の直上には、内側筒体60の外周面上に導入口の角度位置を中心とした120度程度の角度範囲に亘って、流路幅の半分程度を塞ぐように分散体63が配置されている。
In the fourth region S4, a cooling unit for cooling the mixed gas from the
Here, as shown in FIG. 2 and FIG. 9, the reforming water inlet is provided at a partial angular position in the circumferential direction, but directly above the portion where the inlet is provided. The
ここで、改質装置21とCO除去装置22との連結部分について説明する。この改質装置21の下端は、中央に小径の穴が空いた円形の内波板21aと、同じく中央に大径の穴が空いた外波板21bとにより塞がれている。一方、CO除去装置22の上端は、中央に小径の穴が空いた円形の内波板22aと、同じく中央に大径の穴が空いた外波板22bとにより塞がれている。そして、環状連絡流路41が両外波板21b,22bの穴に挿通されている。改質装置21側の内波板21aは、内周部が環状連絡流路41に接続されて封止されており、外周部が外壁部39に接続されて封止されている。また改質装置21側の外波板21bは、内周部が環状連絡流路41と離間され、外周部が上部水路壁40と接続され封止されている。一方、CO除去装置22側の内波板22aは、内周部が環状連絡流路41に接続されて封止されており、外周部が第3領域S3と第4領域S4とを区画する内側筒体60に接続されて封止されている。またCO除去装置22側の外波板22bは、内周部が環状連絡流路22bと離間され、外周部が外側筒体61と接続され封止されている。
Here, a connecting portion between the reforming
次に、上記したFPS2の作用について説明する。
Next, the operation of the
まず、改質用水がCO除去装置22の改質用水流路27を通って選択酸化部25を冷却すると共に、更に混合ガス流路26との間で混合ガスを冷却しながら上昇する。改質用水の導入口は、周方向の一部分に偏って設けられているが、この導入口が設けられた部分の直上には、内側筒体60の外周面上に導入口の角度位置を中心とした120度程度の角度範囲に亘って、流路幅の半分程度を塞ぐように分散体63が配置されている。従って、改質用水を周方向に分散して一部に偏ることなく改質用水流路27に通すことができるため、選択酸化部25の周方向の温度を均一にすることができ、改質ガス中の一酸化炭素を十分に低減することが可能となる。CO除去装置22の上部に至った改質用水は、CO除去装置22側の内波板22aと外波板22bとの間を通り、環状連絡流路41の側面を伝って、改質装置21側の内波板21aと外波板21bとの間を通り、上部水路34を通って改質部32に導入される。また、改質部32には、水素製造用原料としての灯油が導入される。
First, the reforming water cools the
改質部32では、燃焼筒31からの熱を受けながら灯油を水蒸気改質して、水素リッチな改質ガスを生成する。改質ガスは、流出部の多孔板32aを通して改質ガス流路42に送り出される。流出部から流出した改質ガスは、ガイド板38に衝突して流れ方向が変わり、仕切壁37に案内されながら縮径部36aの外周面に沿って上昇した後、仕切壁37の上端を抜けて折り返し、外壁部39の内周面に沿って下降する。これにより、内側の改質ガス流路42を流れる改質ガスは、縮径部36aの上部近傍では改質触媒よりも温度が高くなるため、縮径部36aを介して改質触媒と熱交換し、改質触媒の温度低下を防止する。一方で、外側の改質ガス流路42を通る改質ガスは、改質用水と外壁部39を介して熱交換して冷却される。
In the reforming
改質装置21で生成された改質ガスは、環状連絡流路41を通ってCO除去装置22に導入される。導入された改質ガスは、分散板49により流量が制限されることで、周方向に分散される。そして、まず高温シフト部23a及び低温シフト部23bに順次導入されて水性シフト反応によりCOが除去される。次に、シフト部23下端に達した改質ガスは、下端の円盤状空間を通って、内側の中央ガス流路51を上昇する。中央ガス流路51の上部にはチャンバ52が設けられており、ここで空気導入パイプ53から導入された空気と改質ガスとが混合される。チャンバ52で混合された混合ガスは、連絡流路54を通って導入口55から混合ガス流路26に導入される。ここで混合ガスは改質用水との熱交換により冷却される。また、導入口55から混合ガス流路26へ導入された混合ガスは、分散体56により周方向に分散される。更に、混合ガス流路26と選択酸化部25とを区画する環状板57により流量が制限されることで、混合ガスが周方向により一層分散される。このように、周方向に分散された混合ガスが、環状板57の穴を通して選択酸化部25に導入される。選択酸化部25では、選択酸化により改質ガス中のCOが十分に除去された上で、導出口59から改質ガス流出部58へ導出される。このように、改質ガス流出部58へ導出された改質ガスが燃料電池に送られて、発電が行われる。
The reformed gas generated by the
以上詳述したように、本実施形態に係る一酸化炭素除去装置22によれば、シフト部23からの改質ガスと空気とを冷却前にチャンバ52において十分に混合することができ、また、その後で改質用水流路27と混合ガス流路26とが接する冷却部において混合ガスを冷却して選択酸化部25での選択酸化に好適な温度に調整することができるため、選択酸化部25での選択酸化を効率的に行うことができる。これにより、一酸化炭素が十分に除去された高純度な水素を製造することが可能となる。
As described above in detail, according to the carbon
また、同軸環状に一酸化炭素除去装置22の各部を配置することで、コンパクトな構成で一酸化炭素の効率的な除去を行うことができる。
In addition, by disposing each part of the carbon
また、混合ガス流路26への混合ガスの導入口55が周方向の一部分に集約されているため、滞留時間を稼ぐことで、チャンバ52での改質ガスと空気との混合を促進することができる。また、選択酸化部25からの改質ガスの導出口59が周方向の一部分に集約されているため、滞留時間を稼ぐことで、選択酸化部25での選択酸化を促進することができる。また、混合ガス流路26への混合ガスの導入口55と選択酸化された改質ガスの導出口59とが第1領域S1に関して同じ側にある場合は、導入口55から混合ガス流路26に導入された混合ガスの大部分が選択酸化部25の一部分に偏って通され、しかも導入口55と導出口59とを結ぶ最短距離で十分な選択酸化を施されることなく導出されるおそれがあるものの、図5及び図8に示すように、本実施形態のように導入口55と導出口59とを第1領域S1を挟んで反対側に設けることで、混合ガスが選択酸化部25の特定部分に偏ることなく、且つ選択酸化部25中の触媒により長く通すことができるため、改質ガス中の一酸化炭素を十分に低減することが可能となる。
In addition, since the mixed
また、混合ガス流路26内には、導入口55から導入された混合ガスを周方向に分散させるための分散体56が設けられているため、混合ガスを周方向に分散して一部に偏ることなく選択酸化部25に通すことができ、改質ガス中の一酸化炭素を十分に低減することが可能となる。
Further, since the
また、選択酸化部25と混合ガス流路26とは、穴が複数空いた環状板57により区画されているため、環状板57において混合ガスの流量が制限されることで、混合ガスを周方向により一層分散させることができる。
Further, since the
また、空気導入パイプ53を介し中央ガス流路51を通して空気がチャンバ52に導入されることで、空気がシフト部23を介して予熱されるため、改質ガスと空気とをチャンバ52において混合させ易くなる。
また、選択酸化部25の外周には改質用水流路27を兼ねた冷却部が設けられており、改質用水の導入口は、周方向の一部分に偏って設けられているが、この導入口が設けられた部分の直上には、導入口の角度位置を中心とした120度程度の角度範囲に亘って、流路幅の半分程度を塞ぐように分散体63が配置されている。従って、改質用水を周方向に分散して一部に偏ることなく改質用水流路27に通すことができるため、選択酸化部25の周方向の温度を均一にすることができ、改質ガス中の一酸化炭素を十分に低減することが可能となる。
In addition, since air is preheated through the
Further, a cooling unit that also serves as the reforming
また、本実施形態に係るFPS2は、改質装置21で生成した改質ガス中のCOを上記した一酸化炭素除去装置22で除去できるため、水素製造用原料から一酸化炭素が十分に除去された高純度な水素を製造することが可能となる。
Moreover, since FPS2 which concerns on this embodiment can remove CO in the reformed gas produced | generated with the
また本実施形態にかかる改質装置21は、改質部32と上部水路34との間に設けられた仕切り壁37を備えているため、改質部32から導出された改質ガスを縮径部36aの部分における改質部32の外周面に沿って案内することで、吸熱反応が行われる改質部32との熱交換により改質ガスの熱を回収することができると共に、上部水路34の内周面に沿って案内することで、上部水路34を流れる改質用水との熱交換により改質ガスの熱を回収することができ、熱効率を上げることができる。また、燃焼筒31、排ガス流路33、改質部32、及び上部水路34を順次外側から取り囲む構成とし、改質部32と上部水路34との間に仕切り壁37を設けるというシンプルな構成であるため、コンパクトな構成とすることができる。
Further, the reforming
また、仕切り壁37は断熱構造を有するため、改質ガス流路42の改質部32側と上部水路34側との双方でバランスよく熱回収を進めることができ、より温度の低い上部水路34側でより多くの熱が回収されてしまうことを防ぐことができる。
In addition, since the
また本実施形態に係るFPS2は、分散板49によりシフト部23の入口全体に亘って改質ガスを分散させることができるため、シフト部23の一部に改質ガスが偏るのを防止し、全体を使って効率的にシフト反応させて、改質ガス中の一酸化炭素を除去することができる。
In addition, the
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば、上記した実施形態では、チャンバ52と混合ガス流路26との連絡流路54を一つのみ設けたが、連絡流路54は複数あってもよい。ただし、この場合は、導入口55を周方向の一部分に偏って配置するのが好ましい。改質ガス流出部58への導出口59も同様である。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible. For example, in the above-described embodiment, only one
また、上記した実施形態では、改質部32を下部で縮径し、仕切り壁37をその縮径させた部分の高さ範囲にのみ設けているが、改質部32を全て均一径とし、仕切り壁37を改質部32の上端手前まで延ばして、改質ガス流路42の長さを稼いでもよい。
Further, in the above-described embodiment, the reforming
1…燃料電池システム、2…水素製造装置(FPS)、3…燃料電池、21…改質装置、22…一酸化炭素除去装置、23…シフト部、25…選択酸化部、26…混合ガス流路、27…改質用水流路(冷却部)、31…燃焼筒、32…改質部、33…排ガス流路、34…上部水路、37…仕切り壁、42…改質ガス流路、49…分散板、51…中央ガス流路、52…チャンバ、53…空気導入パイプ、55…導入口、56…分散体、57…環状板、59…導出口、63…分散体、S1…第1領域、S2…第2領域、S3…第3領域、S4…第4領域。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を水性シフト反応により低減するシフト部と、
前記シフト部からの改質ガスと酸素含有ガスとを混合するチャンバと、
前記チャンバからの混合ガスを冷却する冷却部と、
前記冷却部で冷却された前記混合ガス中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化部と、
を備え、
更に、略柱状の第1領域と、前記第1領域の外周側に位置し該第1領域と同軸の環状領域である第2領域と、前記第2領域の外周側に位置し前記第1領域と同軸の環状領域である第3領域と、前記第3領域の外周側に位置し前記第1領域と同軸の環状領域である第4領域と、を備え、
前記第1領域に、前記チャンバと前記シフト部からの改質ガスを該チャンバに導入するための中央ガス流路とを有し、
前記第2領域に、前記シフト部を有し、
前記第3領域に、前記チャンバからの前記混合ガスが通る混合ガス流路と前記選択酸化部とを有し、
前記第4領域に前記冷却部を有し、
前記第3領域にある環状の前記混合ガス流路には、前記チャンバからの前記混合ガスが導入される導入口が周方向の一部分に偏って設けられており、
前記第3領域にある環状の前記選択酸化部には、選択酸化された改質ガスが導出される導出口が周方向の一部分に偏って設けられており、
前記第1領域を中心とした周方向の位置関係において、前記導入口と前記導出口とは、前記第1領域を挟んで反対側に設けられており、
前記シフト部は、高温シフト部と、前記高温シフト部よりも低い温度で水性シフト反応を行う低温シフト部とを含み、
前記高温シフト部と前記冷却部とは、前記混合ガス流路を挟んで隣接する、
ことを特徴とする一酸化炭素除去装置。 A carbon monoxide removal apparatus for removing carbon monoxide contained in a hydrogen-rich reformed gas,
A shift unit for reducing carbon monoxide contained in the reformed gas by an aqueous shift reaction;
A chamber for mixing the reformed gas and the oxygen-containing gas from the shift unit;
A cooling unit for cooling the mixed gas from the chamber;
A selective oxidation unit that selectively oxidizes carbon monoxide in the mixed gas cooled in the cooling unit;
Equipped with a,
Furthermore, a substantially columnar first region, a second region located on the outer peripheral side of the first region and an annular region coaxial with the first region, and the first region located on the outer peripheral side of the second region A third region that is an annular region that is coaxial with the fourth region, and a fourth region that is located on the outer peripheral side of the third region and is coaxial with the first region,
In the first region, the chamber and a central gas flow path for introducing the reformed gas from the shift unit into the chamber,
In the second region, the shift portion is provided,
In the third region, the mixed gas flow path through which the mixed gas from the chamber passes and the selective oxidation unit,
Having the cooling section in the fourth region;
In the annular mixed gas flow path in the third region, an introduction port into which the mixed gas from the chamber is introduced is provided so as to be biased toward a part in the circumferential direction,
The annular selective oxidation portion in the third region is provided with a discharge port through which the selectively oxidized reformed gas is led out partially in the circumferential direction,
In the circumferential positional relationship around the first region, the inlet and the outlet are provided on opposite sides of the first region,
The shift unit includes a high temperature shift unit and a low temperature shift unit that performs an aqueous shift reaction at a lower temperature than the high temperature shift unit,
The high temperature shift part and the cooling part are adjacent to each other with the mixed gas flow path interposed therebetween,
The carbon monoxide removal apparatus characterized by the above-mentioned.
前記冷却部内には、前記改質用水を周方向に分散させるための分散体が設けられていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の一酸化炭素除去装置。 Water for reforming is caused to flow in the annular cooling section in the fourth region, and the inlet is provided in a part of the circumferential direction,
Wherein the cooling portion is carbon monoxide oxidizer according to any one of claims 1 to 4, characterized in that dispersions for dispersing the reforming water to the circumferential direction is provided.
請求項1〜5のいずれかに記載の一酸化炭素除去装置と、
を備えることを特徴とする水素製造装置。 A reformer that reforms a raw material for hydrogen production to produce the hydrogen-rich reformed gas;
A carbon monoxide removal apparatus according to any one of claims 1 to 5 ;
A hydrogen production apparatus comprising:
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