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JP5162989B2 - Reformer - Google Patents
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Description

本発明は、天然ガス等の炭化水素類を改質して水素を製造する改質装置に関する。   The present invention relates to a reforming apparatus for reforming hydrocarbons such as natural gas to produce hydrogen.

水素はクリーンエネルギーとして期待されており、工業上様々な分野で利用が検討されている。例えば、燃料電池は、電解質層を挟んで一対の電極を配置し、一方の電極(アノード側)に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに他方の電極(カソード側)に酸素を含有する酸化ガスを供給し、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る発電システムであって、高いエネルギー効率が実現可能であり、また、窒素酸化物(NOx)や硫黄酸化物(SOx)等の大気汚染物質の排出量が少ないことから、クリーンエネルギーの供給法としてその利用が期待されている。   Hydrogen is expected as clean energy, and its use is being studied in various industrial fields. For example, in a fuel cell, a pair of electrodes are arranged with an electrolyte layer in between, a fuel gas containing hydrogen is supplied to one electrode (anode side), and an oxidizing gas containing oxygen is supplied to the other electrode (cathode side) Is a power generation system that obtains an electromotive force by utilizing an electrochemical reaction that occurs between the two electrodes, and can achieve high energy efficiency, and can also be used for nitrogen oxide (NOx), sulfur oxide (SOx), etc. As the amount of air pollutants emitted is small, it is expected to be used as a clean energy supply method.

通常これらの燃料電池では、空気を酸化ガスとして用い、天然ガス等の炭化水素類の原燃料を水蒸気改質して得られる水素を含むガスを燃料ガスとして用いている。そのため、この様な燃料電池を備える燃料電池発電装置には、改質装置等の水素発生装置等が設けられており、天然ガス等の炭化水素類を、連設した脱硫器、改質器で、脱硫、水蒸気改質して、水素を主成分とした改質ガスを得ている。   Usually, in these fuel cells, air is used as an oxidizing gas, and a gas containing hydrogen obtained by steam reforming a raw material fuel of a hydrocarbon such as natural gas is used as a fuel gas. For this reason, the fuel cell power generation apparatus equipped with such a fuel cell is provided with a hydrogen generator such as a reformer, etc., and hydrocarbons such as natural gas are connected with a continuous desulfurizer and reformer. Then, desulfurization and steam reforming are performed to obtain a reformed gas mainly composed of hydrogen.

以下の(1)式は、原燃料がメタンである場合の改質反応である。
CH+HO→CO+3H ΔH=+206.14KJ/mol・・・(1)
The following equation (1) is a reforming reaction when the raw fuel is methane.
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 ΔH = + 206.14 KJ / mol (1)

式(1)に示されるように、改質反応は吸熱反応である。このため、改質装置には、改質器を加熱するバーナなどの熱源が設置されている。
また、改質反応により得られる改質ガスには、水素のほかに、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO)などが含まれている。
As shown in Formula (1), the reforming reaction is an endothermic reaction. For this reason, a heat source such as a burner for heating the reformer is installed in the reformer.
Further, the reformed gas obtained by the reforming reaction contains carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ) and the like in addition to hydrogen.

ここで、燃料電池は、使用する電解質の種類により固体高分子形燃料電池、りん酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池等に分類される。このうち溶融炭酸塩形燃料電池は、その電解質の性質から、COを含んだ改質ガスを使用することが可能である。しかしながら、動作温度が比較的低いりん酸形燃料電池や、固体高分子形燃料電池では、電極触媒がCOにより被毒され、性能が劣化し、発電効率が低下してしまう。そこで、りん酸形燃料電池の場合には、改質器で生成した改質ガスを、CO変成器によってCO濃度を1%以下にまで低減した後、燃料電池に供給している。また、動作温度が更に低い60〜80℃の固体高分子形燃料電池では、CO変成器にてCO濃度を1%以下に低減した後、更にCO除去器にてCO濃度を10ppm以下まで低減した後、燃料電池に供給している。   Here, the fuel cell is classified into a polymer electrolyte fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, and the like depending on the type of electrolyte used. Among them, the molten carbonate fuel cell can use a reformed gas containing CO due to its electrolyte properties. However, in a phosphoric acid fuel cell or a solid polymer fuel cell having a relatively low operating temperature, the electrode catalyst is poisoned by CO, performance is degraded, and power generation efficiency is reduced. Therefore, in the case of a phosphoric acid fuel cell, the reformed gas generated by the reformer is supplied to the fuel cell after the CO concentration is reduced to 1% or less by the CO converter. In the polymer electrolyte fuel cell having a lower operating temperature of 60 to 80 ° C., the CO concentration was reduced to 1% or less by the CO converter, and then the CO concentration was further reduced to 10 ppm or less by the CO remover. After that, the fuel cell is supplied.

一方、近年、燃料電池発電装置は、家庭用として1kW程度の発電容量として開発されることが多く、小型化が求められている。そのため、上記のような複数の反応器が必要となる改質装置においては、上記反応工程(改質反応、CO変成反応、CO選択酸化反応など)を、それぞれ別々の反応器で行うこととなると、改質装置全体としては大型なものとなることから、各反応器を一体化させて改質装置を小型化する試みがなされている。   On the other hand, in recent years, fuel cell power generation devices are often developed as a power generation capacity of about 1 kW for home use, and miniaturization is required. Therefore, in a reformer that requires a plurality of reactors as described above, the reaction steps (reforming reaction, CO shift reaction, CO selective oxidation reaction, etc.) are performed in separate reactors. Since the entire reformer becomes large, attempts have been made to downsize the reformer by integrating the reactors.

下記特許文献1には、燃料ガスの燃焼により発熱する熱源を含み、この熱源から直接反応熱を得て原燃料である天然ガス等の炭化水素類などを水蒸気改質し水素を主成分とする改質ガスを生成させる改質器と、この改質器で生成した改質ガス中に含まれるCOを水性ガスシフト反応により低減させるCO変成器と、このCO変成器にて処理した後の改質ガス中に含まれるCOを選択的に酸化してさらに低減させるCO除去器とをそれぞれ独立したセクションとして区分されるとともに一体的に構成されており、少なくとも上記改質器とCO変成器とは異なった触媒を備え、上記CO変成器とCO除去器は、上記原料改質部の熱源からの伝熱により間接加熱されるように配置され、しかも上記CO除去器は上記改質器位置より外周側に位置している改質装置が開示されている。   The following Patent Document 1 includes a heat source that generates heat by combustion of fuel gas. The reaction heat is directly obtained from the heat source, and hydrocarbons such as natural gas, which is a raw fuel, are steam reformed to mainly contain hydrogen. A reformer for generating a reformed gas, a CO converter for reducing CO contained in the reformed gas generated by the reformer by a water gas shift reaction, and a reforming after the treatment by the CO converter The CO remover that selectively oxidizes and further reduces CO contained in the gas is divided into independent sections and is configured integrally, at least different from the reformer and the CO converter. The CO converter and the CO remover are arranged to be indirectly heated by heat transfer from the heat source of the raw material reforming section, and the CO remover is located on the outer peripheral side from the reformer position. Located in Reforming apparatus is disclosed that.

しかしながら、このような各反応器を一体させた一体型改質装置は、反応温度が大きく異なる複数の反応器(各反応器の温度範囲;改質器:600〜800℃、CO変成器:200〜350℃、CO除去器:100〜180℃)が一体的に構成されているため、各反応器の温度をそれぞれ適切な反応温度に維持し続けることが困難であった。
すなわち、改質器の熱源からの伝熱により、CO変成器とCO除去器がそれぞれの最適温度を超えて加熱されてしまうことがあった。また、CO変成器やCO除去器での化学反応は、発熱反応であることから、これらの反応器は、それらから放熱される反応熱によっても加熱されるため、適切な反応温度に維持するためには冷却が必要であった。
そこで、特許文献1では、CO変成器やCO除去器の外周にファンなどの冷却手段を配置しており、冷却手段によってCO変成器やCO除去器での反応熱を冷却し、最適な反応温度となるように温度調節している。
However, such an integrated reformer in which each reactor is integrated has a plurality of reactors (temperature ranges of each reactor; reformers: 600 to 800 ° C., CO converter: 200 -350 ° C, CO remover: 100-180 ° C) are integrally configured, and it is difficult to keep the temperature of each reactor at an appropriate reaction temperature.
In other words, the CO converter and the CO remover may be heated above their optimum temperatures due to heat transfer from the heat source of the reformer. In addition, since the chemical reaction in the CO converter and the CO remover is an exothermic reaction, these reactors are also heated by the reaction heat radiated from them, so that they are maintained at an appropriate reaction temperature. Needed cooling.
Therefore, in Patent Document 1, a cooling means such as a fan is disposed on the outer periphery of the CO converter or CO remover, and the reaction heat in the CO converter or CO remover is cooled by the cooling means, so that an optimum reaction temperature is obtained. The temperature is adjusted so that

また、特許文献2には、改質器に供給する改質水を、CO変成器やCO除去器と熱交換させて、改質水の蒸発潜熱でCO変成器やCO除去器を冷却すると共に、CO変成器やCO除去器の触媒層の温度に応じて、改質器に供給する改質水の流量をあらかじめ設定されたS/C範囲内で増減させることが開示されている。
特許3403416号公報 特開2004−6093号公報
In Patent Document 2, the reforming water supplied to the reformer is heat-exchanged with the CO converter and the CO remover, and the CO converter and the CO remover are cooled by the latent heat of vaporization of the reformed water. It is disclosed that the flow rate of reforming water supplied to the reformer is increased or decreased within a preset S / C range in accordance with the temperature of the catalyst layer of the CO converter or CO remover.
Japanese Patent No. 3403416 JP 2004-6093 A

しかしながら、特許文献1の態様では外的な冷却手段などを新たに設置せねばならず、装置コストや冷却に要する運転コスト等が増加し、システム全体としてのコストが増加する問題点があった。また、冷却手段の新たな設置に伴い、改質装置が大型化する問題点があった。   However, in the aspect of Patent Document 1, external cooling means or the like must be newly installed, and there is a problem that the cost of the apparatus and the operating cost required for cooling increase, and the cost of the entire system increases. In addition, with the new installation of the cooling means, there has been a problem that the reformer becomes larger.

また、特許文献2では、CO変成器やCO除去器の触媒層の温度を測定し、該温度に基づき改質水の供給量を制御する、いわゆるフィードバック制御によってCO変成器やCO除去器の触媒層の温度を制御しているので、各反応器の触媒層を所定の温度にするのに時間を要するばかりか、オーバーシュートとアンダーシュートが繰り返されて、各反応器の温度バランスが維持できなくなることがあり、安定した運転が困難になる場合があった。   In Patent Document 2, the temperature of the catalyst layer of the CO converter or the CO remover is measured, and the supply amount of the reforming water is controlled based on the temperature, so that the catalyst of the CO converter or the CO remover is controlled by so-called feedback control. Since the temperature of the layer is controlled, it takes time to bring the catalyst layer of each reactor to a predetermined temperature, and overshoot and undershoot are repeated, and the temperature balance of each reactor cannot be maintained. In some cases, stable operation may be difficult.

したがって、本発明の目的は、運転コストの増大や装置の大型化を招くことなく、各反応器の反応温度を適切に維持できる改質装置を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a reformer that can appropriately maintain the reaction temperature of each reactor without increasing the operating cost and enlarging the apparatus.

上記目的を達成するため、本発明の改質装置は、原燃料である炭化水素類と改質水とを混合させた原料を水蒸気改質反応させて改質ガスを生成する第一反応器と、前記第一反応器に連結され、前記改質ガスに含まれる不純物の濃度を低減して精製改質ガスとする第二反応器と、前記第一反応器に前記原料を供給する改質水含有原料供給路と、前記精製改質ガスの要求量に応じて前記改質水含有原料供給路へ供給する原燃料及び改質水の供給量を制御する原料供給制御手段とを備え、前記改質水含有原料供給路は、少なくとも前記第二反応器との熱交換部を経て前記第一反応器に連結されており、前記原料供給制御手段は、前記改質水含有原料供給路へ供給する前記原燃料の供給量あたりの前記改質水の供給量をモル比で表現したS/C値を、前記精製改質ガスの要求量の低下に連動して、連続的又は段階的に増加させるように構成されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a reformer of the present invention includes a first reactor that generates a reformed gas by performing a steam reforming reaction on a raw material obtained by mixing hydrocarbons that are raw fuel and reformed water. A second reactor connected to the first reactor and reducing the concentration of impurities contained in the reformed gas to produce a refined reformed gas; and reformed water for supplying the raw material to the first reactor And a raw material supply control means for controlling a supply amount of raw fuel and reformed water supplied to the reformed water- containing raw material supply path in accordance with a required amount of the refined reformed gas. The raw water-containing raw material supply path is connected to the first reactor through at least a heat exchange section with the second reactor, and the raw material supply control means supplies the reformed water-containing raw material supply path. An S / C value representing the supply amount of the reforming water per supply amount of the raw fuel as a molar ratio, Serial in conjunction with the reduction in the required amount of purified reformed gas, characterized in that it is configured to increase continuously or stepwise.

本発明の改質装置によれば、改質水含有原料供給路から第一反応器に供給される改質水は、熱交換部における第二反応器との熱交換によって加熱されて、最終的には水蒸気となり、第一反応器での改質反応に使用される。一方、第二反応器は、改質水との熱交換により反応熱が奪われるので冷却される。
この場合、原燃料の供給量に対する改質水の供給量のモル比(以下、「S/C」と記す)を一定値に維持して運転すると、精製改質ガスの要求量が低下した場合、第一反応器への原燃料の供給量を減少させる必要があることから、改質水の供給量も比例的に減少することとなる。その結果、改質水が、第二反応器との熱交換により、早い段階で水蒸気となってしまい、第二反応器を十分冷却しきれない場合がある。その結果、第二反応器の温度が徐々に上昇してしまい、反応器内に充填された触媒層が適切な反応温度を維持できず改質ガス中の不純物濃度を十分低減できないことがある。
According to the reforming apparatus of the present invention, the reforming water supplied from the reforming water-containing raw material supply path to the first reactor is heated by heat exchange with the second reactor in the heat exchange section, and finally Becomes steam and is used for the reforming reaction in the first reactor. On the other hand, the second reactor is cooled because the reaction heat is taken away by heat exchange with the reforming water.
In this case, the required amount of refined reformed gas is reduced when the molar ratio of the supply amount of reforming water to the supply amount of raw fuel (hereinafter referred to as “S / C”) is maintained at a constant value. Since the supply amount of raw fuel to the first reactor needs to be reduced, the supply amount of reforming water is also reduced proportionally. As a result, the reformed water becomes steam at an early stage due to heat exchange with the second reactor, and the second reactor may not be sufficiently cooled. As a result, the temperature of the second reactor gradually increases, and the catalyst layer filled in the reactor may not be able to maintain an appropriate reaction temperature, and the impurity concentration in the reformed gas may not be sufficiently reduced.

そこで、本発明では、原料供給制御手段により、例えば燃料電池発電装置の運転負荷低下に伴い精製改質ガスの要求量が低下した場合、原燃料の供給量に対する改質水の供給量のモル比であるS/C値を、精製改質ガスの要求量の低下に連動して、連続的又は段階的に増加させるようにした。これによって、精製改質ガスの要求量が低下して原燃料の供給量が低下しても、第二反応器の冷却媒体となる改質水を十分量確保できる。その結果、第二反応器の過熱を抑制して第二反応器を最適な反応温度に維持し続けることができるので、CO等の不純物濃度の極めて少ない精製改質ガスを得ることができる。   Therefore, in the present invention, when the required amount of refined reformed gas is reduced by the raw material supply control means, for example, as the operating load of the fuel cell power generator is reduced, the molar ratio of the supply amount of reforming water to the supply amount of raw fuel The S / C value is increased continuously or stepwise in conjunction with a decrease in the required amount of refined reformed gas. As a result, even if the required amount of the refined reformed gas decreases and the supply amount of the raw fuel decreases, it is possible to secure a sufficient amount of reforming water as a cooling medium for the second reactor. As a result, overheating of the second reactor can be suppressed and the second reactor can be maintained at an optimum reaction temperature, so that a purified reformed gas having a very low impurity concentration such as CO can be obtained.

本発明の改質装置の原料供給制御手段は、前記S/C値を、前記精製改質ガスの要求量が予め設定した下限値を下回った時から所定時間の間、定格運転時よりも予め設定した範囲内で低下させ、その後、前記精製改質ガスの要求量の低下に連動して、連続的又は段階的に増加させるように構成されていることが好ましい。   The raw material supply control means of the reformer of the present invention is configured so that the S / C value is set in advance for a predetermined time from when the required amount of the refined reformed gas falls below a preset lower limit value than during rated operation. It is preferable that the temperature is lowered within a set range, and then is increased continuously or stepwise in conjunction with a reduction in the required amount of the refined reformed gas.

改質装置の運転負荷を降下させて改質ガスの生成量を減少させる運転(以下、「部分負荷運転」と記す)時において、S/C値を増加させることで、第二反応器の過熱を抑制できるものの、精製改質ガスに水蒸気が過大に含まれると、例えば、燃料電池に供給する燃料ガスとして用いた場合、ガス流路内で水蒸気が凝縮して流路を閉塞してしまい、発電効率などを損なうおそれがある。このため、精製改質ガスの使用態様によっては、S/C値を無制限に増加させることは好ましくない場合がある。そこで、この部分負荷運転時において、第二反応器が維持されるべき温度を、CO除去効率を損なわない範囲で、定格運転時よりも高い温度域にシフトさせて運転することが好ましい。
この態様によれば、S/C値を、精製改質ガスの要求量が予め設定した下限値を下回った時から所定時間の間、定格運転時よりも予め設定した範囲内で低下させて運転、すなわち、改質水の供給量を低減させて運転するので、昇温速度が速くなり、第二反応器を速やかに昇温できる。そして、このようにして第二反応器を昇温させたのち、S/C値を、精製改質ガスの要求量の低下に連動して、連続的又は段階的に増加させることで、第二反応器の昇温速度は遅くなって、安定化状態に近づき、第二反応器の温度を速やかに最適温度に移行して運転することができる。
In the operation of reducing the reformer's operating load to reduce the amount of reformed gas produced (hereinafter referred to as “partial load operation”), the S / C value is increased, thereby overheating the second reactor. However, if the refined reformed gas contains excessive water vapor, for example, when used as a fuel gas to be supplied to the fuel cell, the water vapor condenses in the gas flow path and closes the flow path. There is a risk of impairing power generation efficiency. For this reason, depending on the usage mode of the refined reformed gas, it may not be preferable to increase the S / C value indefinitely. Therefore, during this partial load operation, it is preferable to operate by shifting the temperature at which the second reactor should be maintained within a range that does not impair the CO removal efficiency to a higher temperature range than during rated operation.
According to this aspect, the operation is performed with the S / C value lowered for a predetermined time from when the required amount of the refined reformed gas falls below the preset lower limit value within a preset range from the rated operation. In other words, since the operation is performed with the supply amount of reforming water reduced, the rate of temperature increase is increased and the temperature of the second reactor can be increased quickly. Then, after raising the temperature of the second reactor in this way, the S / C value is increased continuously or stepwise in conjunction with a decrease in the required amount of purified reformed gas. The temperature rising rate of the reactor becomes slow, approaching the stabilized state, and the temperature of the second reactor can be quickly shifted to the optimum temperature for operation.

本発明の改質装置の原料供給制御手段は、起動時から所定時間は、前記S/C値を、定格運転時よりも予め設定した範囲内で低下させるように構成されていることが好ましい。
改質装置の起動時は、第二反応器の温度は、通常の運転時に安定化すると考えられている温度領域よりも低い温度に留まっていることがあり、また温度が安定していないことがある。この態様によれば、起動時から所定時間は、S/C値を、定格運転時よりも予め設定した範囲内で低下させる、すなわち、起動時から所定時間は、改質水の供給量を低減させて運転するので、第二反応器を昇温して速やかに安定した温度状態にすることができるので、起動後の運転を速やかに行うことができる。
The raw material supply control means of the reformer of the present invention is preferably configured to lower the S / C value within a preset range from the rated operation for a predetermined time from the startup.
When the reformer starts up, the temperature of the second reactor may remain below the temperature range that is believed to stabilize during normal operation, and the temperature may not be stable. is there. According to this aspect, the S / C value is reduced within a preset range from the rated operation for a predetermined time from the start, that is, the supply amount of reforming water is reduced for a predetermined time from the start. Therefore, since the temperature of the second reactor can be raised to a stable temperature state quickly, the operation after startup can be performed quickly.

本発明においては、前記第二反応器は、CO変成器及び/又はCO除去器であることが好ましい。   In the present invention, the second reactor is preferably a CO converter and / or a CO remover.

本発明によれば、改質水含有原料供給路を、第二反応器との熱交換部を経て第一反応器に連結し、原燃料の供給量あたりの改質水の供給量をモル比で表現したS/C値を、精製改質ガスの要求量の低下に連動して、連続的又は段階的に増加させる原料供給制御手段を設けたことにより、第二反応器の過熱を抑制して第二反応器を最適な反応温度に維持し続けることができ、CO等の不純物濃度の極めて少ない精製改質ガスを得ることができる。また、改質水含有原料を第二反応器と熱交換して冷却させるようにしたので、運転コストの増大や、装置の大型化を招くことなく、各反応器の反応温度を適切に維持できる改質装置を提供することができる。   According to the present invention, the reforming water-containing raw material supply path is connected to the first reactor via the heat exchange section with the second reactor, and the supply amount of the reforming water per raw fuel supply amount is in a molar ratio. In order to suppress overheating of the second reactor, a raw material supply control means for continuously or stepwise increasing the S / C value expressed by Thus, the second reactor can be maintained at an optimum reaction temperature, and a purified reformed gas having a very low impurity concentration such as CO can be obtained. Moreover, since the reforming water-containing raw material is cooled by exchanging heat with the second reactor, the reaction temperature of each reactor can be appropriately maintained without causing an increase in operating cost or an increase in the size of the apparatus. A reformer can be provided.

以下、図面に基づいて本発明の改質装置の実施形態を説明する。図1には、本発明の改質装置の一実施形態の正面断面図が示されている。   Hereinafter, embodiments of the reforming apparatus of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a front sectional view of an embodiment of the reforming apparatus of the present invention.

この改質装置は、原燃料の一部を供給して燃焼させ、各反応器の反応に必要な熱を供給する熱源となる燃焼室10を有している。この燃焼室10の外周には、第一反応器20が筒状をなして配置されている。この第一反応器20の更に外周には、筒状の隔壁25を介して、同じく筒状をなす第二反応器30が配置されている。   This reformer has a combustion chamber 10 serving as a heat source for supplying a part of the raw fuel for combustion and supplying heat necessary for the reaction of each reactor. On the outer periphery of the combustion chamber 10, the first reactor 20 is arranged in a cylindrical shape. On the further outer periphery of the first reactor 20, a second reactor 30 having a cylindrical shape is disposed via a cylindrical partition wall 25.

上記第一反応器20は、ナフサ、天然ガス、石炭ガス、アルコール類等の炭化水素類の原燃料から、水蒸気改質反応により、水素を主体とした改質ガスを生成させる反応器であり、いわゆる改質器と呼ばれるものが好ましく採用される。この第一反応器20は、燃焼室10の外周を囲む筒状の反応室20aを有し、この反応室20a内に改質触媒20bが充填されている。第一反応器20の下端部はフランジ状に広がる空間をなし、その外周一箇所に原燃料及び改質水からなる原料供給口20cが形成されている。この原料供給口20cには、第2温度センサー52が配置されている。   The first reactor 20 is a reactor that generates a reformed gas mainly composed of hydrogen from a raw fuel of hydrocarbons such as naphtha, natural gas, coal gas, and alcohols by a steam reforming reaction. What is called a reformer is preferably employed. The first reactor 20 has a cylindrical reaction chamber 20a surrounding the outer periphery of the combustion chamber 10, and the reaction chamber 20a is filled with a reforming catalyst 20b. The lower end of the first reactor 20 forms a flange-like space, and a raw material supply port 20c made of raw fuel and reforming water is formed at one place on the outer periphery thereof. A second temperature sensor 52 is disposed at the raw material supply port 20c.

第一反応器20の上端部には、改質ガス流出口21aが形成され、この改質ガス流出口21aは、第一反応器20の外周に配置された改質ガス流通路21に連通している。改質ガス流通路21の外周には、前記隔壁25を介して、第二反応器30が配置されており、改質ガス流通路21は、その下端部に配置された連通路21bを介して上記第二反応器30に連通されている。   A reformed gas outlet 21 a is formed at the upper end of the first reactor 20, and this reformed gas outlet 21 a communicates with the reformed gas flow passage 21 disposed on the outer periphery of the first reactor 20. ing. A second reactor 30 is disposed on the outer periphery of the reformed gas flow passage 21 via the partition wall 25, and the reformed gas flow passage 21 is connected via a communication passage 21b disposed at the lower end portion thereof. The second reactor 30 communicates with the second reactor 30.

上記隔壁25としては、伝熱調節機能を有するものであれば特に限定はなく、例えば、公知の断熱材や中空層などが好ましく採用される。   The partition wall 25 is not particularly limited as long as it has a heat transfer control function. For example, a known heat insulating material or a hollow layer is preferably employed.

上記第二反応器30は、改質ガス中の不純物濃度を低減して精製処理する反応器であって、例えば、改質ガスに含まれるCOを、水蒸気と反応させて、水素とCOに変成(水性ガスシフト反応;発熱反応)させるCO変成器や、改質ガスに含まれるCOを選択的に酸化(選択酸化反応;発熱反応)させてCOとするCO除去器などが好ましく採用される。 The second reactor 30 is a reactor for purifying by reducing the impurity concentration in the reformed gas. For example, the second reactor 30 reacts with CO in the reformed gas with water vapor to form hydrogen and CO 2 . A CO converter that performs modification (water gas shift reaction; exothermic reaction), a CO remover that selectively oxidizes CO contained in the reformed gas (selective oxidation reaction; exothermic reaction) to produce CO 2, and the like are preferably employed. .

この実施形態では、第二反応器30が筒状の反応室を有し、該反応室は下方の反応室30aと、上方の反応室30bとに分かれており、下方の反応室30aは、シフト触媒31aを充填されてCO変成器31をなし、上方の反応室30bは、CO選択酸化触媒32aを充填されてCO除去器32をなしている。   In this embodiment, the second reactor 30 has a cylindrical reaction chamber, the reaction chamber is divided into a lower reaction chamber 30a and an upper reaction chamber 30b, and the lower reaction chamber 30a is shifted. The catalyst 31a is charged to form a CO converter 31, and the upper reaction chamber 30b is charged with a CO selective oxidation catalyst 32a to form a CO remover 32.

また、CO変成器31とCO除去器32との接続部分には、CO除去器32における酸化反応に必要な空気を取り込むための空気供給管33が接続されている。そして、CO除去器32の上端には、COなどの不純物の低減された精製改質ガスを送出させる精製改質ガス送出路34が設けられている。   In addition, an air supply pipe 33 for taking in air necessary for the oxidation reaction in the CO remover 32 is connected to a connection portion between the CO transformer 31 and the CO remover 32. At the upper end of the CO remover 32, a purified reformed gas delivery path 34 for delivering purified reformed gas with reduced impurities such as CO is provided.

なお、第二反応器30としては、適用される燃料電池の種類や、第一反応器20に供給される原燃料の種類や、第一反応器20に充填された触媒の種類や、要求される精製改質ガスの純度などに応じて使用する反応器を適宜選択でき、CO変成器31のみであってもよい場合がある。また、CO変成器31及びCO除去器32以外の反応器を用いてもよく、CO変成器31及び/又はCO除去器32と、それ以外の反応器とを組み合わせて用いてもよい。また、CO除去器は、COと空気中の酸素を選択的に反応させてCO濃度を低減する選択酸化反応を用いる反応器以外に、COと水素を反応させてメタン化させることでCO濃度を低減するメタネーション反応を用いる反応器であってもよい。   As the second reactor 30, the type of fuel cell to be applied, the type of raw fuel supplied to the first reactor 20, the type of catalyst charged in the first reactor 20, and the like are required. The reactor to be used can be appropriately selected depending on the purity of the purified reformed gas, and the CO converter 31 alone may be sufficient. Further, a reactor other than the CO converter 31 and the CO remover 32 may be used, or the CO converter 31 and / or the CO remover 32 and another reactor may be used in combination. In addition to the reactor using the selective oxidation reaction that selectively reacts CO with oxygen in the air to reduce the CO concentration, the CO remover can react with CO and hydrogen to cause methanation to reduce the CO concentration. It may be a reactor using a methanation reaction to be reduced.

そして、第二反応器30の外周には、第一反応器20へ原燃料及び改質水を供給する原料供給路40が螺旋状に巻き付けられて配設されている。この原料供給路40が螺旋状に巻き付けられた部分が、本発明における熱交換部をなしている。なお、熱交換部の形態は、改質水が供給される空間が壁面を介して直接第二反応器に接触していてもよいし、前記空間に水を吸収する性質を持つ多孔質等が配置されるように構成されていてもよく、螺旋状の管には限定されない。   A raw material supply path 40 for supplying raw fuel and reforming water to the first reactor 20 is spirally wound around the outer periphery of the second reactor 30. The portion where the raw material supply path 40 is spirally wound constitutes a heat exchanging portion in the present invention. In addition, the form of the heat exchange part may be such that the space to which the reforming water is supplied is in direct contact with the second reactor via the wall surface, or a porous or the like having the property of absorbing water in the space. It may be configured to be arranged, and is not limited to a spiral tube.

この実施形態では、原料供給路40は、CO除去器32の外周を囲む配管部40aと、CO変成器31の外周を囲む配管部40bとで構成されている。上記配管部40aと、配管部40bとの間を連結する部分には、第1温度センサー51が配設されている。原料供給路40の基端は、原料供給口41をなし、原料供給路40の先端は、第一反応器20の原料供給口20cに連結されている。   In this embodiment, the raw material supply path 40 includes a piping part 40 a that surrounds the outer periphery of the CO remover 32 and a piping part 40 b that surrounds the outer periphery of the CO transformer 31. A first temperature sensor 51 is disposed at a portion connecting the pipe part 40a and the pipe part 40b. The base end of the raw material supply path 40 forms a raw material supply port 41, and the leading end of the raw material supply path 40 is connected to the raw material supply port 20 c of the first reactor 20.

一方、原燃料は、流量調整弁45を介して原燃料供給路L1を通して供給され、改質水は、流量調整弁46を介して改質水供給路L2を通して供給されるようになっている。原燃料供給路L1及び改質水供給路L2は、途中で合流して、原料供給路40の原料供給口41に連結されている。流量調整弁45、46は、原料供給制御手段50に電気的に接続されており、原料供給制御手段50からの出力信号により流量調整弁45、46の開閉度を変化させて、原料供給口41へ導入する原燃料の供給量に対する改質水の供給量のモル比であるS/C値を変更できるようになっている。なお、この実施形態では、流量調節弁45,46を用いて原燃料及び改質水の供給量を調整しているが、流量調節弁45,46を、ポンプあるいはブロア、コンプレッサー等の機器で代替して原燃料及び改質水の供給量を調整してもよい。   On the other hand, the raw fuel is supplied through the raw fuel supply path L1 through the flow rate adjusting valve 45, and the reformed water is supplied through the reformed water supply path L2 through the flow rate adjusting valve 46. The raw fuel supply path L <b> 1 and the reforming water supply path L <b> 2 join in the middle and are connected to the raw material supply port 41 of the raw material supply path 40. The flow rate adjusting valves 45, 46 are electrically connected to the raw material supply control means 50, and the degree of opening and closing of the flow rate adjusting valves 45, 46 is changed by an output signal from the raw material supply control means 50, so that the raw material supply port 41. The S / C value, which is the molar ratio of the supply amount of the reforming water to the supply amount of the raw fuel to be introduced, can be changed. In this embodiment, the supply amounts of the raw fuel and the reforming water are adjusted using the flow rate adjusting valves 45 and 46. However, the flow rate adjusting valves 45 and 46 are replaced by devices such as a pump, a blower, and a compressor. Thus, the supply amounts of raw fuel and reforming water may be adjusted.

次に、本発明の改質装置の運転方法について説明する。   Next, the operation method of the reformer of the present invention will be described.

まず、原燃料と改質水との流量を流量調整弁45,46で調整して、原燃料の供給量に対する改質水の供給量のモル比であるS/C値を所定の値に設定した状態で、原燃料及び改質水を原料供給口41へ導入する。   First, the flow rates of the raw fuel and reformed water are adjusted by the flow rate adjusting valves 45 and 46, and the S / C value, which is the molar ratio of the reformed water supply amount to the raw fuel supply amount, is set to a predetermined value. In this state, raw fuel and reforming water are introduced into the raw material supply port 41.

原燃料及び改質水を含有する原料は、第二反応器30の外周に螺設された原料供給路40を通って、原料供給口20cから第一反応器20へと供給される。このとき、原料供給路40内の改質水は、原料供給路40を通過するうちに最初にCO除去器32の外周を囲む配管部40aで熱交換され、次にCO変成器31の外周を囲む配管部40bで熱交換される。こうして第二反応器30との熱交換によって加熱されて、最終的には水蒸気となる。同時に原料供給路40内の原燃料も、第二反応器30との熱交換によって加熱されて、原料ガスとなる。一方、第二反応器30を構成するCO除去器32及びCO変成器31は、改質水が冷却媒体として作用し、改質水との熱交換により熱が奪われて冷却され、それぞれに最適な反応温度に維持される。   The raw material containing raw fuel and reforming water is supplied from the raw material supply port 20 c to the first reactor 20 through the raw material supply path 40 screwed on the outer periphery of the second reactor 30. At this time, the reformed water in the raw material supply path 40 is first subjected to heat exchange in the piping section 40a surrounding the outer periphery of the CO remover 32 while passing through the raw material supply path 40, and then the outer periphery of the CO converter 31 is passed through. Heat is exchanged in the surrounding piping part 40b. In this way, it is heated by heat exchange with the second reactor 30, and finally becomes steam. At the same time, the raw fuel in the raw material supply path 40 is also heated by heat exchange with the second reactor 30 to become a raw material gas. On the other hand, in the CO remover 32 and the CO converter 31 constituting the second reactor 30, the reformed water acts as a cooling medium, and heat is taken away by heat exchange with the reformed water. The reaction temperature is maintained.

そして、第二反応器30との熱交換によりガス化した原燃料及び改質水は、第一反応器20内に導入されて改質反応され、改質ガスが生成する。第一反応器20で生成した改質ガスは、第二反応器30へ供給され、まず、前段のCO変成器31にて、改質ガスに含まれるCOが、水蒸気と反応して水素とCOに変成(水性ガスシフト反応)される。その後、後段のCO除去器32にて、残存するCOが空気供給管33より供給される空気中の酸素により選択的に酸化(選択酸化反応)されてCOとなり、改質ガス中のCO濃度が更に低減して、精製改質ガス送出路34から精製改質ガスとなって送出される。 The raw fuel and reformed water gasified by heat exchange with the second reactor 30 are introduced into the first reactor 20 and undergo a reforming reaction to generate a reformed gas. The reformed gas generated in the first reactor 20 is supplied to the second reactor 30. First, in the CO converter 31 in the previous stage, CO contained in the reformed gas reacts with water vapor to generate hydrogen and CO. To 2 (water gas shift reaction). Thereafter, the remaining CO is selectively oxidized (selective oxidation reaction) by the oxygen in the air supplied from the air supply pipe 33 in the subsequent stage CO remover 32 to become CO 2 , and the CO concentration in the reformed gas Is further reduced and sent as purified reformed gas from the purified reformed gas delivery path 34.

ここで、S/C値が常に一定となるように原燃料と改質水との供給量を調整して運転を行う場合、例えば、燃料電池発電装置の運転負荷などが低下して、精製改質ガスの要求量が低下した際には、原燃料の供給量を低減させ、それに比例するようにして改質水の供給量を低減させることになる。このため、S/C値を精製改質ガスの要求量にかかわらず常に一定になるよう原燃料と改質水との供給量を調整して運転した場合には、冷却媒体としての改質水の量が不足して第二反応器30を十分冷却しきれず、第二反応器30が過熱され反応器内に充填された触媒層が適切な反応温度を維持できず、改質ガス中の不純物濃度を十分低減できない場合がある。   Here, when the operation is performed by adjusting the supply amounts of the raw fuel and the reforming water so that the S / C value is always constant, for example, the operation load of the fuel cell power generation device is reduced and the refinement modification is performed. When the required amount of quality gas decreases, the supply amount of raw fuel is reduced, and the supply amount of reforming water is reduced in proportion thereto. Therefore, when the operation is performed by adjusting the supply amounts of the raw fuel and the reforming water so that the S / C value is always constant regardless of the required amount of the refined reformed gas, the reforming water as the cooling medium is used. The second reactor 30 cannot be sufficiently cooled due to a shortage of the amount of catalyst, and the second reactor 30 is overheated and the catalyst layer filled in the reactor cannot maintain an appropriate reaction temperature, and impurities in the reformed gas The concentration may not be sufficiently reduced.

そこで、本発明では、精製改質ガスの要求量に基づいて、原料供給制御手段50によって流量調整弁45,46の開閉度を調整し、原燃料の流量と改質水の流量を段階的又は連続的に変化させて、S/C値を変化させるようにしている。すなわち、原料供給制御手段50によって、精製改質ガス量の要求量の低下に連動して、連続的又は段階的に原燃料の供給量を低減させると共に、原燃料の供給量に対する改質水の供給量を増大させて、S/C値を増加させるようにしている。   Therefore, in the present invention, based on the required amount of refined reformed gas, the raw material supply control means 50 adjusts the degree of opening and closing of the flow rate adjusting valves 45 and 46, and the raw fuel flow rate and the reforming water flow rate are stepwise or The S / C value is changed continuously. That is, the raw material supply control means 50 reduces the supply amount of the raw fuel continuously or stepwise in conjunction with the decrease in the required amount of the refined reformed gas, and reforming water relative to the supply amount of the raw fuel. The supply amount is increased to increase the S / C value.

これによって、精製改質ガスの要求量が低下して原燃料の供給量が低下した場合でも、冷却媒体としての改質水の供給量が第二反応器の冷却のための必要量を下回らないように維持させることができるので、第二反応器30を十分に冷却して、第二反応器30の過熱を抑制でき、第二反応器30の温度を反応に好適な温度範囲に維持することができる。また、第二反応器の温度が上昇しても、最適温度にまで速やかに冷却できるので、第二反応器の冷却時において、オーバーシュートやアンダーシュートが生じにくく、改質装置の温度バランスが損なわれることがない。その結果、燃料電池などの負荷が低下し、精製改質ガスの要求量が低下した場合であっても、COなどの不純物濃度が極めて低い、精製改質ガスを得ることができる。   As a result, even when the required amount of purified reformed gas decreases and the supply amount of raw fuel decreases, the supply amount of reforming water as a cooling medium does not fall below the required amount for cooling the second reactor. The second reactor 30 can be sufficiently cooled to prevent overheating of the second reactor 30, and the temperature of the second reactor 30 can be maintained within a temperature range suitable for the reaction. Can do. In addition, even if the temperature of the second reactor rises, it can be quickly cooled to the optimum temperature, so overshoot and undershoot are less likely to occur during cooling of the second reactor, and the temperature balance of the reformer is impaired. It will not be. As a result, even if the load on the fuel cell or the like is reduced and the required amount of the refined reformed gas is reduced, a refined reformed gas having a very low concentration of impurities such as CO can be obtained.

なお、精製改質ガスの要求量の変動に伴うS/C値の決定方法としては、特に限定はしないが、あらかじめ、定格運転時のS/C値と、精製改質ガスの要求量が最小となる運転負荷時のS/C値とを決定し、精製改質ガスの要求量に応じてS/C値を比例制御や段階的制御する方法などが挙げられる。例えば、定格運転時の精製改質ガスの要求量を100%として、この時のS/C値を3.0とし、最小運転負荷時の精製改質ガスの要求量を30%として、この時のS/C値を3.5として運転する場合、図4のグラフで求められるようにS/Cを比例制御し、それぞれの精製改質ガスの要求量におけるS/C値を決定することができる。   The method for determining the S / C value that accompanies fluctuations in the required amount of purified reformed gas is not particularly limited, but the S / C value during rated operation and the required amount of purified reformed gas are minimized. And a method of determining the S / C value at the time of the operating load and performing proportional control or stepwise control of the S / C value according to the required amount of the refined reformed gas. For example, the required amount of purified reformed gas during rated operation is 100%, the S / C value at this time is 3.0, and the required amount of purified reformed gas at the minimum operating load is 30%. When the operation is performed with an S / C value of 3.5, it is possible to proportionally control the S / C as determined in the graph of FIG. 4 and determine the S / C value for each required amount of purified reformed gas. it can.

本発明の改質装置の運転方法の好ましい態様は、精製改質ガスの要求量が予め設定した下限値を下回った時から所定時間の間、原料供給制御手段50によって流量調整弁45,46の開閉度を調整し、原燃料の供給量に対する改質水の供給量を、定格運転時よりも減らして、S/C値を低下させ、その後、第二反応器30の温度が安定化した後、精製改質ガスの要求量の低下に連動して、連続的又は段階的に原燃料の供給量を低減させると共に、原燃料の供給量に対する改質水の供給量を増大させて、S/C値を増加させることである。   A preferred embodiment of the operation method of the reformer of the present invention is that the raw material supply control means 50 controls the flow rate adjusting valves 45 and 46 for a predetermined time from when the required amount of the refined reformed gas falls below a preset lower limit value. After adjusting the degree of opening and closing, reducing the supply amount of reforming water relative to the supply amount of raw fuel from that during rated operation to lower the S / C value, and then stabilizing the temperature of the second reactor 30 In conjunction with a decrease in the required amount of purified reformed gas, the supply amount of raw fuel is reduced continuously or stepwise, and the supply amount of reforming water relative to the supply amount of raw fuel is increased. Increasing the C value.

前述したように、部分負荷運転時において、S/C値を増加させることで、第二反応器30の過熱を抑制できる。しかしながら、部分負荷運転時において、第一反応器20への改質水の供給量を増加させて、精製改質ガスに水蒸気が過大に含まれると、例えば、燃料電池に供給する燃料ガスとして用いた場合、燃料電池内部のガス流路内で水蒸気が凝縮して流路を閉塞してしまい、ガス欠により燃料電池の発電能力を損なうおそれがある。   As described above, overheating of the second reactor 30 can be suppressed by increasing the S / C value during partial load operation. However, during partial load operation, if the amount of reformed water supplied to the first reactor 20 is increased and water vapor is excessively contained in the refined reformed gas, for example, it is used as a fuel gas supplied to the fuel cell. In such a case, water vapor condenses in the gas flow path inside the fuel cell and closes the flow path, which may impair the power generation capability of the fuel cell due to lack of gas.

このため、精製改質ガスの使用態様によっては、S/C値を無制限に増加できない、言い換えると、第一反応器20への改質水の供給量は無制限に増加できないことから、部分負荷運転時には、第二反応器20が維持されるべき温度を、第二反応器におけるCO除去効率を損なわない範囲で、定格運転時よりも高い温度域にシフトさせて運転することが好ましい。   For this reason, depending on the use mode of the refined reformed gas, the S / C value cannot be increased without limit, in other words, the amount of reforming water supplied to the first reactor 20 cannot be increased without limit, so that partial load operation is performed. Sometimes, it is preferable to operate by shifting the temperature at which the second reactor 20 should be maintained within a range that does not impair the CO removal efficiency in the second reactor to a higher temperature range than during rated operation.

しかしながら、部分負荷運転時における第二反応器30の温度上昇は遅く、温度が安定するには長時間要する場合がある。   However, the temperature rise of the second reactor 30 during the partial load operation is slow, and it may take a long time for the temperature to stabilize.

そこで、上記のようにして、前記精製改質ガスの要求量が予め設定した下限値を下回った時から所定時間の間は、S/C値を予め設定した範囲内で低下させることで、昇温速度が速くなり、第二反応器30を速やかに昇温できる。そして、このようにして第二反応器30を昇温させたのち、S/C値を、精製改質ガスの要求量の低下に連動して、連続的又は段階的に増加させることで、第二反応器30の昇温速度は遅くなって、安定化状態に近づくので、第二反応器30の温度を速やかに最適温度に移行できる。   Therefore, as described above, the S / C value is reduced within a preset range for a predetermined time after the required amount of the refined reformed gas falls below the preset lower limit value. The temperature rate is increased and the temperature of the second reactor 30 can be quickly increased. Then, after raising the temperature of the second reactor 30 in this way, the S / C value is increased continuously or stepwise in conjunction with a decrease in the required amount of purified reformed gas. Since the temperature increase rate of the two reactors 30 becomes slow and approaches a stabilized state, the temperature of the second reactor 30 can be quickly transferred to the optimum temperature.

なお、S/C値を低下させる場合には、その下限値は、第一反応器20にて原燃料である炭化水素類がコーキングしない値を下限値とする必要がある。好ましい一例としては、あらかじめ、図5に示すように、定格運転時のS/C値と、精製改質ガスの要求量が最小となる運転負荷時のS/C値とを決定し、精製改質ガスの要求量に応じて求められるS/C値よりも、0.1〜0.3程度低下させて運転する方法が挙げられる。また、S/C値を低下して運転する時間は、運転条件や装置規模により変化するので特に限定はしない。   In the case where the S / C value is lowered, the lower limit value needs to be a value at which the hydrocarbons as the raw fuel are not coked in the first reactor 20. As a preferable example, as shown in FIG. 5, the S / C value at the rated operation and the S / C value at the operation load at which the required amount of the refined reformed gas is minimized are determined in advance. A method of operating by reducing the S / C value obtained according to the required amount of the quality gas by about 0.1 to 0.3 is mentioned. In addition, the operation time with the S / C value lowered is not particularly limited because it varies depending on the operation conditions and the device scale.

また、本発明の改質装置の運転方法の別の好ましい態様は、起動時から所定時間は、原料供給制御手段50によって流量調整弁45,46の開閉度を調整し、原燃料の供給量に対する改質水の供給量を、定格運転時よりも減らしてS/C値を低下させることである。   In another preferred embodiment of the operation method of the reforming apparatus of the present invention, the opening / closing degree of the flow rate adjusting valves 45 and 46 is adjusted by the raw material supply control means 50 for a predetermined time from the start, and the supply amount of raw fuel is This is to reduce the S / C value by reducing the supply amount of the reforming water as compared with the rated operation.

前述したように、改質装置の起動時は、第二反応器30の温度は、通常の運転時に安定化すると考えられている温度領域よりも低い温度に留まっていることがあり、また、第二反応器30の温度は安定してないことがある。   As described above, when the reformer is started, the temperature of the second reactor 30 may remain at a temperature lower than the temperature range that is considered to be stabilized during normal operation. The temperature of the two reactors 30 may not be stable.

そこで、上記のようにして起動時から所定時間は、S/C値を、定格運転時よりも予め設定した範囲内で低下させて運転することで、第二反応器30を速やかに昇温でき、第二反応器30の温度を定常運転時の温度に移行することができる。   Therefore, the second reactor 30 can be quickly heated by operating with the S / C value lowered within a preset range from the rated operation for a predetermined time from the start as described above. The temperature of the second reactor 30 can be shifted to the temperature during steady operation.

なお、起動直後の不安定な状態でS/C値を低下させると、精製改質ガス中にCOが存在することがあるので、第二反応器30の温度が安定状態に近づいた時点で、S/C値を定格状態に戻し、第二反応器30の温度が安定化するまでに吐出される精製改質ガスは、燃料電池などの水素消費機器などに供給しないことが好ましい。   If the S / C value is lowered in an unstable state immediately after startup, CO may exist in the refined reformed gas, so when the temperature of the second reactor 30 approaches a stable state, It is preferable that the refined reformed gas discharged until the S / C value is returned to the rated state and the temperature of the second reactor 30 is stabilized is not supplied to a hydrogen consuming device such as a fuel cell.

(試験例1)
図1に示す改質装置を用い、定格運転時に、規定の原燃料流量に対し、S/C値が3.0になるように改質用水量を調整して運転したところ、CO変成器31内の触媒層温度は、入口側31aで350℃前後に維持でき、出口側31bで200℃前後に維持できた。このときの第1温度センサー51の測定値は100℃未満であり、第2温度センサー52の測定値は約150℃であった。すなわち、原料供給路40内の改質水は、温度センサー51の配置された付近では完全に蒸発しておらず、改質水は冷却媒体としての機能は有しており、CO変成器31から放熱される反応熱を冷却することができることがわかる。そして、CO変成器31から排出される改質ガスのCO濃度は0.5%以下であった。
(Test Example 1)
When the reforming apparatus shown in FIG. 1 is used and the reforming water amount is adjusted so that the S / C value becomes 3.0 with respect to the specified raw fuel flow rate during rated operation, the CO converter 31 is operated. The inner catalyst layer temperature could be maintained at around 350 ° C. on the inlet side 31a, and could be maintained around 200 ° C. on the outlet side 31b. At this time, the measured value of the first temperature sensor 51 was less than 100 ° C., and the measured value of the second temperature sensor 52 was about 150 ° C. That is, the reforming water in the raw material supply path 40 is not completely evaporated in the vicinity of the temperature sensor 51, and the reforming water has a function as a cooling medium. It can be seen that the reaction heat radiated can be cooled. The CO concentration in the reformed gas discharged from the CO converter 31 was 0.5% or less.

一方、燃料電池発電装置の負荷が最低負荷時の場合、精製改質ガスの要求量は定格運転時の30%程度となるが(以下、「最低負荷運転時」と記載する)、この状態で定格運転時と同様に、S/C値を3.0となるように原燃料と改質水との供給量を調整して運転したところ、CO変成器31内の触媒層温度は、入口側31aで約400℃となり、出口側31bで約300℃となった。このときの温度センサー51の測定値は約200℃であり、温度センサー52の測定値は約240℃であった。すなわち、原料供給路40内の改質水は、温度センサー51の配置された付近で既に完全に蒸発しており、冷却媒体としての機能を失っている。このため、最低負荷運転時の場合、CO変成器31の反応熱を冷却することができないことがわかる。そして、CO変成器31から排出される改質ガスのCO濃度は、約1.0%であり、CO濃度が定格運転時の2倍近く増加した。   On the other hand, when the load of the fuel cell power generator is at the minimum load, the required amount of purified reformed gas is about 30% of the rated operation (hereinafter referred to as “minimum load operation”). As in the rated operation, when the operation was performed by adjusting the supply amounts of raw fuel and reformed water so that the S / C value was 3.0, the catalyst layer temperature in the CO converter 31 was The temperature was about 400 ° C. at 31a and about 300 ° C. at the outlet side 31b. At this time, the measured value of the temperature sensor 51 was about 200 ° C., and the measured value of the temperature sensor 52 was about 240 ° C. That is, the reforming water in the raw material supply path 40 has already completely evaporated in the vicinity of the temperature sensor 51 and has lost its function as a cooling medium. For this reason, it turns out that the reaction heat of the CO converter 31 cannot be cooled in the case of the minimum load operation. The CO concentration of the reformed gas discharged from the CO converter 31 was about 1.0%, and the CO concentration increased nearly twice that of the rated operation.

これに対し、上記最低負荷運転時において、S/C値が3.5となるように、原燃料と改質水の供給量を調整したところ、CO変成器31内の触媒層温度は、入口側31aで約350℃、出口側31bで約200℃となった。このときの温度センサー51の測定値は約98℃であり、温度センサー52の測定値は約190℃であった。図2に最低負荷時におけるCO変成器31の温度変化を表す図表を、図3にCO変成器31の外周に配置された原料供給路40の配管部40b内の温度温度変化を表す図表を示す。   On the other hand, when the supply amounts of the raw fuel and the reforming water are adjusted so that the S / C value becomes 3.5 during the minimum load operation, the catalyst layer temperature in the CO converter 31 is The temperature was about 350 ° C. on the side 31a and about 200 ° C. on the outlet side 31b. At this time, the measured value of the temperature sensor 51 was about 98 ° C., and the measured value of the temperature sensor 52 was about 190 ° C. FIG. 2 is a chart showing the temperature change of the CO transformer 31 at the time of the minimum load, and FIG. 3 is a chart showing the temperature temperature change in the piping part 40b of the raw material supply path 40 arranged on the outer periphery of the CO transformer 31. .

すなわち、原料供給路40内の改質水は、温度センサー51が配置された付近では完全に蒸発しておらず、改質水は冷却媒体としての機能を有しており、CO変成器31から放熱される反応熱を冷却し、最適な反応温度に維持し続けることができることがわかる。このとき、CO変成器31から排出される改質ガスのCO濃度は、定格運転時と同様で、0.5%以下であった。   That is, the reforming water in the raw material supply path 40 is not completely evaporated in the vicinity where the temperature sensor 51 is disposed, and the reforming water functions as a cooling medium. It can be seen that the heat of reaction radiated can be cooled and kept at the optimum reaction temperature. At this time, the CO concentration of the reformed gas discharged from the CO converter 31 was the same as that during rated operation, and was 0.5% or less.

このように、本発明によれば、S/C値が精製改質ガスの要求量の低下に連動して増加するように制御することで、第二反応器30の外周にフィンやファンなどの外部冷却器を特に設けなくとも第二反応器30を冷却して第二反応器30を最適な反応温度に維持し続けることができる。そして、燃料電池などの負荷が低下し、精製改質ガスの要求量が低下した場合であっても、COなどの不純物濃度が極めて低い精製改質ガスを得ることができる。   Thus, according to the present invention, the S / C value is controlled to increase in conjunction with the decrease in the required amount of the refined reformed gas, so that the outer periphery of the second reactor 30 has fins, fans, etc. The second reactor 30 can be cooled to keep the second reactor 30 at the optimum reaction temperature without providing an external cooler. Even when the load on the fuel cell or the like is reduced and the required amount of the refined reformed gas is lowered, a refined reformed gas having a very low concentration of impurities such as CO can be obtained.

(試験例2)
試験例1において、最低負荷運転時において、最初の60分間は、S/C値を3.0にした。この間の温度センサー51の測定値は100℃以上を示しており、原料供給路40内の改質水は、温度センサー51の配置された付近で既に完全に蒸発しており、冷却媒体としての機能を失っていた。
その後、S/C値を3.2にして運転したところ、CO変成器31内の触媒層温度は、最低負荷運転開始から約60分経過した時点で、入口側31aで380〜390℃、出口側31bで250〜300℃前後となり、CO変成器31の温度が安定した。また、このときの第1温度センサー51の測定値は100℃未満であり、第2温度センサー52の測定値は約150℃であった。
一方、最低負荷運転時において、S/C値を3.2にして運転を継続し続けたところ、最低負荷運転開始から約120分経過した時点で、CO変成器31内の触媒層温度は、入口側31aで380〜390℃、出口側31bで250〜300℃前後となり、CO変成器31の温度が安定した。
CO変成器31の入口側の温度変化の推移を図6に示す。
このように、最初の60分間はS/C値を3.0にし、その後、S/C値を3.2にして運転することで、CO変成器31の温度を速やかに安定温度状態に移行することができた。
(Test Example 2)
In Test Example 1, the S / C value was set to 3.0 for the first 60 minutes during the minimum load operation. The measured value of the temperature sensor 51 during this time indicates 100 ° C. or higher, and the reforming water in the raw material supply path 40 has already completely evaporated in the vicinity of the temperature sensor 51 and functions as a cooling medium. Was lost.
Thereafter, when the S / C value was set to 3.2, the catalyst layer temperature in the CO converter 31 was 380 to 390 ° C. at the inlet side 31a at the time when about 60 minutes passed from the start of the lowest load operation, and the outlet The temperature on the side 31b was around 250 to 300 ° C., and the temperature of the CO transformer 31 was stabilized. At this time, the measured value of the first temperature sensor 51 was less than 100 ° C., and the measured value of the second temperature sensor 52 was about 150 ° C.
On the other hand, when the operation was continued with the S / C value set to 3.2 during the minimum load operation, the catalyst layer temperature in the CO converter 31 was about 120 minutes after the start of the minimum load operation. The temperature was 380 to 390 ° C. at the inlet side 31a and around 250 to 300 ° C. at the outlet side 31b, and the temperature of the CO transformer 31 was stabilized.
The transition of the temperature change on the inlet side of the CO transformer 31 is shown in FIG.
In this way, the S / C value is set to 3.0 for the first 60 minutes, and then the S / C value is set to 3.2, so that the temperature of the CO transformer 31 is quickly shifted to a stable temperature state. We were able to.

(試験例3)
図1に示す改質装置の起動運転を行った。
起動開始から100分経過するまでの間は、S/C値を2.8とし、その後S/C値を3.0として運転したところ、CO変成器31内の触媒層温度は、起動から約100分経過した時点で、入口側31aで350℃前後、出口側31bで200℃前後となり、温度が安定した。
これに対し、起動開始からS/C値を3.0として運転したところ、CO変成器31内の触媒層温度は、起動から約200分経過した時点で、入口側31aで350℃前後、出口側31bで200℃前後となり、温度が安定した。
このときのCO変成器31の入口側の温度変化の推移を図7に示す。
このように、起動開始から100分経過するまでの間は、S/C値を2.8とし、その後S/C値を3.0として運転することで、CO変成器31の温度を速やかに安定温度状態に移行することができた。
(Test Example 3)
The reformer shown in FIG. 1 was started up.
During the period from the start of start-up until 100 minutes have passed, the S / C value was set to 2.8, and then the S / C value was set to 3.0. As a result, the catalyst layer temperature in the CO converter 31 was about When 100 minutes passed, the temperature became stable at around 350 ° C. at the inlet side 31a and around 200 ° C. at the outlet side 31b.
On the other hand, when the S / C value was set to 3.0 from the start of startup, the catalyst layer temperature in the CO converter 31 was about 350 ° C. at the inlet side 31a when about 200 minutes had elapsed from the startup. The temperature became stable at around 31O <0> C on the side 31b.
The transition of the temperature change at the inlet side of the CO transformer 31 at this time is shown in FIG.
In this way, until 100 minutes have elapsed from the start of startup, the S / C value is set to 2.8, and then the S / C value is set to 3.0 so that the temperature of the CO transformer 31 can be quickly increased. It was possible to shift to a stable temperature state.

本発明の改質装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the reformer of this invention. 最低負荷運転時におけるCO変成器の温度変化を表す図表を示す。The figure showing the temperature change of the CO transformer at the time of minimum load operation is shown. 原料供給路40内の温度温度変化を表す図表を示す。The chart showing the temperature temperature change in the raw material supply path 40 is shown. 精製改質ガスの要求量の変動に伴うS/C値の変化を示す図表である。It is a graph which shows the change of S / C value accompanying the fluctuation | variation of the request | requirement amount of refinement | purification reformed gas. 精製改質ガスの要求量の変動に伴う通常運転時及びS/C値低下運転時のS/C値の変化を示す図表である。It is a graph which shows the change of the S / C value at the time of the normal operation accompanying the fluctuation | variation of the request | requirement amount of refinement | purification reformed gas, and a S / C value fall operation. 試験例2におけるCO変成器の温度変化を示す図表である。10 is a chart showing a temperature change of a CO transformer in Test Example 2. 試験例3におけるCO変成器の温度変化を示す図表である。10 is a chart showing temperature changes of a CO transformer in Test Example 3.

符号の説明Explanation of symbols

10:燃焼室
20:第一反応器
21:改質ガス流通路
25:隔壁
30:第二反応器
31:CO変成器
32:CO除去器
33:空気供給管
34:精製改質ガス送出路
40、40a、40b:改質水含有原料供給路
41:原料供給口
45,46:流量調整弁
50:原料供給制御手段
10: combustion chamber 20: first reactor 21: reformed gas flow path 25: partition wall 30: second reactor 31: CO converter 32: CO remover 33: air supply pipe 34: purified reformed gas delivery path 40 40a, 40b: reforming water-containing raw material supply path 41: raw material supply port 45, 46: flow rate adjusting valve 50: raw material supply control means

Claims (4)

原燃料である炭化水素類と改質水とを混合させた原料を水蒸気改質反応させて改質ガスを生成する第一反応器と、
前記第一反応器に連結され、前記改質ガスに含まれる不純物の濃度を低減して精製改質ガスとする第二反応器と、
前記第一反応器に前記原料を供給する改質水含有原料供給路と、前記精製改質ガスの要求量に応じて前記改質水含有原料供給路へ供給する原燃料及び改質水の供給量を制御する原料供給制御手段とを備え、
前記改質水含有原料供給路は、少なくとも前記第二反応器との熱交換部を経て前記第一反応器に連結されており、
前記原料供給制御手段は、前記改質水含有原料供給路へ供給する前記原燃料の供給量あたりの前記改質水の供給量をモル比で表現したS/C値を、前記精製改質ガスの要求量の低下に連動して、連続的又は段階的に増加させるように構成されていることを特徴とする改質装置。
A first reactor that generates a reformed gas by a steam reforming reaction of a raw material that is a mixture of hydrocarbons that are raw fuel and reformed water;
A second reactor connected to the first reactor and reducing the concentration of impurities contained in the reformed gas to obtain a refined reformed gas;
Supply of reformed water-containing raw material supply path for supplying the raw material to the first reactor, and supply of raw fuel and reformed water supplied to the reformed water- containing raw material supply path according to the required amount of the refined reformed gas A raw material supply control means for controlling the amount,
The reforming water-containing raw material supply path is connected to the first reactor through at least a heat exchange section with the second reactor,
The raw material supply control means has an S / C value expressing the supply amount of the reforming water per supply amount of the raw fuel supplied to the reforming water-containing raw material supply path in a molar ratio, as the refined reformed gas. A reformer characterized by being configured to increase continuously or stepwise in conjunction with a decrease in the required amount.
前記原料供給制御手段は、前記S/C値を、前記精製改質ガスの要求量が予め設定した下限値を下回った時から所定時間の間、定格運転時よりも予め設定した範囲内で低下させ、その後、前記精製改質ガスの要求量の低下に連動して、連続的又は段階的に増加させるように構成されている、請求項1に記載の改質装置。   The raw material supply control means lowers the S / C value within a preset range from the rated operation for a predetermined time after the required amount of the refined reformed gas falls below a preset lower limit value. Then, the reformer is configured to increase continuously or stepwise in conjunction with a decrease in the required amount of the refined reformed gas. 前記原料供給制御手段は、起動時から所定時間は、前記S/C値を、定格運転時よりも予め設定した範囲内で低下させるように構成されている、請求項1又は2に記載の改質装置。   3. The modified material according to claim 1, wherein the raw material supply control unit is configured to decrease the S / C value within a preset range from a rated operation for a predetermined time from the startup. Quality equipment. 前記第二反応器は、CO変成器及び/又はCO除去器である請求項1〜3のいずれか一つに記載の改質装置。   The reformer according to any one of claims 1 to 3, wherein the second reactor is a CO converter and / or a CO remover.
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