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JP2005040660A - Catalytic reactor, heat exchanger, and fuel reforming system - Google Patents

Catalytic reactor, heat exchanger, and fuel reforming system Download PDF

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JP2005040660A
JP2005040660A JP2003200330A JP2003200330A JP2005040660A JP 2005040660 A JP2005040660 A JP 2005040660A JP 2003200330 A JP2003200330 A JP 2003200330A JP 2003200330 A JP2003200330 A JP 2003200330A JP 2005040660 A JP2005040660 A JP 2005040660A
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JP
Japan
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refrigerant
flow path
catalytic reaction
refrigerant flow
porous body
Prior art date
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Application number
JP2003200330A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasushi Ichikawa
靖 市川
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
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  • Fuel Cell (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat exchanger suitable for vaporizing a cooling medium by exchanging heat, a catalytic reaction apparatus and a system for reforming fuel. <P>SOLUTION: This catalytic reaction apparatus is provided with a catalyst layer 14 for causing an exothermic reaction, a porous body 18 and a cooling medium flow passage 13 capable of exchanging the heat with the catalyst layer 14. The porosity of the flow passage 13 is changed according to the distance from the catalyst layer 14. In the concrete, the porous body 18 is arranged on the side of the catalyst layer 14 and a space having the porosity smaller than that of the porous body 18 is arranged on the side parted from the catalyst layer 14. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、熱交換器、触媒反応装置および燃料改質システムに関する。特に、熱交換器または熱交換型触媒反応装置の熱交換を行う部分の構造と、熱交換器または触媒反応装置の少なくとも一方を備えた燃料改質システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の熱交換器として、互いに並列な複数の内側パイプと、それら内側パイプ全体を外囲する外側パイプ3とを備えたものが知られている。各内側パイプ内に多孔質焼結体をそれぞれ充填し、外側パイプの上端部に冷却水入口パイプを設け、かつ下端部に冷却水出口パイプを設ける。内側パイプの外周面にらせん状に巻回して固着したらせん状フィン、または、円筒状の多孔質体を設ける。各内側パイプにガスを通し、外側パイプ内に冷却水を冷却水入口パイプから冷却水出口パイプに向けて通す。これにより、冷却水に対して大きな接触面を確保でき、熱交換効率を向上することができる。
【0003】
【特許文献1】
特開平7−294163号公報
【0004】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、上記従来の技術においては、外側パイプの流路断面全体に冷却水入口パイプから取り入れた冷却水を供給する構成となっている。そのため、外側パイプの流路断面全体に液体状の冷却水が満たされており、熱交換により冷却水の蒸発が生じた場合に、冷却水流路内で冷却水の体積が増大することは考慮されていない。
【0005】
そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、熱交換による冷媒の蒸発に適した構成の熱交換器、触媒反応装置および燃料改質システムを提供することを目的とする。
【0006】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、触媒反応装置において、発熱を伴う反応を生じる触媒反応層と、多孔質体を有し、前記触媒反応層と熱交換可能に隣接して構成した冷媒流路を備える。前記冷媒流路の空孔率を前記触媒反応層からの距離に応じて変化させる。
【0007】
または、燃料改質システムにおいて、少なくとも水と燃料を用いて改質ガスを生成する改質反応器を備える。また、前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する触媒反応層と、冷媒を用いて前記触媒反応層と熱交換を行う冷媒流路と、を備える一酸化炭素除去装置を備える。さらに、前記触媒反応層で生じた熱を用いて水蒸気または燃料蒸気を生成する蒸気生成手段と、を備える。前記一酸化炭素除去装置として、前記冷媒流路に多孔質体を有し、前記冷媒流路の空孔率が、前記冷媒流路とこれに隣接する前記触媒反応層とを隔てる部分近傍と、前記冷媒流路の中心軸付近で異なるように構成する。
【0008】
または、高温源と液相を含む低温流体との熱交換を行う熱交換器において、低温流体を流通する低温流体流路を多孔質に構成し、前記低温流体流路の空孔率を、前記低温流体流路に隣接する前記高温源からの距離に応じて変化させる。
【0009】
または、触媒反応装置において、発熱を伴う反応を生じる触媒反応層と、多孔質体を有し、冷媒を流通することにより前記触媒反応層と熱交換可能に隣接して構成した冷媒流路を備える。前記多孔質体の鉛直方向下端に常に液体状態の冷媒を接触させる。
【0010】
【作用及び効果】
発熱を伴う反応を生じる触媒反応層と、多孔質体を有し、触媒反応層と熱交換可能に隣接して構成した冷媒流路を備え、冷媒流路の空孔率を触媒反応層からの距離に応じて変化させる。これにより、冷媒が蒸発した際に、空孔率の大きな部分に蒸発した冷媒を優先的に流通することができ、冷媒流路から蒸発した冷媒を速やかに排出することができる。その結果、蒸発することにより冷媒の体積が急激に増大した場合に、冷媒の供給をスムーズに行うとともに、触媒反応装置に生じる応力を抑制することができる。
【0011】
触媒反応層で生じた熱を用いて水蒸気または燃料蒸気を生成する蒸気生成手段を備え、一酸化炭素除去装置として、冷媒流路に多孔質体を有し、冷媒流路の空孔率が、冷媒流路と触媒反応層とを隔てる部分近傍と、冷媒流路の中心軸付近で異なるように構成する。これにより、蒸発することにより冷媒の体積が急激に増大した場合に、一酸化炭素除去装置への冷媒の供給をスムーズに行うことができるとともに、一酸化炭素除去装置で生じる熱を効率的に用いることができる。
【0012】
低温流体を流通する低温流体流路を多孔質に構成し、低温流体流路の空孔率を、前記低温流体流路に隣接する高温源からの距離に応じて変化させる。これにより、低温流体が蒸発した際に、空孔率の大きな部分に蒸発した低温流体を優先的に流通することができ、低温流体流路から蒸発した低温流体を速やかに排出することができる。その結果、蒸発することにより低温流体の体積が急激に増大した場合に、低温流体の供給をスムーズに行うとともに、熱交換器に生じる応力を抑制することができる。
【0013】
多孔質体の鉛直方向下端に液体状態の冷媒を接触させる。これにより、毛細管現象により、冷媒を供給するための駆動力が不要となる、または、低減することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
第1の実施形態について説明する。ここでは、駆動源として自動車等に搭載される燃料電池システムについて説明する。燃料電池システムの概略構成を図1に示す。
【0015】
燃料電池システムに、発電に用いる水素を生成するために、ガソリン等の炭化水素系燃料から改質ガスを生成する燃料改質システムを備える。燃料改質システムには、燃料蒸気と、水蒸気と、酸化剤ガス(空気)とを用いて改質反応を生じる改質触媒を有する改質器3を備える。なお、ここでは改質器3をATR(Auto Thermal Reforming)を行う触媒反応器とする。
【0016】
改質器3で生成した改質ガス中には、後述するスタック8における発電を妨げる原因となる一酸化炭素(以下、CO)が含まれる。そこで、スタック8の上流側に、改質ガス中のCO濃度を低減する触媒反応器を備える。ここでは触媒反応器として、シフト反応器4とCO除去器5を備える。
【0017】
シフト反応器4では、シフト反応器4の上流側で改質ガスに混入させた水とCOが反応して水素と二酸化炭素(以下、CO)を生成する。また、CO除去器5では、CO除去器5の上流側で混入した酸化剤、ここでは空気とCOとが反応することにより、COを生成する。これにより、CO濃度が例えば10ppm以下まで低減された改質ガスを生成する。
【0018】
このように生成した改質ガスと酸化剤ガス(空気)を用いて発電を行うスタック8を備える。ここでは、例えば固体高分子電解質型燃料電池を用いる。スタック8では、図示しない電解質膜をプロトンが移動することにより起電力を生じる。このとき、移動したプロトンと空気中の酸素が結びついて水が生成される。
【0019】
このような燃料電池システムにおいて、各触媒反応器における反応を維持するためには、触媒反応器の触媒を活性温度に維持する必要がある。例えば、CO除去器5においては、COの酸化反応に伴って熱を生じるため、CO除去器5を触媒活性温度に維持するための温度調整システムを備える。ここでは、温度調整システムとして、純水を流通する純水系15を備える。CO除去器5を熱交換可能な触媒装置として構成し、純水系15を流れる純水をCO除去器5の熱交換部に流通させることにより、CO除去器5を適切な温度に維持する。なお、図1において、純水系15を流れる流体が液体の純水の場合には点線、気相の純水の場合には一点破線で示している。
【0020】
純水系15には、純水を収容する水タンク7を備える。水タンク7には、上述したように発電に伴ってスタック8で生成された水が回収される。水タンク7から取り出された液体状態の純水はCO除去器5内に供給される。純水がCO除去器5内を通流する際に、純水の少なくとも一部が蒸発して水蒸気が生成される。CO除去器5から排出された気液二相状態の純水を、図示しない蒸発器や気液分離装置等に供給して、気相一相からなる水蒸気を生成し、改質器3やシフト反応器4に供給する。なお、CO除去器5から排出される純水が気相一相状態であれば、必ずしも蒸発器や気液分離装置等を設ける必要はない。
【0021】
しかしながら、このような燃料改質システムにおいては、CO除去器5内で純水が蒸発することにより、急激に純水の体積が増大する可能性がある。その結果、CO除去器5内の圧力が増大して、CO除去器5自体に余分な応力が生じる。また、運転停止直後などに空気、水、燃料の供給が停止した場合、改質反応及びシフト反応に用いる水の供給が停止されるので、CO除去器5の温度調整を行うための水の供給も停止される。これにより、CO除去器5に蓄積された熱量が除去されず、図2に示すようにCO除去器5自体の温度が上昇してしまう。その結果、CO除去器5に担持された触媒が許容範囲を上回り、触媒が溶解して触媒粒径増大による劣化を引き起こし、死活する可能性があった。
【0022】
そこで本実施形態では、CO除去器5を以下のように構成する。
【0023】
CO除去器5全体の概略構成を図3に示す。また、冷媒流路13の詳細を図4に示す。図4には、CO除去器5の冷媒入口12、冷媒出口11を含む方向の断面図を示す。なお、図4に示す断面図上では、改質ガスは触媒層14を、紙面垂直方向に手前から奥に向かって流れる。
【0024】
水タンク7から取り出した純水の入口部分となる冷媒入口12をCO除去器5の下方部分に備える。また、冷媒入口12から供給された純水を後述する冷媒流路13に分配する供給マニホールド25aをCO除去器5の下方部分に備える。また、熱交換部となり、複数の平行に配置された純水の流路である冷媒流路13を備える。ここでは、冷媒流路13内を純水が鉛直下方から上方に向かって流れる。冷媒流路13の下端部と供給マニホールド25aとを連通し、さらに供給マニホールド25aと水タンク7とを連通する。つまり、冷媒流路13の下端、言い換えれば後述するように冷媒流路13に備えた多孔質体18の下端は、常に水タンク7からの冷媒に接触するように構成する。
【0025】
また、各冷媒流路13から気液二相状態の冷媒を回収する排出マニホールド25b、回収した冷媒を排出する冷媒出口11をCO除去器5の上方部分に備える。さらに、冷媒流路13と直交する方向に改質ガスを流通する、複数の平行に並んだ触媒層14を備える。冷媒流路13と触媒層14とを交互に構成する。冷媒流路13と触媒層14とは仕切り板21により分離する。ここで、仕切り板21は良熱伝導性の材質を用いて構成する。
【0026】
純水は、冷媒流路13を流通する際に、改質ガス自体の熱、および、触媒層14で生じる改質ガスの酸化反応に伴って生じる熱を吸収する。この熱交換により触媒層14を活性温度に維持する。このとき、純水に潜熱分の熱が得られると、冷媒は液体から気体へ相変化して気液二相状態となる。
【0027】
次に、冷媒流路13及び熱交換の詳細を図5を用いて説明する。
【0028】
触媒層14には、改質ガスの流通方向に伸びるハニカム構造の伝熱拡大板22を備える。伝熱拡大板22を、金属平板を用いて構成する。また、伝熱拡大板22には酸化触媒を担持する。伝熱拡大板22を備えることにより改質ガスの接触面積を増大して、酸化反応を促進するとともに、伝熱面を拡大する。なお、触媒層14は、流路にフィンを設けた構造としてもよい。
【0029】
触媒層14の間には冷媒流路13を構成する。冷媒流路13には、多孔質体18を備える。ここでは、多孔質体18を触媒層14に近接する部分に構成する。つまり、仕切り板21に隣接して多孔質体18を備える。多孔質体18を金属により構成する。また、触媒層14から離れた冷媒流路13の中心軸近傍には、空間により構成した蒸気流路19を備える。または、冷媒流路13の中心軸近傍に空孔率の大きい多孔質体を備えて蒸気流路19とし、触媒層14側には空孔率の比較的小さい多孔質体18を備えてもよい。言い換えれば、冷媒流路13を、触媒層14側に比べて中心軸近傍の空孔率が大きくなるように構成する。なお、「空孔率が大きい」場合には、「多孔質体が存在しない」場合も含める。
【0030】
このように構成した冷媒流路13には、下方部分から飽和温度より低い温度の純水が供給される。液体状態の純水は毛細管現象により、多孔質体18内を上方に向かって流れる。この際、多孔質体18を流れる純水と、触媒層14との間で熱交換が行われ、純水が加熱される。この熱交換により潜熱を得て気相となった純水、すなわち水蒸気は、冷媒流路13の空孔率の大きい部分を通って上昇する。つまり、水蒸気は多孔質体18から蒸気流路19に移動し、蒸気流路19内を上昇する。このとき、蒸気流路19内は蒸気状態の純水が流れるので、水蒸気は速やかに冷媒流路13から排出される。
【0031】
ここで、水蒸気の発生を向上させるために、冷媒流路13に供給される純水を、飽和液、もしくは飽和に近い状態にしておくため、純水の温度を、飽和温度か、飽和温度よりも低く、かつ、飽和温度に近い温度に調整しておくのが好ましい。そのため、CO除去器5の冷媒入口12の上流側に、純水の温度を調整する手段を備えることが好ましい。
【0032】
また、毛細管現象により多孔質体18に純水が流通することにより触媒層14の温度調整を行うが、毛細管現象の駆動力だけでは水の供給が不足する場合には、外部からの駆動力を補助的に使用してもよい。また、触媒層14の温度が異常に上昇した場合など、さらに多くの純水を流通させて温度調整を行う必要がある場合には、外部からの駆動力により蒸気流路19に純水を流通させることもできる。これにより、触媒の劣化を確実に防ぐことができる。
【0033】
また、多孔質体18を空孔率の異なる複数の層から構成してもよい。この場合には、触媒層14に最も近い部分の多孔質体の空孔率が最も小さく、触媒層14から離れるに従って空孔率が大きくなるように構成する。これにより、水蒸気の移動がスムーズになり、熱交換が最も盛んに行われる触媒層14付近に水蒸気が留まることにより熱交換効率が低下するのを防ぐことができる。
【0034】
次に、本実施形態の効果を説明する。
【0035】
発熱を伴う反応を生じる触媒層14と、多孔質体18を有し、触媒層14と熱交換可能に隣接して構成した冷媒流路13を備え、冷媒流路13の空孔率を触媒層14からの距離に応じて変化させる。ここでは、触媒層14側に多孔質体18を配置し、触媒層14から離れた側に多孔質体18より空効率の小さい空間を設ける。これにより、冷媒、ここでは純水が蒸発した際に、空孔率の大きな部分に水蒸気を優先的に流通することができ、冷媒流路13から水蒸気を速やかに排出することができる。その結果、蒸発することにより純水の体積が急激に増大した場合に、冷媒の供給をスムーズに行うとともに、CO除去器5に生じる応力を抑制することができる。また、触媒層14との位置関係において空孔率を異ならせているので、冷媒の受ける熱に応じた冷媒量を通流させて適切な熱交換を行うことができる。さらに、多孔質体18を備えることで、毛細管現象が生じるので、水を供給するための駆動力が不要もしくは軽減できる。また、多孔質体18を用いることで、フィンタイプのものより伝熱面積が3倍程度増加し、熱交換効率が増加するので、全体の体積を小さくできる。
【0036】
冷媒流路13内で、冷媒流路13と触媒層14とを隔てる部分近傍より、冷媒流路13の中心軸側の空孔率が大きくなるように構成する。ここでは、冷媒流路13と触媒層14とを隔てる部分近傍に多孔質体18を、冷媒流路13の中心軸側に空間からなる蒸気流路19を構成する。これにより、純水が気化して体積が急激に増大しても水蒸気を逃すことができ、冷媒の供給をスムーズに行うことができる。
【0037】
冷媒流路13に供給される冷媒が、液相または液相と気相の二相状態である。供給される冷媒が液相または二相状態の場合には、冷媒流路13内で冷媒の気化が生じる可能性がある。つまり、冷媒流路13内で冷媒が二相状態となる可能性がある。このような場合には、均一の空孔率をもった多孔質体18のみで冷媒流路13を構成すると、熱伝達の最も盛んに行われる触媒層14に気相が形成されて、熱伝達効率の低下を生じる恐れがある。そこで、本実施形態のように、触媒層14からの距離に応じて空効率を変化させることで、気相は空孔率の大きな部分を流れるので、熱伝達効率の低下を抑制することができる。
【0038】
さらに、多孔質体18の鉛直方向下端が液体状態の純水と常に接触するように構成する。これにより、多孔質体18の下端部分に純水を接触させることで、毛細管現象により純水を供給することができ、純水を供給するための外部から駆動力を抑制または不要とすることができる。また、燃料改質システムの運転・停止にかかわらず、常に冷媒を供給することができ、CO除去器5の異常な昇温を防ぐことができる。
【0039】
また、多孔質体18を金属で構成する。多孔質体18をセラミックのものではなく、金属にすることで、熱伝導性がよくなって熱交換効率が向上する。例えば、セラミックものに比べて、熱伝導率を5倍程度にすることができ、さらに全体の体積を小さくすることができる。
【0040】
また、冷媒流路13の冷媒入口12側を冷媒出口11側に比較して鉛直方向下側に構成する。これにより、熱交換により生成された冷媒蒸気が排出されやすくなるので、冷媒の供給をよりスムーズに行うことができる。
【0041】
ここでは、触媒層14において、水素リッチガス中のCOの選択的酸化反応を生じる。つまり、上述したような構成を、CO除去器5に適用することができる。これにより、CO除去器5において、冷媒の蒸発により冷媒の供給がスムーズに行われなかったり、過剰な昇温により触媒層14が劣化したりするのを防ぐことができる。
【0042】
また、少なくとも水と燃料を用いて改質ガスを生成する改質器3を備える。また、改質ガス中のCOを低減する触媒層14と、冷媒を用いて触媒層14と熱交換を行う冷媒流路13と、を備えるCO除去器5を備える。さらに、触媒層14で生じた熱を用いて水蒸気を生成する蒸気生成手段、ここでは純水系15を備える。生成した水蒸気は、改質気3に供給する。または、生成した水蒸気をシフト反応器4に供給してもよい。または、触媒層14で生じた熱を用いて燃料蒸気を生成し、改質器3に導入してもよい。CO除去器5の冷媒流路13に多孔質体18を有し、冷媒流路13の空孔率が、冷媒流路13とこれに隣接する触媒層14とを隔てる部分近傍と、冷媒流路13の中心軸付近で異なるように構成する。これにより、蒸発により冷媒体積が急激に増大した場合に、CO除去器5への冷媒の供給をスムーズに行うことができるとともに、CO除去器5で生じる熱を効率よく用いることができる。
【0043】
冷媒流路13を流通する冷媒として純水を用い、冷媒流路13と触媒層14との間で熱交換を行うことにより水蒸気を生成する。または、冷媒として燃料を用いて燃料蒸気を生成してもよい。これにより、簡単な構成で、CO除去器5で生じる熱を用いて水蒸気または燃料蒸気を生成することができ、熱効率を向上することができる。
【0044】
発熱を伴う反応を生じる触媒層14と、多孔質体18を有し、冷媒を流通することにより触媒層14と熱交換可能に隣接して構成した冷媒流路13を備える。多孔質体18の鉛直方向下端に常に液体状態の冷媒を接触させる。これにより、毛細管現象により、冷媒を供給するための駆動力が不要となる、または、低減することができる。また、通常運転時には外部の駆動装置を用いて冷媒を循環させる場合においても、外部の駆動装置を停止した場合にも、多孔質体18に水を供給することができるので、触媒層14が過剰に昇温するのを抑制することができる。
【0045】
なお、ここでは、触媒層14に伝熱拡大板22を備えたが、図6に示すように多孔質体20を備えることもできる。触媒を担持させた多孔質体20を充填することにより触媒層14を構成する。このように、触媒層14を、触媒を担持させた多孔質体20により構成することで、触媒の充填を空間的に均一化することができるので、反応熱を均一化することができる。また、伝熱面積をさらに拡大することができるので、触媒層14から冷媒流路13への伝熱がスムーズに行われ、全体の体積を小さくすることができる。
【0046】
または、本実施形態では、純水系15によりCO除去器5の温度調整を行ったが、純水系15と別に冷却系を設けても良い。例えば図7に示すように冷媒系16を備える。冷媒系16内を循環する冷媒とCO除去器5との間で熱交換を行うことにより、CO除去器5を適切な温度に調整する。また、冷媒系16には熱交換器6を備える。この熱交換器6において冷媒と純水系15の純水との間で熱交換を行うことにより、冷媒、ひいてはCO除去器5の温度調整を行う。水タンク7から取り出された純水を熱交換器6に供給し、冷媒との熱交換を行うことにより水蒸気を生成して、改質反応やシフト反応等に用いる。つまり、冷媒系16と純水系15を組み合わせる等をして、蒸気生成手段を構成してもよい。
【0047】
さらに、ここでは、触媒反応装置としてCO除去器5を用いたがこの限りではない。例えば、シフト反応器4を用いることもできる。または、改質器3に冷却システムが必要な場合には、改質器3に適用してもよい。つまり、温度調整を行う際に冷媒の気化が生じる触媒反応装置に対して、適用することができる。
【0048】
次に、第2の実施形態について説明する。以下、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【0049】
燃料電池システムの構成を、第1の実施形態と同様とする。CO除去器5の概略構成を図8に示す。
【0050】
ここでは、CO除去器5にリザーバタンク17を備える。ここで、リザーバタンク17は、水タンク7と同一のものとしてもよい。ただし、レイアウト上CO除去器5の近辺に大きな水タンク7を配置できない場合には、水タンク7とは別に、小型のリザーバタンク17を備える。
【0051】
リザーバタンク17を冷媒入口12の上流側に備える。リザーバタンク17内には、冷媒、ここでは純水を貯蔵する。リザーバタンク17内の冷媒の液面が、CO除去器5に備えた多孔質体18の鉛直方向下端よりも上方にあるように構成する。または、リザーバタンク17内の冷媒の液面が、CO除去器5に備えた多孔質体18の鉛直方向下端よりも上方にあるように、リザーバタンク17内の純水流量を調整する。さらに、多孔質体18の鉛直方向下端が、常に液体状の純水に接触するように構成する。ここでは、リザーバタンク17の下方部分と、供給マニホールド25aとを連通させる。
【0052】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第1の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【0053】
冷媒流路13の上流側に、液体状態の冷媒を貯蓄するリザーバタンク17を備える。これにより、改質システムが運転・停止にかかわらず、常に水を供給できCO除去器5の異常な温度上昇を防ぐことができる。
【0054】
ここでは、多孔質体18の鉛直方向下端とリザーバタンク17とを連通させ、多孔質体18の鉛直方向下端よりも、リザーバタンク17に貯蓄した冷媒の液面が鉛直方向上側にあるように構成する。これにより、熱交換を行う冷媒を多孔質体18の鉛直下面に常に接触させることができる。
【0055】
次に、第3の実施形態について説明する。以下、第2の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【0056】
燃料電池システムの構成を第1の実施形態と同様とする。CO除去器5の概略構成を図9に示す。第2の実施形態と同様に、冷媒入口12の上流側にリザーバタンク17を備える。また、冷媒の液面が多孔質体18下端より上方となるように構成する。
【0057】
リザーバタンク17と供給マニホールド25aの間に熱交換器29を備える。また、排出マニホールド25bの下流側には気液分離装置23を備える。ここでは、気液分離装置23を冷媒出口11の下流側に配置する。つまり、熱交換器29を多孔質体18に対して下方に配置する。また、気液分離装置23を、多孔質体18に対して上方に配置する。
【0058】
リザーバタンク17に貯蔵された純水を熱交換器29に供給する。ここでは、純水を飽和温度より低く、かつ、飽和温度に近い温度に調整する。これを直接供給マニホールド25a、冷媒流路13に供給することで、配管等を流れる際の放熱を抑えることができ、正確に温度を調整した純水を冷媒流路13に供給することができる。その結果、効率良く熱交換を行って水蒸気を生成することができる。
【0059】
純水は、冷媒流路13で一部が蒸発することにより気液二相流となる。この気液二相流を気液分離装置23に供給して、気相と液相に分離する。分離した気相は、改質器3やシフト反応器4に供給されて反応に用いられる。一方、分離した液相状態の純水は、ポンプ24によりリザーバタンク17に回収する。
【0060】
次に、本発明の効果を説明する。以下、第1、第2実施形態の効果と異なる効果のみを説明する。
【0061】
冷媒流路13の下流側に、冷媒の気液分離を行う気液分離装置23を備え、気液分離装置23により分離した液体状態の冷媒をリザーバタンク17に回収する。このように、気化しなかった飽和温度である液体の水をリザーバタンク17へ戻すことで、CO除去器5の冷媒流路13へ導入する純水を事前に予熱することができる。これにより、冷媒流路13において純水が蒸発し易くなり、効率よく水蒸気を生成することができる。
【0062】
また、冷媒流路13を通過した冷媒を気液分離する気液分離装置23を備える。気液分離装置23により分離した気体状態の冷媒を改質器3に供給する。または、気液分離層23により分離した気体状態の冷媒をシフト反応器4に供給する。これにより、水蒸気のみを改質器3に供給することができるので、改質器3における反応及び温度管理を容易にすることができる。
【0063】
次に、第4の実施形態について説明する。燃料電池システムの概略構成を図10に示す。以下、第1の実施形態とは異なる部分を中心に説明する。
【0064】
シフト反応器4を複数段により構成する。また、CO除去器5を複数段により構成する。ここでは、シフト反応器4を上流側シフト反応器4aと下流側シフト反応器4bとから構成し、CO除去器5を上流側CO除去器5aと下流側CO除去器5bとから構成する。ここでは、各反応器4、5で用いる反応物は、各反応器4、5のすぐ上流側で混入する。つまり、上流側シフト反応器4a、下流側シフト反応器4bそれぞれの上流側では、改質ガスに水蒸気が混入される。また、上流側CO除去器5a、下流側CO除去器5bそれぞれの上流側では、改質ガスに酸化剤、ここでは空気が混入される。
【0065】
なお、上流側シフト反応器4a、下流側シフト反応器4として、それぞれ第1実施形態に用いたCO除去器5において、触媒層14に充填した触媒をシフト反応を促進させる触媒に置き換えたものを用いる。つまり、シフト反応器4a、4bでは、外部の駆動装置を必要とせずに、毛細管現象により温度調整に用いられる純水が供給される構造とする。
【0066】
また、改質器3の下流側に熱交換器28aを、CO除去器5の下流側に熱交換器28bを備える。さらに、スタック8の下流側に燃焼器27を備える。また、液状の改質燃料を貯蔵する燃料タンク26を備える。
【0067】
燃料タンク26に貯蔵された液状の燃料と、燃焼器27との間で熱交換を行うことにより燃料蒸気を生成する。なお、燃焼器27では後述するようにスタック8の排ガスが燃焼される。燃料蒸気、空気、および、後述するように熱交換器28aで生成した水蒸気を改質器3に供給して改質ガスを生成する。このとき改質ガスの温度は、シフト反応器4に保持される触媒の活性温度よりも高温となる。そこで、改質ガスを熱交換器28aに供給して、水タンク7から導入された純水と熱交換を行うことにより、改質ガス温度を低下させる。
【0068】
さらに改質ガスをシフト反応器4に供給する。上流側シフト反応器4a、下流側シフト反応器4bでは、それぞれの上流側で混入された水蒸気とCOとが反応することによりCO濃度を低減する。シフト反応器4から排出された改質ガスをCO除去器5に供給する。上流側CO除去器5a、下流側CO除去器5bでは、それぞれの上流側で混入された空気中の酸素とCOとが反応することによりCO濃度を低減する。
【0069】
このように低CO濃度とした改質ガスを熱交換器28bに流通させる。ここで、CO除去器5に保持される触媒の活性温度に対して、固体高分子型燃料電池であるスタック8の反応温度は低く設定される。そこで、熱交換器28bにおいて改質ガス温度を低下させてから、スタック8に供給する。スタック8で発電に用いられずに排出された排ガスは、燃焼器27に供給されて、燃焼処理される。このとき生じる熱を用いて、液状の燃料から改質反応に用いる蒸気燃料を生成する。
【0070】
次に、純水系15について説明する。
【0071】
流量調整された純水を水タンク7から熱交換器28aに供給する。熱交換器28aにおいて、前述したように改質器3で生成された高温の改質ガスと、純水との間で熱交換を行うことにより水蒸気を生成し、改質反応に用いる。
【0072】
また、流量調整された純水を水タンク7から熱交換器28bに供給する。熱交換器28bにおいて、前述したようにCO除去器5から排出された改質ガスと純水との間で熱交換を行うことにより、純水の温度を上昇させる。
【0073】
さらに、純水を下流側CO除去器5bに供給する。下流側CO除去器5bにおいて、改質ガス自体の熱およびCO選択酸化反応に伴う熱を吸収することにより純水が加熱される。このとき、水の潜熱に相当する熱を吸収した場合には、純水は気液二相流の状態となる。さらに、純水を上流側CO除去器5aに供給して加熱する。
【0074】
このように温度上昇した純水を、純水をシフト反応器4に供給する。ここでは、CO除去器5において純水の温度を予め上昇させておいてから純水をシフト反応器4に供給する。これにより、シフト反応器4内の冷媒流路13を流れる際に効率よく水蒸気を生成することができる。
【0075】
純水を上流側シフト反応器4a側と下流側シフト反応器4b側に分岐させる。ここで、この分岐割合は、各シフト反応器4a、4bにおけるシフト反応に用いる純水量の比となる。上流側シフト反応器4a側に分岐した純水は、上流側シフト反応器4aの冷媒流路13に供給される。ここで、第1の実施形態と同様に、多孔質体18を流れる純水が、触媒層14に供給される改質ガスの熱と、シフト反応に伴って生じた熱を吸収することにより、水蒸気が生成される。生成された水蒸気は、空孔率の大きな蒸気流路19を流れて排出される。下流側シフト反応器4bにおいても同様とする。
【0076】
このように、上流側シフト反応器4aで生成された水蒸気を、シフト反応器4aの上流側から改質ガスに混入する。また、下流側シフト反応器4bで生成された水蒸気を、下流側シフト反応器4bの上流側から改質ガスに混入する。水蒸気を混入された改質ガスをシフト反応器4aまたは4bに供給してシフト反応を生じる。
【0077】
なお、熱交換器28a内の純水の流路を、第1実施形態に示した冷媒流路13と同様の構成とすることができる。なお、この場合には、改質ガスが流れる改質ガス流路からの距離に応じて多孔質体18の空孔率を変化させる。改質ガス流路から離れるほど空孔率を増大する。例えば純水の流路の中心軸近傍分を空間により構成する。
【0078】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第1〜3の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【0079】
触媒層14として、シフト反応を促進する触媒を充填する。つまり、触媒反応装置としてシフト反応器4を用いることができる。この場合には、冷媒としてCO除去器5内を流通した純水を、冷媒としてシフト反応器4に供給することで、予め純水温度を上昇させておくことができる。その結果、水蒸気の生成効率を向上することができる。また、CO除去器5において純水を予め昇温しておくことで、シフト反応器4を複数段により構成した場合には、複数のシフト反応器4a、4bに並列に純水を供給することができる。これにより、シフト反応器4において純水全体に熱が供給されやすくなり、さらに効率良く水蒸気を生成することができる。
【0080】
また、高温源(改質ガス)と液相を含む低温流体(純水)との熱交換を行う熱交換器28aにおいて、純水を流通する純水流路を多孔質に構成し、純水流路(冷媒流路13)の空孔率を、改質ガスからの距離に応じて変化させる。これにより、純水が蒸発した際に、空孔率の大きな部分に水蒸気を優先的に流通することができ、純水流路から水蒸気を速やかに排出することができる。その結果、蒸発することにより純水の体積が急激に増大した場合に、純水の供給をスムーズに行うとともに、熱交換器28aに生じる応力を抑制することができる。また、熱交換器28aからの水蒸気の取り出しをスムーズに行うことができる。
【0081】
なお、第1〜3実施形態においても、第4の実施形態と同様に、CO除去器5を複数段により構成してもよい。また、各熱交換器28a、28bを備えても良い。さらに、第4実施形態において、シフト反応器4a、4bの構成を、第2、3実施形態に用いたCO除去器5の構成としてもよい。ただし、触媒層3にはシフト反応を促進する触媒を担持させる。また、第4の実施形態において、CO除去器5a、5bとして第1〜3の実施形態のいずれかに用いたものを用い、シフト反応器4の冷媒として水蒸気を用いることもできる。
【0082】
このように、本発明は上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が為し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に用いる燃料電池システムの概略図である。
【図2】第1の実施形態に用いるCO除去器の触媒の温度変化を示す図である。
【図3】第1の実施形態に用いるCO除去器の外観図である。
【図4】第1の実施形態に用いるCO除去器の冷媒流路の概略図である。
【図5】第1の実施形態に用いるCO除去器の冷媒流路の構成および作用を示す図である。
【図6】第1の実施形態に用いるCO除去器の冷媒流路の構成および作用の別の例を示す図である。
【図7】第1の実施形態に用いる燃料電池システムの別の例の概略図である。
【図8】第2の実施形態に用いるCO除去器の概略図である。
【図9】第3の実施形態に用いるCO除去器の概略図である。
【図10】第4の実施形態に用いる燃料電池システムの概略図である。
【符号の説明】
3 改質器(改質反応器)
4 シフト反応器
4a 上流側シフト反応器(触媒反応装置)
4b 下流側シフト反応器(触媒反応装置)
5 CO除去器(触媒反応装置)
11 冷媒出口
12 冷媒入口
15 純水系(蒸気生成手段)
16 冷却系(蒸気生成手段)
17 リザーバタンク
18 多孔質体
19 蒸気流路
20 多孔質体
23 気液分離装置(気液分離手段)
28a 熱交換器
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a heat exchanger, a catalytic reaction apparatus, and a fuel reforming system. In particular, the present invention relates to a fuel reforming system including a structure of a portion for performing heat exchange of a heat exchanger or a heat exchange type catalytic reactor, and at least one of the heat exchanger or the catalytic reactor.
[0002]
[Prior art]
As a conventional heat exchanger, a heat exchanger having a plurality of inner pipes parallel to each other and an outer pipe 3 surrounding the entire inner pipe is known. Each inner pipe is filled with a porous sintered body, a cooling water inlet pipe is provided at the upper end of the outer pipe, and a cooling water outlet pipe is provided at the lower end. A spiral fin or a cylindrical porous body is provided by spirally winding and adhering to the outer peripheral surface of the inner pipe. Gas is passed through each inner pipe, and cooling water is passed through the outer pipe from the cooling water inlet pipe toward the cooling water outlet pipe. Thereby, a large contact surface with respect to the cooling water can be secured, and the heat exchange efficiency can be improved.
[0003]
[Patent Document 1]
JP 7-294163 A
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above conventional technique, the cooling water taken from the cooling water inlet pipe is supplied to the entire flow path cross section of the outer pipe. For this reason, it is considered that the volume of the cooling water increases in the cooling water flow path when the entire cross section of the flow path of the outer pipe is filled with liquid cooling water and the cooling water evaporates due to heat exchange. Not.
[0005]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a heat exchanger, a catalytic reaction device, and a fuel reforming system having a configuration suitable for evaporating a refrigerant by heat exchange.
[0006]
[Means for solving problems]
The present invention includes a catalyst reaction device that includes a catalyst reaction layer that generates a reaction accompanied by heat generation and a porous body, and a refrigerant channel that is adjacent to the catalyst reaction layer so as to be able to exchange heat. The porosity of the refrigerant flow path is changed according to the distance from the catalyst reaction layer.
[0007]
Alternatively, the fuel reforming system includes a reforming reactor that generates reformed gas using at least water and fuel. Moreover, the carbon monoxide removal apparatus provided with the catalyst reaction layer which reduces the carbon monoxide in the said reformed gas, and the refrigerant | coolant flow path which performs heat exchange with the said catalyst reaction layer using a refrigerant | coolant is provided. Furthermore, a steam generation unit that generates steam or fuel vapor using heat generated in the catalytic reaction layer is provided. As the carbon monoxide removing device, the refrigerant flow path has a porous body, and the porosity of the refrigerant flow path is in the vicinity of a portion that separates the refrigerant flow path from the catalyst reaction layer adjacent thereto, The refrigerant flow path is configured to be different in the vicinity of the central axis.
[0008]
Alternatively, in a heat exchanger that performs heat exchange between a high-temperature source and a low-temperature fluid including a liquid phase, the low-temperature fluid channel that circulates the low-temperature fluid is configured to be porous, and the porosity of the low-temperature fluid channel is set to It changes according to the distance from the said high temperature source adjacent to a low temperature fluid flow path.
[0009]
Alternatively, the catalytic reaction apparatus includes a catalytic reaction layer that generates a reaction with heat generation, and a refrigerant flow path that has a porous body and is configured adjacent to the catalytic reaction layer so that heat can be exchanged by circulating the refrigerant. . A liquid refrigerant is always brought into contact with the vertical lower end of the porous body.
[0010]
[Action and effect]
A catalyst reaction layer that generates a reaction accompanied by heat generation, and a refrigerant flow path that has a porous body and is configured adjacent to the catalyst reaction layer so as to be able to exchange heat, and the porosity of the refrigerant flow path from the catalyst reaction layer Change according to the distance. As a result, when the refrigerant evaporates, the evaporated refrigerant can be preferentially circulated in a portion having a large porosity, and the evaporated refrigerant can be quickly discharged from the refrigerant flow path. As a result, when the volume of the refrigerant suddenly increases due to evaporation, the refrigerant can be supplied smoothly and stress generated in the catalytic reaction apparatus can be suppressed.
[0011]
Vapor generation means for generating water vapor or fuel vapor using heat generated in the catalytic reaction layer, and as a carbon monoxide removal device, the refrigerant flow path has a porous body, and the porosity of the refrigerant flow path is It is configured to be different in the vicinity of the portion separating the refrigerant flow path and the catalytic reaction layer and in the vicinity of the central axis of the refrigerant flow path. As a result, when the volume of the refrigerant suddenly increases due to evaporation, the refrigerant can be smoothly supplied to the carbon monoxide removing device, and the heat generated in the carbon monoxide removing device can be used efficiently. be able to.
[0012]
The low-temperature fluid flow path through which the low-temperature fluid flows is configured to be porous, and the porosity of the low-temperature fluid flow path is changed according to the distance from the high-temperature source adjacent to the low-temperature fluid flow path. As a result, when the low-temperature fluid evaporates, the low-temperature fluid that has evaporated to a portion with a large porosity can be preferentially circulated, and the low-temperature fluid that has evaporated from the low-temperature fluid channel can be quickly discharged. As a result, when the volume of the low temperature fluid increases rapidly due to evaporation, the low temperature fluid can be supplied smoothly and the stress generated in the heat exchanger can be suppressed.
[0013]
A liquid refrigerant is brought into contact with the lower end in the vertical direction of the porous body. Thereby, the driving force for supplying a refrigerant | coolant becomes unnecessary or can be reduced by capillary action.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment will be described. Here, a fuel cell system mounted on an automobile or the like as a drive source will be described. A schematic configuration of the fuel cell system is shown in FIG.
[0015]
The fuel cell system includes a fuel reforming system that generates reformed gas from a hydrocarbon-based fuel such as gasoline in order to generate hydrogen used for power generation. The fuel reforming system includes a reformer 3 having a reforming catalyst that causes a reforming reaction using fuel vapor, water vapor, and oxidant gas (air). Here, the reformer 3 is a catalytic reactor that performs ATR (Auto Thermal Reforming).
[0016]
The reformed gas generated by the reformer 3 contains carbon monoxide (hereinafter referred to as CO) that causes power generation in the stack 8 to be described later. Therefore, a catalyst reactor for reducing the CO concentration in the reformed gas is provided on the upstream side of the stack 8. Here, a shift reactor 4 and a CO remover 5 are provided as catalyst reactors.
[0017]
In the shift reactor 4, water and CO mixed in the reformed gas react upstream of the shift reactor 4 to react with hydrogen and carbon dioxide (hereinafter referred to as CO 2). 2 ) Is generated. Further, in the CO remover 5, the oxidant mixed in the upstream side of the CO remover 5, here air and CO react to react with each other. 2 Is generated. Thereby, the reformed gas in which the CO concentration is reduced to, for example, 10 ppm or less is generated.
[0018]
A stack 8 that generates power using the reformed gas and the oxidant gas (air) generated in this way is provided. Here, for example, a solid polymer electrolyte fuel cell is used. In the stack 8, an electromotive force is generated by protons moving through an electrolyte membrane (not shown). At this time, the transferred protons and oxygen in the air are combined to generate water.
[0019]
In such a fuel cell system, in order to maintain the reaction in each catalytic reactor, it is necessary to maintain the catalyst in the catalytic reactor at an active temperature. For example, the CO remover 5 is provided with a temperature adjustment system for maintaining the CO remover 5 at the catalyst activation temperature in order to generate heat with the oxidation reaction of CO. Here, a pure water system 15 for circulating pure water is provided as a temperature adjustment system. The CO remover 5 is configured as a heat exchangeable catalyst device, and pure water flowing through the pure water system 15 is circulated through the heat exchange section of the CO remover 5, thereby maintaining the CO remover 5 at an appropriate temperature. In FIG. 1, when the fluid flowing through the pure water system 15 is liquid pure water, it is indicated by a dotted line, and when the fluid flowing in the pure water system is vapor phase pure water, it is indicated by a dashed line.
[0020]
The pure water system 15 includes a water tank 7 that stores pure water. As described above, the water generated in the stack 8 along with the power generation is collected in the water tank 7. Liquid pure water taken out from the water tank 7 is supplied into the CO remover 5. When pure water flows through the CO remover 5, at least a part of the pure water evaporates to generate water vapor. Gas-liquid two-phase pure water discharged from the CO remover 5 is supplied to an evaporator, a gas-liquid separator, or the like (not shown) to generate water vapor consisting of a gas phase, and the reformer 3 or shifter. Feed to reactor 4. Note that if the pure water discharged from the CO remover 5 is in a gas phase one-phase state, it is not always necessary to provide an evaporator, a gas-liquid separator, or the like.
[0021]
However, in such a fuel reforming system, there is a possibility that the volume of pure water suddenly increases due to evaporation of pure water in the CO remover 5. As a result, the pressure in the CO remover 5 is increased, and extra stress is generated in the CO remover 5 itself. In addition, when the supply of air, water, or fuel is stopped immediately after the operation is stopped, the supply of water used for the reforming reaction and the shift reaction is stopped, so that the water supply for adjusting the temperature of the CO remover 5 is stopped. Is also stopped. As a result, the amount of heat accumulated in the CO remover 5 is not removed, and the temperature of the CO remover 5 itself rises as shown in FIG. As a result, the catalyst carried on the CO remover 5 exceeded the allowable range, and the catalyst was dissolved to cause deterioration due to an increase in the catalyst particle size, possibly resulting in death.
[0022]
Therefore, in the present embodiment, the CO remover 5 is configured as follows.
[0023]
A schematic configuration of the entire CO remover 5 is shown in FIG. Details of the refrigerant flow path 13 are shown in FIG. FIG. 4 shows a cross-sectional view in the direction including the refrigerant inlet 12 and the refrigerant outlet 11 of the CO remover 5. In the cross-sectional view shown in FIG. 4, the reformed gas flows through the catalyst layer 14 from the front to the back in the direction perpendicular to the paper surface.
[0024]
A refrigerant inlet 12 serving as an inlet portion of pure water taken out from the water tank 7 is provided in a lower portion of the CO remover 5. In addition, a supply manifold 25 a that distributes pure water supplied from the refrigerant inlet 12 to a refrigerant flow path 13 to be described later is provided in a lower portion of the CO remover 5. Moreover, it becomes a heat exchange part and is provided with the refrigerant | coolant flow path 13 which is a flow path of the several pure water arrange | positioned in parallel. Here, pure water flows through the refrigerant flow path 13 from vertically downward to upward. The lower end of the refrigerant flow path 13 communicates with the supply manifold 25a, and the supply manifold 25a communicates with the water tank 7. That is, the lower end of the refrigerant flow path 13, in other words, the lower end of the porous body 18 provided in the refrigerant flow path 13, as will be described later, is configured to always contact the refrigerant from the water tank 7.
[0025]
In addition, a discharge manifold 25 b that collects the gas-liquid two-phase refrigerant from each refrigerant flow path 13 and a refrigerant outlet 11 that discharges the collected refrigerant are provided in the upper part of the CO remover 5. Furthermore, a plurality of parallel catalyst layers 14 that circulate the reformed gas in a direction orthogonal to the refrigerant flow path 13 are provided. The refrigerant flow paths 13 and the catalyst layers 14 are alternately configured. The refrigerant flow path 13 and the catalyst layer 14 are separated by a partition plate 21. Here, the partition plate 21 is configured using a material having good heat conductivity.
[0026]
The pure water absorbs the heat of the reformed gas itself and the heat generated by the oxidation reaction of the reformed gas generated in the catalyst layer 14 when flowing through the refrigerant flow path 13. The catalyst layer 14 is maintained at the activation temperature by this heat exchange. At this time, when the heat for the latent heat is obtained in the pure water, the refrigerant changes phase from liquid to gas and becomes a gas-liquid two-phase state.
[0027]
Next, details of the refrigerant flow path 13 and heat exchange will be described with reference to FIG.
[0028]
The catalyst layer 14 includes a heat transfer expansion plate 22 having a honeycomb structure extending in the flow direction of the reformed gas. The heat transfer expansion plate 22 is configured using a metal flat plate. The heat transfer expansion plate 22 carries an oxidation catalyst. By providing the heat transfer expansion plate 22, the contact area of the reformed gas is increased, the oxidation reaction is promoted, and the heat transfer surface is expanded. The catalyst layer 14 may have a structure in which fins are provided in the flow path.
[0029]
A coolant channel 13 is formed between the catalyst layers 14. The refrigerant flow path 13 includes a porous body 18. Here, the porous body 18 is formed in a portion close to the catalyst layer 14. That is, the porous body 18 is provided adjacent to the partition plate 21. The porous body 18 is made of metal. Further, a vapor channel 19 constituted by a space is provided in the vicinity of the central axis of the refrigerant channel 13 away from the catalyst layer 14. Alternatively, a porous body having a high porosity may be provided near the central axis of the refrigerant flow path 13 to form the vapor flow path 19, and a porous body 18 having a relatively low porosity may be provided on the catalyst layer 14 side. . In other words, the refrigerant flow path 13 is configured so that the porosity in the vicinity of the central axis is larger than that on the catalyst layer 14 side. In addition, the case where “the porosity is large” includes the case where “the porous body does not exist”.
[0030]
Pure water having a temperature lower than the saturation temperature is supplied to the refrigerant flow path 13 configured as described above from the lower part. The pure water in the liquid state flows upward in the porous body 18 by capillary action. At this time, heat exchange is performed between the pure water flowing through the porous body 18 and the catalyst layer 14 to heat the pure water. The pure water, that is, the water vapor that has become a gas phase by obtaining latent heat by this heat exchange, rises through the portion of the refrigerant passage 13 where the porosity is large. That is, water vapor moves from the porous body 18 to the vapor channel 19 and rises in the vapor channel 19. At this time, since pure water in a vapor state flows in the steam channel 19, the water vapor is quickly discharged from the refrigerant channel 13.
[0031]
Here, in order to improve the generation of water vapor, the pure water supplied to the refrigerant flow path 13 is set to a saturated liquid or a state close to saturation. Therefore, the temperature of the pure water is set to the saturation temperature or the saturation temperature. It is preferable that the temperature be adjusted to a temperature close to the saturation temperature. Therefore, it is preferable to provide a means for adjusting the temperature of pure water upstream of the refrigerant inlet 12 of the CO remover 5.
[0032]
In addition, the temperature of the catalyst layer 14 is adjusted by flowing pure water through the porous body 18 by capillary action. However, when the supply of water is insufficient only by the driving force of the capillary action, the driving force from the outside is applied. You may use it auxiliary. Further, when it is necessary to adjust the temperature by supplying more pure water, such as when the temperature of the catalyst layer 14 is abnormally increased, the pure water is supplied to the steam channel 19 by an external driving force. It can also be made. Thereby, deterioration of a catalyst can be prevented reliably.
[0033]
Further, the porous body 18 may be composed of a plurality of layers having different porosity. In this case, the porous body in the portion closest to the catalyst layer 14 has the lowest porosity, and the porosity increases as the distance from the catalyst layer 14 increases. Thereby, the movement of the water vapor becomes smooth, and it is possible to prevent the heat exchange efficiency from being lowered due to the water vapor remaining in the vicinity of the catalyst layer 14 where the heat exchange is most actively performed.
[0034]
Next, the effect of this embodiment will be described.
[0035]
A catalyst layer 14 that generates a reaction with heat generation and a porous body 18 are provided, and a refrigerant channel 13 that is configured adjacent to the catalyst layer 14 so as to be capable of heat exchange is provided. It changes according to the distance from 14. Here, the porous body 18 is disposed on the catalyst layer 14 side, and a space having a lower air efficiency than the porous body 18 is provided on the side away from the catalyst layer 14. As a result, when the refrigerant, here pure water, evaporates, the water vapor can be preferentially circulated through the portion having a large porosity, and the water vapor can be quickly discharged from the refrigerant flow path 13. As a result, when the volume of pure water rapidly increases due to evaporation, the refrigerant can be supplied smoothly and stress generated in the CO remover 5 can be suppressed. Moreover, since the porosity is made different in the positional relationship with the catalyst layer 14, an appropriate heat exchange can be performed by passing an amount of the refrigerant according to the heat received by the refrigerant. Furthermore, since the capillary body phenomenon is caused by providing the porous body 18, the driving force for supplying water is unnecessary or can be reduced. Further, by using the porous body 18, the heat transfer area is increased about three times as compared with the fin type and the heat exchange efficiency is increased, so that the entire volume can be reduced.
[0036]
In the refrigerant channel 13, the porosity on the central axis side of the refrigerant channel 13 is configured to be larger than the vicinity of the portion separating the refrigerant channel 13 and the catalyst layer 14. Here, a porous body 18 is configured in the vicinity of a portion separating the refrigerant flow path 13 and the catalyst layer 14, and a vapor flow path 19 including a space is formed on the central axis side of the refrigerant flow path 13. Thereby, even if pure water evaporates and the volume rapidly increases, water vapor can be released, and the refrigerant can be supplied smoothly.
[0037]
The refrigerant supplied to the refrigerant flow path 13 is in a liquid phase or a two-phase state of a liquid phase and a gas phase. When the supplied refrigerant is in a liquid phase or a two-phase state, the refrigerant may be vaporized in the refrigerant flow path 13. That is, the refrigerant may be in a two-phase state in the refrigerant flow path 13. In such a case, if the refrigerant flow path 13 is composed only of the porous body 18 having a uniform porosity, a gas phase is formed in the catalyst layer 14 where heat transfer is most actively performed, and thus heat transfer. There is a risk of reducing efficiency. Therefore, as in the present embodiment, by changing the air efficiency according to the distance from the catalyst layer 14, the gas phase flows through a portion having a large porosity, so that a decrease in heat transfer efficiency can be suppressed. .
[0038]
Further, the lower end of the porous body 18 in the vertical direction is always in contact with liquid pure water. Thereby, by bringing pure water into contact with the lower end portion of the porous body 18, pure water can be supplied by capillary action, and driving force can be suppressed or made unnecessary from the outside for supplying pure water. it can. Moreover, regardless of the operation / stop of the fuel reforming system, the refrigerant can be always supplied and the abnormal temperature rise of the CO remover 5 can be prevented.
[0039]
The porous body 18 is made of metal. By making the porous body 18 a metal instead of a ceramic, the thermal conductivity is improved and the heat exchange efficiency is improved. For example, the thermal conductivity can be increased by a factor of about 5 compared to ceramics, and the overall volume can be further reduced.
[0040]
Further, the refrigerant inlet 12 side of the refrigerant flow path 13 is configured to be vertically lower than the refrigerant outlet 11 side. Thereby, since the refrigerant | coolant vapor | steam produced | generated by heat exchange becomes easy to be discharged | emitted, a refrigerant | coolant can be supplied more smoothly.
[0041]
Here, a selective oxidation reaction of CO in the hydrogen-rich gas occurs in the catalyst layer 14. That is, the configuration as described above can be applied to the CO remover 5. Thereby, in the CO remover 5, it is possible to prevent the supply of the refrigerant from being smoothly performed due to the evaporation of the refrigerant or the catalyst layer 14 from being deteriorated due to excessive temperature rise.
[0042]
Moreover, the reformer 3 which produces | generates reformed gas at least using water and fuel is provided. Moreover, the CO remover 5 provided with the catalyst layer 14 which reduces CO in reformed gas, and the refrigerant | coolant flow path 13 which heat-exchanges with the catalyst layer 14 using a refrigerant | coolant is provided. Furthermore, a steam generating means for generating steam using heat generated in the catalyst layer 14, here, a pure water system 15 is provided. The generated steam is supplied to the reformed gas 3. Alternatively, the generated water vapor may be supplied to the shift reactor 4. Alternatively, fuel vapor may be generated using heat generated in the catalyst layer 14 and introduced into the reformer 3. The refrigerant passage 13 of the CO remover 5 has a porous body 18, and the porosity of the refrigerant passage 13 is in the vicinity of a portion separating the refrigerant passage 13 and the catalyst layer 14 adjacent thereto, and the refrigerant passage The configuration is different in the vicinity of 13 central axes. Thereby, when the volume of the refrigerant suddenly increases due to evaporation, the refrigerant can be smoothly supplied to the CO remover 5 and the heat generated in the CO remover 5 can be used efficiently.
[0043]
Pure water is used as the refrigerant flowing through the refrigerant flow path 13, and water is generated by exchanging heat between the refrigerant flow path 13 and the catalyst layer 14. Alternatively, fuel vapor may be generated using fuel as the refrigerant. Thereby, it is possible to generate water vapor or fuel vapor using the heat generated in the CO remover 5 with a simple configuration, thereby improving the thermal efficiency.
[0044]
A catalyst layer 14 that generates a reaction accompanied by heat generation and a porous body 18 are provided, and a refrigerant flow path 13 that is adjacent to the catalyst layer 14 so as to be able to exchange heat by circulating the refrigerant is provided. A liquid refrigerant is always brought into contact with the vertical lower end of the porous body 18. Thereby, the driving force for supplying a refrigerant | coolant becomes unnecessary or can be reduced by capillary action. In addition, even when the refrigerant is circulated using an external drive device during normal operation and when the external drive device is stopped, water can be supplied to the porous body 18, so that the catalyst layer 14 is excessive. It is possible to prevent the temperature from rising.
[0045]
Here, although the heat transfer expansion plate 22 is provided in the catalyst layer 14, the porous body 20 can also be provided as shown in FIG. The catalyst layer 14 is formed by filling the porous body 20 supporting the catalyst. In this way, by forming the catalyst layer 14 with the porous body 20 carrying the catalyst, the filling of the catalyst can be made spatially uniform, so that the heat of reaction can be made uniform. Further, since the heat transfer area can be further expanded, heat transfer from the catalyst layer 14 to the refrigerant flow path 13 is smoothly performed, and the entire volume can be reduced.
[0046]
Alternatively, in this embodiment, the temperature of the CO remover 5 is adjusted by the pure water system 15, but a cooling system may be provided separately from the pure water system 15. For example, a refrigerant system 16 is provided as shown in FIG. By performing heat exchange between the refrigerant circulating in the refrigerant system 16 and the CO remover 5, the CO remover 5 is adjusted to an appropriate temperature. The refrigerant system 16 includes a heat exchanger 6. The heat exchanger 6 performs heat exchange between the refrigerant and the pure water of the pure water system 15, thereby adjusting the temperature of the refrigerant and thus the CO remover 5. Pure water taken out from the water tank 7 is supplied to the heat exchanger 6 to generate water vapor by exchanging heat with the refrigerant and used for reforming reaction, shift reaction, and the like. That is, the steam generation means may be configured by combining the refrigerant system 16 and the pure water system 15.
[0047]
Further, here, the CO remover 5 is used as the catalytic reaction apparatus, but this is not restrictive. For example, a shift reactor 4 can be used. Alternatively, when the reformer 3 requires a cooling system, the reformer 3 may be applied. That is, the present invention can be applied to a catalytic reaction apparatus in which vaporization of refrigerant occurs when temperature adjustment is performed.
[0048]
Next, a second embodiment will be described. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment.
[0049]
The configuration of the fuel cell system is the same as that of the first embodiment. A schematic configuration of the CO remover 5 is shown in FIG.
[0050]
Here, the CO remover 5 is provided with a reservoir tank 17. Here, the reservoir tank 17 may be the same as the water tank 7. However, when the large water tank 7 cannot be disposed in the vicinity of the CO remover 5 due to the layout, a small reservoir tank 17 is provided separately from the water tank 7.
[0051]
A reservoir tank 17 is provided upstream of the refrigerant inlet 12. A refrigerant, here pure water, is stored in the reservoir tank 17. The coolant level in the reservoir tank 17 is configured to be above the lower end in the vertical direction of the porous body 18 provided in the CO remover 5. Alternatively, the flow rate of pure water in the reservoir tank 17 is adjusted so that the liquid level of the refrigerant in the reservoir tank 17 is above the lower end in the vertical direction of the porous body 18 provided in the CO remover 5. Further, the lower end of the porous body 18 in the vertical direction is always in contact with liquid pure water. Here, the lower part of the reservoir tank 17 and the supply manifold 25a are connected.
[0052]
Next, the effect of this embodiment will be described. Only the effects different from those of the first embodiment will be described below.
[0053]
A reservoir tank 17 for storing a liquid refrigerant is provided upstream of the refrigerant flow path 13. Thereby, it is possible to always supply water regardless of whether the reforming system is operated or stopped, and an abnormal temperature rise of the CO remover 5 can be prevented.
[0054]
Here, the lower end in the vertical direction of the porous body 18 and the reservoir tank 17 are connected to each other, and the liquid level of the refrigerant stored in the reservoir tank 17 is on the upper side in the vertical direction from the lower end in the vertical direction of the porous body 18. To do. Thereby, the refrigerant which performs heat exchange can always be brought into contact with the vertical lower surface of the porous body 18.
[0055]
Next, a third embodiment will be described. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the second embodiment.
[0056]
The configuration of the fuel cell system is the same as that of the first embodiment. A schematic configuration of the CO remover 5 is shown in FIG. Similar to the second embodiment, a reservoir tank 17 is provided on the upstream side of the refrigerant inlet 12. Further, the liquid level of the refrigerant is configured to be higher than the lower end of the porous body 18.
[0057]
A heat exchanger 29 is provided between the reservoir tank 17 and the supply manifold 25a. A gas-liquid separator 23 is provided downstream of the discharge manifold 25b. Here, the gas-liquid separator 23 is arranged on the downstream side of the refrigerant outlet 11. That is, the heat exchanger 29 is disposed below the porous body 18. Further, the gas-liquid separator 23 is disposed above the porous body 18.
[0058]
Pure water stored in the reservoir tank 17 is supplied to the heat exchanger 29. Here, the pure water is adjusted to a temperature lower than the saturation temperature and close to the saturation temperature. By supplying this directly to the supply manifold 25 a and the refrigerant flow path 13, it is possible to suppress heat radiation when flowing through the piping and the like, and it is possible to supply pure water whose temperature is accurately adjusted to the refrigerant flow path 13. As a result, it is possible to efficiently generate heat and generate water vapor.
[0059]
Pure water becomes a gas-liquid two-phase flow by partially evaporating in the refrigerant flow path 13. This gas-liquid two-phase flow is supplied to the gas-liquid separator 23 and separated into a gas phase and a liquid phase. The separated gas phase is supplied to the reformer 3 and the shift reactor 4 and used for the reaction. On the other hand, the separated pure water in the liquid phase is collected in the reservoir tank 17 by the pump 24.
[0060]
Next, the effect of the present invention will be described. Hereinafter, only effects different from those of the first and second embodiments will be described.
[0061]
A gas-liquid separation device 23 that performs gas-liquid separation of the refrigerant is provided on the downstream side of the refrigerant flow path 13, and the liquid refrigerant separated by the gas-liquid separation device 23 is collected in the reservoir tank 17. In this way, the pure water introduced into the refrigerant flow path 13 of the CO remover 5 can be preheated in advance by returning the liquid water having the saturation temperature that has not been vaporized to the reservoir tank 17. As a result, pure water is easily evaporated in the refrigerant flow path 13, and water vapor can be generated efficiently.
[0062]
In addition, a gas-liquid separation device 23 that gas-liquid separates the refrigerant that has passed through the refrigerant channel 13 is provided. Gaseous refrigerant separated by the gas-liquid separator 23 is supplied to the reformer 3. Alternatively, the gaseous refrigerant separated by the gas-liquid separation layer 23 is supplied to the shift reactor 4. Thereby, since only water vapor | steam can be supplied to the reformer 3, reaction and temperature management in the reformer 3 can be made easy.
[0063]
Next, a fourth embodiment will be described. A schematic configuration of the fuel cell system is shown in FIG. Hereinafter, a description will be given centering on portions different from the first embodiment.
[0064]
The shift reactor 4 is composed of a plurality of stages. Further, the CO remover 5 is constituted by a plurality of stages. Here, the shift reactor 4 is composed of an upstream shift reactor 4a and a downstream shift reactor 4b, and the CO remover 5 is composed of an upstream CO remover 5a and a downstream CO remover 5b. Here, the reactants used in the reactors 4 and 5 are mixed immediately upstream of the reactors 4 and 5. That is, steam is mixed into the reformed gas on the upstream side of each of the upstream shift reactor 4a and the downstream shift reactor 4b. In addition, on the upstream side of each of the upstream side CO remover 5a and the downstream side CO remover 5b, an oxidizing agent, here air, is mixed into the reformed gas.
[0065]
As the upstream shift reactor 4a and the downstream shift reactor 4, in the CO remover 5 used in the first embodiment, the catalyst filled in the catalyst layer 14 is replaced with a catalyst that promotes the shift reaction. Use. That is, the shift reactors 4a and 4b have a structure in which pure water used for temperature adjustment is supplied by capillary action without requiring an external driving device.
[0066]
A heat exchanger 28 a is provided on the downstream side of the reformer 3, and a heat exchanger 28 b is provided on the downstream side of the CO remover 5. Further, a combustor 27 is provided on the downstream side of the stack 8. A fuel tank 26 for storing liquid reformed fuel is also provided.
[0067]
Fuel vapor is generated by exchanging heat between the liquid fuel stored in the fuel tank 26 and the combustor 27. In the combustor 27, the exhaust gas of the stack 8 is burned as will be described later. Fuel vapor, air, and steam generated by the heat exchanger 28a as described later are supplied to the reformer 3 to generate reformed gas. At this time, the temperature of the reformed gas is higher than the activation temperature of the catalyst held in the shift reactor 4. Therefore, the reformed gas temperature is lowered by supplying the reformed gas to the heat exchanger 28a and exchanging heat with the pure water introduced from the water tank 7.
[0068]
Further, the reformed gas is supplied to the shift reactor 4. In the upstream shift reactor 4a and the downstream shift reactor 4b, the CO concentration is reduced by the reaction of water vapor and CO mixed in each upstream side. The reformed gas discharged from the shift reactor 4 is supplied to the CO remover 5. In the upstream CO remover 5a and the downstream CO remover 5b, the oxygen concentration in the air mixed on the upstream side reacts with CO to reduce the CO concentration.
[0069]
The reformed gas having such a low CO concentration is circulated through the heat exchanger 28b. Here, the reaction temperature of the stack 8, which is a solid polymer fuel cell, is set lower than the catalyst activation temperature held in the CO remover 5. Therefore, the reformed gas temperature is lowered in the heat exchanger 28b and then supplied to the stack 8. Exhaust gas discharged from the stack 8 without being used for power generation is supplied to the combustor 27 for combustion treatment. Steam generated for use in the reforming reaction is generated from the liquid fuel using the heat generated at this time.
[0070]
Next, the pure water system 15 will be described.
[0071]
The flow rate-adjusted pure water is supplied from the water tank 7 to the heat exchanger 28a. In the heat exchanger 28a, as described above, steam is generated by performing heat exchange between the high-temperature reformed gas generated in the reformer 3 and pure water, and used for the reforming reaction.
[0072]
The pure water whose flow rate is adjusted is supplied from the water tank 7 to the heat exchanger 28b. In the heat exchanger 28b, as described above, the temperature of pure water is raised by performing heat exchange between the reformed gas discharged from the CO remover 5 and pure water.
[0073]
Further, pure water is supplied to the downstream CO remover 5b. In the downstream CO remover 5b, pure water is heated by absorbing the heat of the reformed gas itself and the heat accompanying the CO selective oxidation reaction. At this time, when heat corresponding to the latent heat of water is absorbed, pure water is in a gas-liquid two-phase flow state. Furthermore, pure water is supplied to the upstream CO remover 5a and heated.
[0074]
The pure water whose temperature has been increased in this way is supplied to the shift reactor 4. Here, after the temperature of pure water is raised in advance in the CO remover 5, pure water is supplied to the shift reactor 4. Thereby, when flowing through the refrigerant flow path 13 in the shift reactor 4, water vapor can be efficiently generated.
[0075]
Pure water is branched into the upstream shift reactor 4a side and the downstream shift reactor 4b side. Here, this branching ratio is the ratio of the amount of pure water used for the shift reaction in each shift reactor 4a, 4b. The pure water branched to the upstream shift reactor 4a side is supplied to the refrigerant flow path 13 of the upstream shift reactor 4a. Here, as in the first embodiment, the pure water flowing through the porous body 18 absorbs the heat of the reformed gas supplied to the catalyst layer 14 and the heat generated by the shift reaction, Water vapor is generated. The generated water vapor is discharged through the vapor channel 19 having a large porosity. The same applies to the downstream shift reactor 4b.
[0076]
In this way, the steam generated in the upstream shift reactor 4a is mixed into the reformed gas from the upstream side of the shift reactor 4a. Further, the steam generated in the downstream shift reactor 4b is mixed into the reformed gas from the upstream side of the downstream shift reactor 4b. The reformed gas mixed with water vapor is supplied to the shift reactor 4a or 4b to cause a shift reaction.
[0077]
The pure water flow path in the heat exchanger 28a can have the same configuration as the refrigerant flow path 13 shown in the first embodiment. In this case, the porosity of the porous body 18 is changed according to the distance from the reformed gas flow path through which the reformed gas flows. The porosity increases with increasing distance from the reformed gas flow path. For example, the portion near the central axis of the pure water flow path is constituted by a space.
[0078]
Next, the effect of this embodiment will be described. Hereinafter, only effects different from those of the first to third embodiments will be described.
[0079]
The catalyst layer 14 is filled with a catalyst that promotes the shift reaction. That is, the shift reactor 4 can be used as a catalytic reactor. In this case, the deionized water temperature can be raised in advance by supplying the deionized water that has circulated in the CO remover 5 as the refrigerant to the shift reactor 4 as the refrigerant. As a result, the generation efficiency of water vapor can be improved. In addition, by heating the pure water in the CO remover 5 in advance, when the shift reactor 4 is composed of a plurality of stages, the pure water is supplied in parallel to the plurality of shift reactors 4a and 4b. Can do. As a result, heat is easily supplied to the entire pure water in the shift reactor 4, and water vapor can be generated more efficiently.
[0080]
Further, in the heat exchanger 28a that performs heat exchange between the high-temperature source (reformed gas) and the low-temperature fluid (pure water) including the liquid phase, the pure water flow path for flowing the pure water is configured to be porous, and the pure water flow path The porosity of (refrigerant flow path 13) is changed according to the distance from the reformed gas. Thereby, when pure water evaporates, water vapor can be preferentially circulated through a portion having a large porosity, and water vapor can be quickly discharged from the pure water flow path. As a result, when the volume of pure water increases rapidly due to evaporation, pure water can be supplied smoothly and stress generated in the heat exchanger 28a can be suppressed. Further, it is possible to smoothly take out the water vapor from the heat exchanger 28a.
[0081]
In the first to third embodiments, the CO remover 5 may be configured by a plurality of stages as in the fourth embodiment. Moreover, you may provide each heat exchanger 28a, 28b. Furthermore, in the fourth embodiment, the configuration of the shift reactors 4a and 4b may be the configuration of the CO remover 5 used in the second and third embodiments. However, the catalyst layer 3 carries a catalyst that promotes the shift reaction. In the fourth embodiment, the CO removers 5 a and 5 b used in any of the first to third embodiments can be used, and water vapor can be used as the refrigerant of the shift reactor 4.
[0082]
Thus, it goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a fuel cell system used in a first embodiment.
FIG. 2 is a view showing a temperature change of a catalyst of the CO remover used in the first embodiment.
FIG. 3 is an external view of a CO remover used in the first embodiment.
FIG. 4 is a schematic view of a refrigerant flow path of a CO remover used in the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing the configuration and operation of the refrigerant flow path of the CO remover used in the first embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing another example of the configuration and operation of the refrigerant flow path of the CO remover used in the first embodiment.
FIG. 7 is a schematic view of another example of the fuel cell system used in the first embodiment.
FIG. 8 is a schematic view of a CO remover used in the second embodiment.
FIG. 9 is a schematic view of a CO remover used in the third embodiment.
FIG. 10 is a schematic view of a fuel cell system used in a fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
3 Reformer (reforming reactor)
4 Shift reactor
4a Upstream shift reactor (catalytic reactor)
4b Downstream shift reactor (catalytic reactor)
5 CO remover (catalytic reactor)
11 Refrigerant outlet
12 Refrigerant inlet
15 Pure water system (steam generation means)
16 Cooling system (steam generation means)
17 Reservoir tank
18 Porous material
19 Steam flow path
20 Porous material
23 Gas-liquid separation device (gas-liquid separation means)
28a heat exchanger

Claims (16)

発熱を伴う反応を生じる触媒反応層と、
多孔質体を有し、前記触媒反応層と熱交換可能に隣接して構成した冷媒流路を備え、
前記冷媒流路の空孔率を前記触媒反応層からの距離に応じて変化させることを特徴とする触媒反応装置。
A catalytic reaction layer that generates an exothermic reaction;
Having a porous body and comprising a refrigerant flow path configured adjacent to the catalytic reaction layer so as to allow heat exchange;
A catalytic reaction apparatus, wherein the porosity of the refrigerant flow path is changed according to a distance from the catalytic reaction layer.
前記冷媒流路内で、前記冷媒流路と前記触媒反応層とを隔てる部分近傍より、前記冷媒流路の中心軸側の空孔率が大きくなるように構成する請求項1に記載の触媒反応装置。2. The catalytic reaction according to claim 1, wherein a porosity on a central axis side of the refrigerant flow path is larger in the refrigerant flow path than in the vicinity of a portion separating the refrigerant flow path and the catalytic reaction layer. apparatus. 前記冷媒流路に供給される冷媒が、液相または液相と気相の二相状態である請求項1または2に記載の触媒反応装置。The catalytic reaction apparatus according to claim 1 or 2, wherein the refrigerant supplied to the refrigerant flow path is in a liquid phase or a two-phase state of a liquid phase and a gas phase. 前記多孔質体の鉛直方向下端が液体状態の冷媒と常に接触するように構成する請求項1から3のいずれか一つに記載の触媒反応装置。The catalytic reaction apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the lower end in the vertical direction of the porous body is always in contact with a liquid refrigerant. 前記多孔質体を金属で構成する請求項1から4のいずれか一つに記載の触媒反応装置。The catalytic reaction apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the porous body is made of metal. 前記冷媒流路の上流側に、液体状態の冷媒を貯蓄するリザーバタンクを備える請求項1から5のいずれか一つに記載の触媒反応装置。The catalytic reaction apparatus according to any one of claims 1 to 5, further comprising a reservoir tank that stores a refrigerant in a liquid state upstream of the refrigerant flow path. 前記冷媒流路の下流側に、冷媒の気液分離を行う気液分離手段を備え、
前記気液分離手段により分離した液体状態の冷媒を前記リザーバタンクに回収する請求項6に記載の触媒反応装置。
Gas-liquid separation means for performing gas-liquid separation of the refrigerant is provided on the downstream side of the refrigerant flow path,
The catalytic reaction apparatus according to claim 6, wherein the refrigerant in a liquid state separated by the gas-liquid separation unit is collected in the reservoir tank.
前記多孔質体の鉛直方向下端と前記リザーバタンクとを連通させ、
前記多孔質体の鉛直方向下端よりも、前記リザーバタンクに貯蓄した冷媒の液面が鉛直方向上側にあるように構成する請求項6または7に記載の触媒反応装置。
Communicating the lower end in the vertical direction of the porous body and the reservoir tank;
The catalytic reaction apparatus according to claim 6 or 7, wherein a liquid level of the refrigerant stored in the reservoir tank is above the vertical direction from the lower end in the vertical direction of the porous body.
前記冷媒流路の冷媒入口側を冷媒出口側に比較して鉛直方向下側に構成する請求項1から8のいずれか一つに記載の触媒反応装置。The catalytic reaction device according to any one of claims 1 to 8, wherein a refrigerant inlet side of the refrigerant flow path is configured to be vertically lower than a refrigerant outlet side. 前記触媒反応層を、触媒を担持させた多孔質体により構成する請求項1から9のいずれか一つに記載の触媒反応装置。The catalytic reaction apparatus according to any one of claims 1 to 9, wherein the catalytic reaction layer is formed of a porous body supporting a catalyst. 前記触媒反応層において、水素リッチガス中の一酸化炭素の選択的酸化反応を生じる請求項1から10のいずれか一つに記載の触媒反応装置。The catalytic reaction apparatus according to any one of claims 1 to 10, wherein a selective oxidation reaction of carbon monoxide in a hydrogen-rich gas is generated in the catalytic reaction layer. 少なくとも水と燃料を用いて改質ガスを生成する改質反応器と、
前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する触媒反応層と、冷媒を用いて前記触媒反応層と熱交換を行う冷媒流路と、を備える一酸化炭素除去装置と、
前記触媒反応層で生じた熱を用いて水蒸気または燃料蒸気を生成する蒸気生成手段と、を備え、
前記一酸化炭素除去装置の前記冷媒流路に多孔質体を有し、
前記冷媒流路の空孔率が、前記冷媒流路とこれに隣接する前記触媒反応層とを隔てる部分近傍と、前記冷媒流路の中心軸付近で異なるように構成したことを特徴とする燃料改質システム。
A reforming reactor that generates reformed gas using at least water and fuel;
A carbon monoxide removal device comprising: a catalytic reaction layer that reduces carbon monoxide in the reformed gas; and a refrigerant flow path that performs heat exchange with the catalytic reaction layer using a refrigerant;
Steam generating means for generating steam or fuel vapor using heat generated in the catalytic reaction layer, and
Having a porous body in the refrigerant flow path of the carbon monoxide removal apparatus,
A fuel characterized in that the porosity of the refrigerant flow path is different in the vicinity of a portion separating the refrigerant flow path from the catalyst reaction layer adjacent thereto and in the vicinity of the central axis of the refrigerant flow path. Reforming system.
前記冷媒流路を流通する冷媒として純水または液体燃料を用い、前記冷媒流路と前記触媒反応層との間で熱交換を行うことにより水蒸気または燃料蒸気を生成する請求項12に記載の燃料改質システム。The fuel according to claim 12, wherein pure water or liquid fuel is used as a refrigerant flowing through the refrigerant flow path, and steam or fuel vapor is generated by performing heat exchange between the refrigerant flow path and the catalytic reaction layer. Reforming system. 前記冷媒流路を通過した冷媒を気液分離する気液分離手段を備える請求項13に記載の燃料改質システム。The fuel reforming system according to claim 13, further comprising gas-liquid separation means for gas-liquid separation of the refrigerant that has passed through the refrigerant flow path. 高温源と液相を含む低温流体との熱交換を行う熱交換器において、
低温流体を流通する低温流体流路を多孔質に構成し、
前記低温流体流路の空孔率を、前記低温流体流路に隣接する前記高温源からの距離に応じて変化させることを特徴とする熱交換器。
In a heat exchanger that performs heat exchange between a high-temperature source and a low-temperature fluid containing a liquid phase,
The cryogenic fluid passage that circulates the cryogenic fluid is made porous,
The heat exchanger characterized by changing the porosity of the low-temperature fluid channel according to the distance from the high-temperature source adjacent to the low-temperature fluid channel.
発熱を伴う反応を生じる触媒反応層と、
多孔質体を有し、冷媒を流通することにより前記触媒反応層と熱交換可能に隣接して構成した冷媒流路を備え、
前記多孔質体の鉛直方向下端に常に液体状態の冷媒を接触させることを特徴とする触媒反応装置。
A catalytic reaction layer that generates an exothermic reaction;
A refrigerant flow path having a porous body and configured adjacent to the catalyst reaction layer so as to allow heat exchange by circulating the refrigerant;
A catalytic reaction apparatus characterized in that a liquid refrigerant is always brought into contact with a lower end in a vertical direction of the porous body.
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