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JPH11228103A - Dimethyl ether fuel reformer and dimethyl ether fuel reforming method - Google Patents

Dimethyl ether fuel reformer and dimethyl ether fuel reforming method

Info

Publication number
JPH11228103A
JPH11228103A JP10031524A JP3152498A JPH11228103A JP H11228103 A JPH11228103 A JP H11228103A JP 10031524 A JP10031524 A JP 10031524A JP 3152498 A JP3152498 A JP 3152498A JP H11228103 A JPH11228103 A JP H11228103A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
section
dimethyl ether
reforming
catalyst
water
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP10031524A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshihide Kotogami
佳秀 言上
Kenro Mitsuta
憲朗 光田
Seiji Yoshida
整司 吉田
Takeshi Doi
全 土井
Yoshitaka Yajima
義孝 矢島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP10031524A priority Critical patent/JPH11228103A/en
Publication of JPH11228103A publication Critical patent/JPH11228103A/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/323Catalytic reaction of gaseous or liquid organic compounds other than hydrocarbons with gasifying agents
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 未反応の原料を有効に回収し、燃料損失の低
減を図り、ジメチルエーテルの高い改質率を得る。 【解決手段】 ジメチルエーテル蒸発部8;水−加熱部
7;水−蒸発部5;原料ガスを改質温度まで過熱する蒸
気過熱部3;過熱された原料ガスを水素リッチの改質ガ
スに変換するジメチルエーテル改質部1;改質反応熱を
改質部1に供給する触媒燃焼部2a、2b;改質ガス中
のCOを触媒の酸化により低減するCO酸化部6a、6
b;蒸気過熱部3および水−蒸発部5の熱源になる熱回
収部4;未反応の原料を回収する原料回収部9;を設
け、かつ原料回収部9をジメチルエーテル蒸発部8に近
接して設けたジメチルエーテル燃料改質器。
(57) [Summary] [PROBLEMS] To effectively recover unreacted raw materials, reduce fuel loss, and obtain a high conversion rate of dimethyl ether. SOLUTION: A dimethyl ether evaporating section 8; a water-heating section 7; a water-evaporating section 5; a steam superheating section 3 for superheating a raw material gas to a reforming temperature; and converting the superheated raw material gas into a hydrogen-rich reformed gas. Dimethyl ether reforming section 1; catalytic combustion sections 2a, 2b for supplying reforming reaction heat to reforming section 1; CO oxidizing sections 6a, 6 for reducing CO in the reformed gas by oxidizing the catalyst.
b; a heat recovery unit 4 serving as a heat source of the steam superheater 3 and the water-evaporation unit 5; a raw material recovery unit 9 for recovering unreacted raw materials; Dimethyl ether fuel reformer installed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば一般電源用
の可搬型燃料電池、あるいは電気自動車に搭載する燃料
電池等に必要な水素を生成するために用いられ、ジメチ
ルエーテル(以下DMEと略す)を水素リッチの改質ガス
に変換する燃料改質器に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is used for producing hydrogen necessary for a portable fuel cell for a general power supply or a fuel cell mounted on an electric vehicle, for example, and uses dimethyl ether (hereinafter abbreviated as DME). The present invention relates to a fuel reformer that converts a gas into a hydrogen-rich reformed gas.

【0002】[0002]

【従来の技術】DMEは、ディーゼル機関から排出されるN
Oxを削減するのに有効で、将来自動車用燃料として大量
安価に使われる可能性が増してきている。従来、DMEは
毒性が低いのでスプレー用噴射剤(プロペラント)とし
て一般に使用されてきた。また、石炭ガスから比較的容
易に合成されるクリーンな燃料で、2気圧程度の圧力で
容易に液化して運搬できるため利用拡大が期待されてい
る。
2. Description of the Related Art DME is an N
It is effective in reducing Ox, and is likely to be used in large quantities at low cost as fuel for automobiles in the future. Heretofore, DME has been commonly used as a propellant for spraying because of its low toxicity. In addition, the use of clean fuel, which is relatively easily synthesized from coal gas, can be easily liquefied and transported at a pressure of about 2 atm.

【0003】従来の一次燃料としてDMEから水素リッチ
ガスを製造する方法には、例えば特開平9−11931
9号公報にデンマークのハルダートプソ社が提案したガ
スタービン・サイクルで電力を発生する方法の中で開示
されたものがある。図6はこの方法のシステムフロー図
で、ガスタービン膨張工程からの排気ガスに含まれる熱
を回収して、吸熱反応の熱源とし、水素リッチガスを製
造する工程を示す。図において、36はDME・水と排ガ
スとの低温熱交換器、37は高温熱交換器である。42
は固定床反応器、44はエーテル水和触媒およびメタノ
ール分解触媒が充填された触媒反応管である。
[0003] Conventional methods for producing hydrogen-rich gas from DME as a primary fuel include, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-11931.
No. 9 discloses a method for generating electric power in a gas turbine cycle proposed by Haltoposso of Denmark. FIG. 6 is a system flow diagram of this method, showing a process of recovering heat contained in the exhaust gas from the gas turbine expansion process and using it as a heat source of an endothermic reaction to produce a hydrogen-rich gas. In the figure, 36 is a low-temperature heat exchanger between DME / water and exhaust gas, and 37 is a high-temperature heat exchanger. 42
Is a fixed bed reactor, and 44 is a catalytic reaction tube filled with an ether hydration catalyst and a methanol decomposition catalyst.

【0004】この種のDME固定床反応器の動作について
説明する。DMEと水をそれぞれのタンクから低温熱交換
器36に供給し、固定床反応器42から来るタービン排
気ガス45により熱交換して予熱する。予熱したDMEと
水を高温熱交換器に導き、そこでガスタービン膨張工程
から来る高温タービン排気ガス46により加熱し、水を
蒸発させ、DMEの最適な改質温度まで過熱する。つい
で、過熱したDME・水の蒸気を固定床反応器42の改質
反応管44へ供給し、適切なエーテル水和触媒(例えば
ゼオライト材料、アルミナシリケート、シリカアルミ
ナ、アルミナおよびそれらの混合物)および改質触媒
(例えば銅−亜鉛触媒)を使用することにより吸熱のDM
E水蒸気改質反応(CH3OCH3+3H2O→6H2+2CO2)を行わせ
る。改質反応に必要な熱は固定床反応器の胴側に流した
高温の燃焼排ガスにより供給する。その後、改質ガスを
ガスタービンの燃焼器48に送り、空気圧縮機49によ
る圧縮空気50により燃焼させ、ガスタービン51で発
生した機械的動力を回転発電機52により発電を行わせ
る。
The operation of this type of DME fixed bed reactor will be described. DME and water are supplied from the respective tanks to the low-temperature heat exchanger 36, and are pre-heated by exchanging heat with the turbine exhaust gas 45 coming from the fixed-bed reactor 42. The preheated DME and water are led to a high temperature heat exchanger where they are heated by the high temperature turbine exhaust gas 46 coming from the gas turbine expansion process to evaporate the water and superheat to the optimal reforming temperature of the DME. The superheated DME / water vapor is then fed to a reforming reaction tube 44 of a fixed bed reactor 42 to provide a suitable ether hydration catalyst (eg, zeolite material, alumina silicate, silica alumina, alumina and mixtures thereof) and a reformer. Endothermic DM by using a porous catalyst (eg, copper-zinc catalyst)
E Perform a steam reforming reaction (CH 3 OCH 3 + 3H 2 O → 6H 2 + 2CO 2 ). The heat required for the reforming reaction is supplied by high-temperature flue gas flowing to the barrel side of the fixed-bed reactor. Thereafter, the reformed gas is sent to the combustor 48 of the gas turbine, and is burned by the compressed air 50 by the air compressor 49, and the mechanical power generated by the gas turbine 51 is generated by the rotary generator 52.

【0005】また、特開平9−118501号公報に開
示された水素リッチガスの製造方法では、固定床反応器
中に配置した固体酸からなるエーテル水和触媒とメタノ
ール水蒸気改質触媒を物理的に混合し、DMEをスチーム
と反応させ、水素リッチガスを製造する。DMEの水素へ
の変換は、次の2段階の反応で進む。最初の反応では、
下記の反応式によってDMEは水蒸気と水和反応し、メタ
ノールを生成する。
In the method for producing a hydrogen-rich gas disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 9-118501, an ether hydration catalyst consisting of a solid acid and a methanol steam reforming catalyst physically disposed in a fixed bed reactor are physically mixed. Then, the DME is reacted with steam to produce a hydrogen-rich gas. The conversion of DME to hydrogen proceeds in the following two-step reaction. In the first reaction,
According to the following reaction formula, DME reacts with water vapor to produce methanol.

【0006】CH3OCH3 + H2O → 2CH3OH (1)CH 3 OCH 3 + H 2 O → 2CH 3 OH (1)

【0007】第2段階では下記の反応式によって、生成
したメタノールが一酸化炭素、二酸化炭素、および水素
に分解する。
In the second stage, the produced methanol is decomposed into carbon monoxide, carbon dioxide and hydrogen according to the following reaction formula.

【0008】CH3OH + H2O → CO2 + 3H2 (2) CO2 + H2 → CO + H2O (3)CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 3H 2 (2) CO 2 + H 2 → CO + H 2 O (3)

【0009】反応(1)によるDME水和反応は、弱酸の
存在下に非常に遅い反応速度で進むが、メタノールへの
この反応は熱力学的に不利である。一方、反応(2)に
よるメタノール水蒸気改質反応は高い温度、低い圧力お
よび高いスチーム濃度が熱力学的に有利で、銅、亜鉛、
アルミナから成る改質触媒の下で適度な反応速度で進む
ことが知られている。水和触媒として固体酸の触媒を用
い、改質触媒と混合すれば、DMEのメタノールへの水和
の際の反応速度が改善されるとともに、生成したメタノ
ールが速やかに水蒸気改質反応により消失するので、DM
E水和反応の平衡がメタノール生成側に移り、下記の反
応式によるDMEの水素リッチガスへの全体反応を適度な
反応速度で進めることが可能となる。
The DME hydration reaction according to reaction (1) proceeds at a very slow reaction rate in the presence of a weak acid, but this reaction to methanol is thermodynamically disadvantageous. On the other hand, in the methanol steam reforming reaction by the reaction (2), high temperature, low pressure and high steam concentration are thermodynamically advantageous, and copper, zinc,
It is known to proceed at a moderate reaction rate under a reforming catalyst composed of alumina. If a solid acid catalyst is used as the hydration catalyst and mixed with the reforming catalyst, the reaction rate during the hydration of DME to methanol is improved, and the generated methanol is quickly eliminated by the steam reforming reaction So DM
The equilibrium of the E hydration reaction shifts to the methanol generation side, and the entire reaction of DME to hydrogen-rich gas according to the following reaction formula can proceed at an appropriate reaction rate.

【0010】CH3OCH3 + 3H2O → 2CO2 + 6H2 (4)CH 3 OCH 3 + 3H 2 O → 2CO 2 + 6H 2 (4)

【0011】この公開公報によれば、DME水和触媒はゼ
オライト材料、アルミナシリケート、シリカアルミナ、
アルミナおよびそれらの混合物から成り、メタノール改
質触媒は通常銅、亜鉛および酸化アルミナの固体触媒を
用い、DME水和触媒とメタノール改質触媒の重量比は
1:5から5:1の割合で変化させ、150〜450℃
の温度、および圧力1〜100気圧で運転すると請求項に
記載されている。この公開公報の実施例では、水和触媒
としてシリカーアルミナ触媒(Siral-5)を用い、異なる
温度で等温下に実施した反応試験の結果を示している。
この結果によれば、温度350℃以上でDMEおよびメタ
ノールはともに反応し、ほとんどゼロになっている。ま
た、水和触媒としてゼオライト触媒を用いた場合の試験
結果についても示されており、この試験でも温度300
℃以上ではDMEおよびメタノールともに反応し、ほとん
どゼロになった。なお、これらの試験では、メタノール
分解触媒としてCu-Zn-Al触媒(MDK-20)が用いられ、粒度
0.5〜1.0mmの状態で水和触媒と重量比1:1に混合さ
れ、3.00gの触媒混合物を固定床方式で管式反応器中に
配置し、圧力1.2bar、流量1.6gDME/hで反応器中に導入
した試験が行われた。
According to this publication, the DME hydration catalyst comprises a zeolite material, alumina silicate, silica alumina,
Consists of alumina and mixtures thereof. Methanol reforming catalysts usually use solid catalysts of copper, zinc and alumina, and the weight ratio of DME hydration catalyst to methanol reforming catalyst varies from 1: 5 to 5: 1. 150-450 ° C
It is stated in the claims that the system is operated at a temperature of 1 to 100 atm. The examples of this publication show the results of reaction tests performed at different temperatures under isothermal conditions using a silica-alumina catalyst (Siral-5) as a hydration catalyst.
According to this result, at a temperature of 350 ° C. or more, both DME and methanol react and become almost zero. Further, the results of a test using a zeolite catalyst as a hydration catalyst are also shown.
Above ℃, both DME and methanol reacted and almost became zero. In these tests, a Cu-Zn-Al catalyst (MDK-20) was used as a methanol decomposition catalyst,
The mixture was mixed with the hydration catalyst at a weight ratio of 1: 1 in a state of 0.5 to 1.0 mm, and 3.00 g of the catalyst mixture was placed in a fixed bed type tubular reactor, and reacted at a pressure of 1.2 bar and a flow rate of 1.6 g DME / h. The tests introduced into the vessel were performed.

【0012】この他、水素リッチガスを生成する従来の
改質装置として、特願平9−45898号に開示した平
板積層構造のメタノール改質器がある。図7は、平板積
層構造のメタノール改質装置の基本的構成を示す構成図
である。図において、1aは改質部、2a、2bは触媒
燃焼部、3は蒸気過熱部、4は熱回収部、4aはシフト
部、4bは熱回収部、5aは蒸発部、6はCO酸化部、
10は液体原料加熱部である。図中、実線は液体原料、
過熱蒸気の流れを示し、破線は改質ガスの流れ、一点鎖
線は燃焼ガスの流れを示す。
In addition, as a conventional reformer for generating a hydrogen-rich gas, there is a methanol reformer having a flat plate laminated structure disclosed in Japanese Patent Application No. 9-45898. FIG. 7 is a configuration diagram showing the basic configuration of a methanol reformer having a flat plate laminated structure. In the figure, 1a is a reforming section, 2a and 2b are catalytic combustion sections, 3 is a steam superheating section, 4 is a heat recovery section, 4a is a shift section, 4b is a heat recovery section, 5a is an evaporation section, and 6 is a CO oxidation section. ,
Reference numeral 10 denotes a liquid material heating unit. In the figure, the solid line is the liquid raw material,
The flow of the superheated steam is shown, the broken line shows the flow of the reformed gas, and the dashed line shows the flow of the combustion gas.

【0013】次にこの燃料改質装置の動作について説明
する。メタノールと水の液体原料を液体原料加熱部10
に供給する。メタノールと水の割合は所定のスチーム・
カーボン比(例えば1.5)になるように、予めそれぞ
れの流量を調節して設定する。メタノールと水は液体原
料加熱部10で隣接するCO酸化部6を流れる改質ガス
と熱交換することにより予熱される。予熱された液体原
料を蒸発部5で蒸発させ、蒸発に必要な熱を主に熱回収
部4bの燃焼ガス排熱およびCO酸化部6の発熱により
供給する。蒸発に必要な温度は150〜200℃であり、CO
酸化部6の入口温度は240℃、熱回収部の燃焼ガス温度
も250℃以上になるので、蒸発の熱源として十分高い温
度レベルである。また、シフト部4aを流れる改質ガス
の温度も200〜250℃と十分高く、蒸発熱の一部として利
用できる。
Next, the operation of the fuel reformer will be described. Liquid raw material heating unit 10 for liquid raw material of methanol and water
To supply. The ratio of methanol and water is the specified steam
The respective flow rates are adjusted and set in advance so that the carbon ratio (for example, 1.5) is obtained. The methanol and water are preheated by exchanging heat with the reformed gas flowing in the adjacent CO oxidizing unit 6 in the liquid raw material heating unit 10. The preheated liquid raw material is evaporated in the evaporator 5, and the heat required for the evaporation is supplied mainly by the combustion gas exhaust heat of the heat recovery unit 4b and the heat of the CO oxidizer 6. The temperature required for evaporation is 150-200 ° C, CO2
Since the inlet temperature of the oxidizing section 6 is 240 ° C. and the temperature of the combustion gas in the heat recovery section is 250 ° C. or higher, the temperature level is sufficiently high as a heat source for evaporation. Further, the temperature of the reformed gas flowing through the shift section 4a is sufficiently high at 200 to 250 ° C. and can be used as a part of the evaporation heat.

【0014】メタノール・水の蒸気を蒸気過熱部3で改
質温度300℃にまで過熱するため、蒸気過熱部の両側に
は加熱源として熱回収部4bと触媒燃焼部2bを設け
る。触媒燃焼部の燃焼ガス温度は300℃以上の高温であ
り、蒸気を300℃まで過熱するのに十分な熱を保有す
る。過熱蒸気を改質部1aに供給し、メタノールとスチ
ームを改質反応により水素と二酸化炭素に変換する。改
質反応に必要な熱は、改質部の上下に設けた触媒燃焼部
2a,2bより供給する。触媒燃焼部では、燃料電池の燃料
極から排気され、未利用の水素を含んだ電池オフガス
(以下オフガスと称する)を燃焼用空気で燃焼させて、
改質反応の加熱源とする。改質部の温度は、改質ガス中
のCO濃度が後のシフト部、CO酸化部で燃料電池の許
容レベル以下まで低減でき、かつ、生成する改質ガス流
量に対して高い改質率(99%以上)を確保できる温度
(約300℃)とする。改質部温度を適切な温度にするた
め、触媒燃焼部の燃焼空気量(空気比)を調節すること
により触媒燃焼部の温度を設定する。
In order to superheat the methanol / water vapor to a reforming temperature of 300 ° C. in the vapor superheater 3, a heat recovery unit 4b and a catalytic combustion unit 2b are provided as heat sources on both sides of the vapor superheater. The temperature of the combustion gas in the catalytic combustion section is as high as 300 ° C or higher, and has sufficient heat to superheat the steam to 300 ° C. The superheated steam is supplied to the reforming section 1a to convert methanol and steam into hydrogen and carbon dioxide by a reforming reaction. The heat required for the reforming reaction is supplied to the catalytic combustion section located above and below the reforming section.
Supplied from 2a, 2b. In the catalytic combustion section, a cell off-gas (hereinafter, referred to as off-gas) exhausted from the fuel electrode of the fuel cell and containing unused hydrogen is burned with combustion air,
It is used as a heating source for the reforming reaction. The temperature of the reforming section is such that the CO concentration in the reformed gas can be reduced below the allowable level of the fuel cell in the subsequent shift section and CO oxidizing section, and the reforming rate is high with respect to the generated reformed gas flow rate ( (Above 99%). In order to set the reforming section temperature to an appropriate temperature, the temperature of the catalytic combustion section is set by adjusting the amount of combustion air (air ratio) in the catalytic combustion section.

【0015】改質部1aを出た改質ガスはシフト部4a
に導入され、改質ガス中のCOとスチームはシフト反応
により二酸化炭素と水素に変換される。シフト反応は化
学平衡上温度が低いほど二酸化炭素側に進む。銅−亜鉛
系のシフト触媒を用いた場合、十分な反応速度を確保す
るため200〜250℃の温度が必要とされるので、シフト部
4aを蒸発部5a(200℃)と熱回収部4b(250℃)の間に
設ける。
The reformed gas exiting the reforming section 1a is supplied to the shift section 4a
And the CO and steam in the reformed gas are converted into carbon dioxide and hydrogen by a shift reaction. The shift reaction proceeds to the carbon dioxide side as the temperature is lower due to chemical equilibrium. When a copper-zinc shift catalyst is used, a temperature of 200 to 250 ° C. is required in order to secure a sufficient reaction rate. Therefore, the shift section 4a is provided with an evaporating section 5a (200 ° C.) and a heat recovery section 4b ( 250 ° C).

【0016】シフト部4aを出た改質ガスにはCO酸化
用空気がCO酸化部6に入る前に導入される。CO酸化
用空気の流量は、改質ガス中のCOを酸化するのに必要
な量以上の量(理論空気量に対して3〜4倍)相当の流
量を供給する。CO酸化部の温度は、CO酸化に適切な
温度範囲110〜240℃になるように、CO酸化部を液体原
料加熱部10と熱回収部4a、蒸発部5aとの間に設け
る。CO酸化部の改質ガスは、入口で150〜200℃の蒸気
や250℃の燃焼ガスと熱交換し、出口で低温の液体原料
と熱交換することにより、CO酸化に適切な温度分布が
維持される。CO酸化部の出口で燃料電池の許容レベル
以下までCO濃度を低減した改質ガスは、燃料改質装置
から燃料電池の燃料極へと供給される。
Air for CO oxidation is introduced into the reformed gas exiting the shift section 4a before entering the CO oxidation section 6. The flow rate of the CO oxidizing air is supplied at a flow rate equal to or more than that required for oxidizing CO in the reformed gas (3 to 4 times the theoretical air amount). The CO oxidizing unit is provided between the liquid raw material heating unit 10, the heat recovery unit 4a, and the evaporating unit 5a such that the temperature of the CO oxidizing unit is in a temperature range of 110 to 240 ° C. suitable for CO oxidation. The reformed gas in the CO oxidation section exchanges heat with 150-200 ° C steam or 250 ° C combustion gas at the inlet, and exchanges heat with the low-temperature liquid raw material at the outlet to maintain a temperature distribution appropriate for CO oxidation. Is done. The reformed gas whose CO concentration has been reduced to a level below the allowable level of the fuel cell at the outlet of the CO oxidizing unit is supplied from the fuel reformer to the fuel electrode of the fuel cell.

【0017】[0017]

【発明が解決しようとする課題】特開平9−11931
9号公報に示したDME固定床反応器を用いて製造した水
素リッチの改質ガスを固体高分子型燃料電池の燃料とし
て発電を行わせる場合、燃料電池で未利用のオフガスを
燃焼する燃焼器やDMEと水を予熱する熱交換器も固定床
反応器とは別個に設置する必要がある。このため、装置
全体が大型化し、個々の反応器からの放熱損失によりシ
ステム全体の熱効率が低下するという問題があった。特
開平9−118501号公報に示したDMEからの水素リ
ッチガス製造法では、その表1および表2に示したよう
にDMEおよびメタノールを完全に反応する温度が30
0、350℃と比較的高く、改質ガス中のCO濃度が
2.4および4.3%と多いので、微量のCOにより被
毒される固体高分子型燃料電池への使用は困難であると
いう問題があった。固定床反応器の一般的な方式として
熱媒体加熱により反応器に熱を供給する方式があるが、
改質反応が吸熱反応であるため、入口が低温で、出口が
高温となる温度分布になりやすく、入口では温度が低い
ためにDMEとメタノールの改質反応が進まず、出口では
CO濃度が一層高くなるという問題点があった。また、
固定床反応器中にDME水和触媒および改質触媒を物理的
な混合物として配置しているので、触媒として有効に作
用する部分は触媒粒子が原料ガスと直接接触する粒子表
面の極近傍に限られ、触媒の有効利用度は低く、多量の
触媒を必要とし、重量の増加やコスト高になるという問
題があった。さらに、特願平9−45898号に開示し
た平板積層構造の従来のメタノール改質器およびこの平
板構成を用いたDME改質器では、改質器で未反応のジメ
チルエーテル、メタノールを回収する要素が含まれてお
らず、それらがそのまま改質ガス中に含まれた形で、固
体高分子型燃料電池に供給されると、燃料の損失となり
全体の効率を低下させるばかりか、メタノールが固体高
分子膜を透過してカソードに達し、直接酸化されてしま
い、著しく電池特性を低下させる原因になるという問題
があった。
Problems to be Solved by the Invention
In the case of using a hydrogen-rich reformed gas produced by using the DME fixed-bed reactor disclosed in Japanese Patent Publication No. 9 as a fuel for a polymer electrolyte fuel cell to generate power, a combustor that burns unused off-gas in the fuel cell A heat exchanger for preheating DME and water also needs to be installed separately from the fixed bed reactor. For this reason, there is a problem that the entire apparatus becomes large, and the heat efficiency of the entire system decreases due to heat radiation loss from the individual reactors. In the method for producing hydrogen-rich gas from DME shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 9-118501, as shown in Tables 1 and 2, the temperature at which DME and methanol are completely reacted is 30 ° C.
Since it is relatively high at 0 and 350 ° C. and the CO concentration in the reformed gas is as high as 2.4 and 4.3%, it is difficult to use it in a polymer electrolyte fuel cell poisoned by a small amount of CO. There was a problem. As a general method of a fixed bed reactor, there is a method of supplying heat to a reactor by heating a heating medium.
Since the reforming reaction is an endothermic reaction, the inlet tends to have a low temperature at the inlet and the outlet tends to have a high temperature, and the reforming reaction between DME and methanol does not proceed due to the low temperature at the inlet. There was a problem that it became expensive. Also,
Since the DME hydration catalyst and the reforming catalyst are arranged as a physical mixture in the fixed-bed reactor, the part that effectively acts as a catalyst is limited to the very close to the particle surface where the catalyst particles are in direct contact with the raw material gas. However, there has been a problem that the effective utilization of the catalyst is low, a large amount of the catalyst is required, the weight increases and the cost increases. Further, in a conventional methanol reformer having a flat plate laminated structure disclosed in Japanese Patent Application No. 9-45898 and a DME reformer using the flat plate structure, an element for recovering unreacted dimethyl ether and methanol in the reformer is provided. If they are not included and they are directly contained in the reformed gas and supplied to the polymer electrolyte fuel cell, not only will the fuel be lost, reducing the overall efficiency, but also the methanol will become solid polymer. There is a problem in that the permeation through the membrane reaches the cathode and is directly oxidized, causing a significant deterioration in battery characteristics.

【0018】本発明はこのような問題点を解消するため
になされたものであり、発明の第1の目的は、従来の平
板積層化した要素である改質部、触媒燃焼部、蒸発部、
CO酸化部に加え、新たに原料回収部を追加することに
より、未反応の原料(DME,メタノール)を有効に回収
し、燃料損失の低減を図ることである。本発明の第2の
目的は、DMEおよびメタノール、水の高い改質率を維持
し、改質反応速度を増加させながら、出口CO濃度が低
減できるような入口が高温で出口が低温となる改質部の
理想的な温度分布をつけることである。本発明の第3の
目的は、改質部で未改質のメタノールおよびDMEを水と
ともに凝縮させメタノールおよびDMEを回収し、液体原
料としてリサイクルすることにより燃料の損失を低減さ
せることである。本発明の第4の目的は、改質ガス中の
CO濃度を固体高分子型燃料電池の許容濃度である数pp
mのレベルまで低減させることである。
The present invention has been made to solve such a problem, and a first object of the present invention is to provide a reforming section, a catalytic combustion section, an evaporating section, and a conventional plate-stacked element.
By adding a new raw material recovery section in addition to the CO oxidation section, unreacted raw materials (DME, methanol) can be effectively recovered, and fuel loss can be reduced. A second object of the present invention is to maintain a high reforming rate of DME, methanol and water and increase the reforming reaction rate, while reducing the CO concentration at the outlet so that the inlet has a high temperature and the outlet has a low temperature. The goal is to provide an ideal temperature distribution for the quality part. A third object of the present invention is to reduce fuel loss by condensing unreformed methanol and DME together with water in a reforming section, collecting methanol and DME, and recycling it as a liquid raw material. A fourth object of the present invention is to reduce the CO concentration in the reformed gas to several pp, which is the allowable concentration of the polymer electrolyte fuel cell.
m.

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、ジメ
チルエーテルを蒸発させるジメチルエーテル蒸発部;ジ
メチルエーテルを水素に変換するのに必要な水を加熱す
る水−加熱部;前記水−加熱部で加熱された水を蒸発さ
せる水−蒸発部;前記水−蒸発部で得られた水蒸気と前
記ジメチルエーテル蒸発部で得られたジメチルエーテル
のガスとからなる原料ガスを改質温度まで過熱する蒸気
過熱部;前記蒸気過熱部で得られた過熱された原料ガス
をエーテル水和触媒およびメタノール改質触媒により水
素リッチの改質ガスに変換するジメチルエーテル改質
部;触媒燃焼により改質反応熱を前記ジメチルエーテル
改質部に供給する触媒燃焼部;前記ジメチルエーテル改
質部で得られた改質ガス中のCOを触媒の酸化により低
減するCO酸化部;前記蒸気過熱部および水−蒸発部の
熱源になるように、前記の触媒燃焼による高温の燃焼ガ
スによる排熱が送り込まれる熱回収部;未反応のジメチ
ルエーテルおよび反応中間生成物のメタノールを回収す
る原料回収部;を設け、かつ前記原料回収部を前記ジメ
チルエーテル蒸発部に近接して設けたことを特徴とする
ジメチルエーテル燃料改質器である。請求項2の発明
は、原料回収部、ジメチルエーテル蒸発部、第1CO酸
化部、水−加熱部、第2CO酸化部、水−蒸発部、熱回
収部、蒸気過熱部、第1触媒燃焼部、ジメチルエーテル
改質部および第2触媒燃焼部をこの順で設け、各部を平
板状の要素として積層したことを特徴とする請求項1に
記載のジメチルエーテル燃料改質器である。請求項3の
発明は、ジメチルエーテル改質部の内部に、所望の位置
に配置したエーテル水和触媒およびメタノール改質触媒
を備えた1回以上の折り返し流路を設け、ジメチルエー
テルおよび水蒸気の原料ガスが前記折り返し流路を積層
構造の上方に向かって流れるようにしたことを特徴とす
る請求項2に記載のジメチルエーテル燃料改質器であ
る。請求項4の発明は、平板状の伝熱フィンを改質触媒
の周囲に設けたことを特徴とする請求項3に記載のジメ
チルエーテル燃料改質器である。請求項5の発明は、ジ
メチルエーテル改質部の内部において、その入口部分で
エーテル水和触媒が多く、かつ出口部分でメタノール改
質触媒が多くなるように配置したことを特徴とする請求
項3または4に記載のジメチルエーテル燃料改質器であ
る。請求項6の発明は、ジメチルエーテル改質部の内部
において、エーテル水和触媒およびメタノール改質触媒
をそれぞれ多孔質薄膜化し、これらエーテル水和触媒お
よびメタノール改質触媒を交互に配置し、ジメチルエー
テルおよび水蒸気の原料ガスが各触媒層内を透過するよ
うにガス流路を構成したことを特徴とする請求項1また
は2に記載のジメチルエーテル燃料改質器である。請求
項7の発明は、原料回収部が、回収水を面内に分散させ
る回収水分岐供給路、前記回収水分岐供給路から前記回
収水を噴射させる回収水噴射小孔、改質ガス中の未反応
のジメチルエーテルおよびメタノールを溶解した水滴を
捕集する伝熱フィン、および凝縮した回収水を排出する
回収水排出路を備えてなることを特徴とする請求項1に
記載のジメチルエーテル燃料改質器である。請求項8の
発明は、ジメチルエーテルを蒸発させる第1ステップ
と;水を蒸発させる第2ステップと;前記第1ステップ
および第2ステップにより得られた水蒸気およびジメチ
ルエーテルのガスからなる原料ガスを改質温度まで過熱
する第3ステップと;前記第3ステップにより得られた
過熱した原料ガスをエーテル水和触媒およびメタノール
改質触媒と接触させ水素リッチの改質ガスを生成する第
4ステップと;前記第4ステップにより得られた改質ガ
ス中のCOを触媒の酸化により低減する第5ステップ
と;前記第5ステップにより得られたCOを低減した後
の改質ガスから未反応のジメチルエーテルおよび反応中
間生成物のメタノールを回収する第6ステップと;第6
ステップにより得られた回収物を第2ステップに導入す
る第7ステップと;を有し、前記第1ステップにおける
ジメチルエーテルの蒸発熱により、前記第6ステップの
回収動作温度を下げることを特徴とするジメチルエーテ
ル燃料改質方法である。請求項9の発明は、第4ステッ
プにおいて、過熱した原料ガスが、1回以上の折り返し
流路を通過しながらエーテル水和触媒およびメタノール
改質触媒と接触し、前記折り返し流路の入口部分が高温
で、かつ出口部分が低温となるような温度分布を連続的
に設けることを特徴とする請求項8に記載のジメチルエ
ーテル燃料改質方法である。
According to the present invention, a dimethyl ether evaporator for evaporating dimethyl ether; a water-heating unit for heating water necessary for converting dimethyl ether to hydrogen; A water-evaporator for evaporating the water thus obtained; a steam-superheater for heating a raw material gas comprising steam obtained in the water-evaporator and dimethyl ether gas obtained in the dimethyl ether evaporator to a reforming temperature; A dimethyl ether reforming section that converts the superheated raw material gas obtained in the steam superheating section into a hydrogen-rich reformed gas with an ether hydration catalyst and a methanol reforming catalyst; A CO2 oxidizing section for reducing CO in the reformed gas obtained in the dimethyl ether reforming section by oxidizing the catalyst; A heat recovery unit into which exhaust heat from the high-temperature combustion gas from the catalytic combustion is sent so as to serve as a heat source for the steam superheating unit and the water-evaporation unit; a raw material for recovering unreacted dimethyl ether and methanol as a reaction intermediate product A dimethyl ether fuel reformer, wherein a recovery section is provided, and the raw material recovery section is provided near the dimethyl ether evaporation section. The invention according to claim 2 includes a raw material recovery section, a dimethyl ether evaporation section, a first CO oxidation section, a water-heating section, a second CO oxidation section, a water-evaporation section, a heat recovery section, a steam superheat section, a first catalytic combustion section, and dimethyl ether. The dimethyl ether fuel reformer according to claim 1, wherein the reforming section and the second catalytic combustion section are provided in this order, and each section is laminated as a plate-like element. According to the invention of claim 3, one or more return channels provided with an ether hydration catalyst and a methanol reforming catalyst arranged at desired positions are provided inside the dimethyl ether reforming unit, and the raw material gas of dimethyl ether and steam is provided. 3. The dimethyl ether fuel reformer according to claim 2, wherein the return flow path is made to flow upward in the stacked structure. 4. The invention according to claim 4 is the dimethyl ether fuel reformer according to claim 3, wherein flat heat transfer fins are provided around the reforming catalyst. The invention according to claim 5 is characterized in that the inside of the dimethyl ether reforming section is arranged so that there are many ether hydration catalysts at the inlet and more methanol reforming catalysts at the outlet. 5. A dimethyl ether fuel reformer according to item 4. The invention according to claim 6 is that the ether hydration catalyst and the methanol reforming catalyst are each formed into a porous thin film inside the dimethyl ether reforming section, and the ether hydration catalyst and the methanol reforming catalyst are alternately arranged. The dimethyl ether fuel reformer according to claim 1 or 2, wherein a gas flow path is formed so that the raw material gas passes through each catalyst layer. The invention according to claim 7 is characterized in that the raw material recovery section includes a recovered water branch supply path for dispersing the recovered water in a plane, a recovered water injection small hole for injecting the recovered water from the recovered water branch supply path, The dimethyl ether fuel reformer according to claim 1, further comprising a heat transfer fin for collecting water droplets in which unreacted dimethyl ether and methanol are dissolved, and a recovered water discharge passage for discharging condensed recovered water. It is. The invention according to claim 8 is the first step of evaporating dimethyl ether; the second step of evaporating water; and the step of converting a raw material gas comprising steam and dimethyl ether gas obtained in the first step and the second step to a reforming temperature. A fourth step of contacting the superheated raw material gas obtained in the third step with an ether hydration catalyst and a methanol reforming catalyst to generate a hydrogen-rich reformed gas; A fifth step of reducing CO in the reformed gas obtained by the step by oxidizing the catalyst; unreacted dimethyl ether and a reaction intermediate from the reformed gas obtained by reducing the CO obtained in the fifth step A sixth step of recovering the methanol of the sixth step;
And a seventh step of introducing the recovered material obtained in the step to a second step, wherein the recovery operation temperature in the sixth step is lowered by heat of evaporation of the dimethyl ether in the first step. This is a fuel reforming method. According to a ninth aspect of the present invention, in the fourth step, the superheated raw material gas comes into contact with the ether hydration catalyst and the methanol reforming catalyst while passing through one or more return passages, and an inlet portion of the return passage is closed. 9. The dimethyl ether fuel reforming method according to claim 8, wherein a temperature distribution at a high temperature and a low temperature at an outlet portion is continuously provided.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】実施の形態1.以下、この発明に
係るDME燃料改質器の実施の形態1.を説明する。図1
中の左側のブロック図は本実施の形態1.に係るDME燃
料改質器の全体を示す構成図であり、構成要素の基本的
な配置を示す。また、図1中の右側のグラフは改質器の
各平板要素の積層方向の温度分布を示す図である。図に
おいて、1はDME改質部、2aは触媒燃焼部(下)、2
bは触媒燃焼部(上)、3は蒸気過熱部、4は熱回収
部、5は水−蒸発部、6a、6bはCO酸化部、7は水
−加熱部、8はDME蒸発部、9は原料回収部である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiment 1 Hereinafter, a first embodiment of a DME fuel reformer according to the present invention will be described. Will be described. FIG.
The block diagram on the left side in the middle shows the first embodiment. 1 is a configuration diagram showing an entire DME fuel reformer according to the first embodiment, and shows a basic arrangement of components. Further, the graph on the right side in FIG. 1 is a diagram showing the temperature distribution in the laminating direction of each plate element of the reformer. In the figure, 1 is a DME reforming section, 2a is a catalytic combustion section (lower), 2
b is a catalytic combustion unit (upper), 3 is a steam superheater, 4 is a heat recovery unit, 5 is a water-evaporator, 6a and 6b are CO oxidizers, 7 is a water-heater, 8 is a DME evaporator, 9 Denotes a raw material recovery unit.

【0021】図1において、DME蒸発部8は供給した液
体および蒸気のDMEを近接する原料回収部9に流した改
質ガスと熱交換することで残りの液体DMEを確実に蒸発
させる。原料回収部9はDME蒸発熱により望ましくは4
0℃程度まで温度を低下させ、改質ガス中の未反応原料
(DMEおよびメタノール)を有効に回収する。DMEの改質
に必要な水は、多層化したCO酸化部6a、6bの中段
に設けた水−加熱部7に供給し、CO酸化部を流れる改
質ガスと熱交換することで予熱する。予熱された水は水
−蒸発部5において熱回収部4の燃焼ガス排熱およびC
O酸化の発熱により蒸発する。さらに、水蒸気とDME蒸
気を混合し、蒸気過熱部3で適切な改質温度まで過熱
し、この過熱蒸気をDME改質部1に供給する。DME改質部
1は触媒燃焼部2a、2bより供給されたオフガス燃焼
熱により、DMEとスチームの蒸気を改質反応により二酸
化炭素および少しの一酸化炭素と水素に変換する。
In FIG. 1, a DME evaporator 8 surely evaporates the remaining liquid DME by exchanging heat between the supplied liquid and vapor DME with the reformed gas flowing into the adjacent raw material recovery unit 9. The raw material recovery section 9 is preferably 4
The temperature is lowered to about 0 ° C. to effectively collect unreacted raw materials (DME and methanol) in the reformed gas. Water required for DME reforming is supplied to the water-heating unit 7 provided in the middle stage of the multilayered CO oxidizing units 6a and 6b, and is preheated by exchanging heat with the reformed gas flowing through the CO oxidizing unit. The preheated water is supplied to the water-evaporation section 5 where the combustion gas exhaust heat of the heat recovery section 4 and C
It evaporates due to the heat generated by O oxidation. Further, the steam and the DME steam are mixed, and the steam is heated to an appropriate reforming temperature in the steam superheater 3, and the superheated steam is supplied to the DME reformer 1. The DME reforming section 1 converts the steam of DME and steam into carbon dioxide and a small amount of carbon monoxide and hydrogen by the reforming reaction using the off-gas combustion heat supplied from the catalytic combustion sections 2a and 2b.

【0022】DME改質部1を出た改質ガスは、触媒燃焼
部(上)2b、蒸気過熱部3、熱回収部4を素通りし、
CO酸化部6a、6bに導かれる。CO酸化部6a入口
で水−蒸発部5と熱交換し、中段部分で水−加熱部7と
熱交換し、最後に出口でDME蒸発部8と熱交換し、CO
酸化に適切な温度分布が維持された後に、燃料電池の許
容レベル以下のCO濃度に低減して燃料電池の燃料極に
供給する。図中、実線はDMEと水、過熱蒸気の流れを示
し、破線は改質ガス流れ、一点鎖線は燃焼ガスの流れを
示す。
The reformed gas leaving the DME reforming section 1 passes through a catalytic combustion section (upper) 2b, a steam superheating section 3, and a heat recovery section 4,
It is led to the CO oxidation parts 6a and 6b. Heat exchange with the water-evaporation unit 5 at the inlet of the CO oxidation unit 6a, heat exchange with the water-heating unit 7 at the middle stage, and finally heat exchange with the DME evaporation unit 8 at the exit.
After the temperature distribution suitable for oxidation is maintained, the CO concentration is reduced to a level below the allowable level of the fuel cell and supplied to the fuel electrode of the fuel cell. In the figure, the solid line indicates the flow of DME, water and superheated steam, the broken line indicates the flow of reformed gas, and the dashed line indicates the flow of combustion gas.

【0023】次に、本実施の形態1.に係る燃料改質器
の動作について説明する。DME原料をDME蒸発部8に供給
し、隣接するCO酸化部6bに流した改質ガスと熱交換
することで残りの液体DMEを蒸発させる。原料回収部9
はDME蒸発熱により望ましくは40℃程度まで温度を低
下させ、改質ガス中の未反応原料(DMEおよびメタノー
ル)を有効に回収する。DMEの改質に必要な水は、DMEと
水の割合が所定のスチーム・カーボン比(例えば4.
5)になるように、それぞれの流量を予め調節して設定
する。多層化したCO酸化部6a、6bの中段に設けた
水−加熱部7に水を供給し、CO酸化部6a、6bを流
れる改質ガスと熱交換することで予熱する。
Next, the first embodiment. The operation of the fuel reformer according to the above will be described. The DME raw material is supplied to the DME evaporator 8, and the remaining liquid DME is evaporated by heat exchange with the reformed gas flowing in the adjacent CO oxidizer 6b. Raw material recovery section 9
Reduces the temperature to about 40 ° C. desirably by the heat of evaporation of DME, and effectively recovers unreacted raw materials (DME and methanol) in the reformed gas. The water required for DME reforming is such that the ratio of DME to water is a predetermined steam-carbon ratio (for example, 4.
The respective flow rates are adjusted and set in advance so as to satisfy 5). Water is supplied to the water-heating unit 7 provided at the middle stage of the multilayered CO oxidizing units 6a and 6b, and is preheated by exchanging heat with the reformed gas flowing through the CO oxidizing units 6a and 6b.

【0024】予熱した水を水−蒸発部で蒸発する。この
蒸発に必要な熱は主に熱回収部4の燃焼ガス排熱および
CO酸化部6aの発熱により供給する。水の速やかな蒸
発に必要な温度は200℃以上であり、CO酸化部6a
の入口温度は250℃、熱回収部4の燃焼ガス温度も2
50℃以上が必要になる。触媒燃焼部2a、2b出口の
燃焼ガス温度は250℃に設定され、CO酸化部の入口
温度も250℃に設定されるので、熱回収部4の燃焼ガ
ス排熱およびCO酸化部6aの発熱は水−蒸発部5の熱
源として十分高い温度レベルである。
The preheated water is evaporated in the water-evaporation section. The heat required for the evaporation is mainly supplied by the exhaust heat of the combustion gas of the heat recovery unit 4 and the heat generation of the CO oxidation unit 6a. The temperature required for rapid evaporation of water is 200 ° C. or higher, and the CO oxidizing section 6a
Is 250 ° C. and the combustion gas temperature of the heat recovery unit 4 is 2
50 ° C. or higher is required. Since the temperature of the combustion gas at the outlets of the catalytic combustion units 2a and 2b is set at 250 ° C., and the temperature of the inlet of the CO oxidizing unit is also set at 250 ° C., the exhaust heat of the combustion gas of the heat recovery unit 4 and the heat generation of the CO oxidizing unit 6a are reduced. The temperature level is sufficiently high as a heat source of the water-evaporation section 5.

【0025】蒸気過熱部3ではDMEおよび水蒸気からな
る原料ガスを250℃程度にまで過熱する。そのため、
蒸気過熱部3の両側には加熱源として熱回収部4と触媒
燃焼部2bを設ける。触媒燃焼部2a、2bの燃焼ガス
温度は250℃の温度であり、蒸気を250℃まで過熱
するのに十分な熱を保有する。過熱蒸気をDME改質部1
に供給し、DMEと水蒸気を改質反応により水素と二酸化
炭素に変換する。改質反応に必要な熱は、DME改質部1
に接して設けられた触媒燃焼部2a、2bより供給され
る。
In the steam superheater 3, the raw material gas composed of DME and water vapor is heated to about 250 ° C. for that reason,
On both sides of the steam superheater 3, a heat recovery unit 4 and a catalytic combustion unit 2b are provided as heating sources. The combustion gas temperature of the catalytic combustion sections 2a and 2b is a temperature of 250 ° C., and has sufficient heat to superheat the steam to 250 ° C. DME reforming unit 1 with superheated steam
To convert DME and steam into hydrogen and carbon dioxide by a reforming reaction. The heat required for the reforming reaction is DME reforming unit 1
Is supplied from the catalytic combustion units 2a and 2b provided in contact with the slag.

【0026】触媒燃焼部2a、2bでは、オフガス燃焼
用空気で燃焼させて、改質反応の熱源とする。DME改質
部1の入口温度は、生成する改質ガス流量に対して高い
改質率を確保できる温度(約350℃)とする。また、
DME改質部1の出口温度は、改質ガス中のCO濃度が後
のCO酸化部6a、6bで燃料電池の許容レベル以下ま
で低減できる温度(約250℃)とする。DME改質部1
の温度を適切な温度にするため、触媒燃焼部2a、2b
に流すオフガス流量の割合を調節する。
In the catalytic combustion sections 2a and 2b, the fuel is burned with air for off-gas combustion and used as a heat source for the reforming reaction. The inlet temperature of the DME reforming section 1 is set to a temperature (about 350 ° C.) at which a high reforming rate can be secured with respect to the generated reformed gas flow rate. Also,
The outlet temperature of the DME reforming section 1 is set to a temperature (about 250 ° C.) at which the CO concentration in the reformed gas can be reduced to a level below the allowable level of the fuel cell in the CO oxidizing sections 6a and 6b. DME reformer 1
In order to bring the temperature of the catalyst to an appropriate temperature, the catalytic combustion units 2a, 2b
The ratio of the flow rate of the off-gas flowing to is adjusted.

【0027】DME改質部1を出た改質ガスにはCO酸化
部6aに入る前に、CO酸化用空気を導入する。CO酸
化用空気の流量は、改質ガス中のCOを酸化するのに必
要な量以上の量(理論空気量に対して3〜4倍)相当の
流量を供給する。CO酸化部6a、6bの温度は、発明
者らが実験により求めたCO酸化に適切な温度範囲70
〜250℃になるように、CO酸化部をDME蒸発部8と
水−加熱部7との間、および水−加熱部7と水−蒸発部
5との間に設ける。
Before the CO gas oxidizing section 6a is introduced into the reformed gas exiting the DME reforming section 1, CO oxidizing air is introduced. The flow rate of the CO oxidizing air is supplied at a flow rate equal to or more than that required for oxidizing CO in the reformed gas (3 to 4 times the theoretical air amount). The temperature of the CO oxidation sections 6a and 6b is set to a temperature range 70 suitable for CO oxidation determined by the inventors through experiments.
The CO oxidizing unit is provided between the DME evaporating unit 8 and the water-heating unit 7 and between the water-heating unit 7 and the water-evaporating unit 5 so that the temperature becomes ~ 250 ° C.

【0028】CO酸化部6a、6bの改質ガスは、入口
で水−蒸発部5と熱交換し、中段部分で水−加熱部7と
熱交換し、出口で低温のDME蒸発部8と熱交換すること
により、CO酸化に適切な温度分布が維持される。CO
酸化部6bの出口で燃料電池の許容レベル以下までCO
濃度を低減した改質ガスは、燃料改質器から燃料電池の
燃料極へと供給される。
The reformed gas of the CO oxidation units 6a and 6b exchanges heat with the water-evaporation unit 5 at the inlet, exchanges heat with the water-heating unit 7 at the middle stage, and exchanges heat with the low-temperature DME evaporation unit 8 at the exit. By the replacement, a temperature distribution suitable for CO oxidation is maintained. CO
At the outlet of the oxidizing section 6b, CO is reduced to a level below the allowable level of the fuel cell.
The reformed gas whose concentration has been reduced is supplied from the fuel reformer to the fuel electrode of the fuel cell.

【0029】実施の形態2.次に、この発明の実施の形
態2.に係る多層のDME改質部1の構成を説明する。本
実施の形態2.におけるDME改質部1は、流体の折り返
し流路を設けた構造である。このDME改質部1の構成を
図2に示す。図2によれば、折り返しは複数回行われ、
流路は積層構造になっている。図2中の左側の構成図は
本実施の形態2.に係るDME改質部1の断面を示す構成
図であり、構成要素の基本的な配置を示す。また、図2
中の右側のグラフはDME改質部1の積層方向温度分布を
示す図である。図2において、27は伝熱フィンの断面
を示し、この平板の伝熱フィン27の表面により改質ガ
ス流路を形成する。伝熱フィン27は、例えばアルミニ
ウム製である。30は上下の改質ガス流路を仕切る仕切
板、28は一方の改質ガス流路を流れて来た燃焼ガスを
上方の改質ガス流路に積層方向に折り返して流す改質ガ
ス流路折返し孔である。図中、DME・水蒸気、改質ガス
の流れを実線で示す。なお、13および14は触媒であ
る。
Embodiment 2 Next, Embodiment 2 of the present invention. The configuration of the multilayer DME reforming unit 1 according to the above. Embodiment 2 The DME reforming section 1 has a structure in which a fluid return channel is provided. FIG. 2 shows the configuration of the DME reforming section 1. According to FIG. 2, the folding is performed a plurality of times,
The channel has a laminated structure. The configuration diagram on the left side in FIG. 1 is a configuration diagram showing a cross section of a DME reforming unit 1 according to the first embodiment, and shows a basic arrangement of components. FIG.
The graph on the right side in the middle shows the temperature distribution in the stacking direction of the DME reforming section 1. In FIG. 2, reference numeral 27 denotes a cross section of the heat transfer fin, and the surface of the heat transfer fin 27 of this flat plate forms a reformed gas flow path. The heat transfer fins 27 are made of, for example, aluminum. Reference numeral 30 denotes a partition plate for partitioning the upper and lower reformed gas flow paths, and reference numeral 28 denotes a reformed gas flow path in which the combustion gas flowing through one of the reformed gas flow paths is turned back to the upper reformed gas flow path in the stacking direction. It is a turning hole. In the figure, the flows of DME / steam and reformed gas are indicated by solid lines. In addition, 13 and 14 are catalysts.

【0030】本実施の形態2.は改質ガス流路を改質ガ
ス流路折返し孔28で積層方向に折返し、折り返した改
質ガス流路内に設けた伝熱フィン27の内側に改質ガス
を流す。改質ガスを各積層順に何回も折り返すことによ
り、改質ガス中のDMEやメタノールを水和触媒および改
質触媒の作用により水素に改質する。
Embodiment 2 Turns the reformed gas flow path in the stacking direction at the reformed gas flow path return hole 28, and allows the reformed gas to flow inside the heat transfer fins 27 provided in the folded reformed gas flow path. By folding the reformed gas many times in the order of each layer, DME and methanol in the reformed gas are reformed into hydrogen by the action of the hydration catalyst and the reforming catalyst.

【0031】DME改質部1は下部の触媒燃焼部2aや上
部の触媒燃焼部2bとで熱交換し、DME改質部1の積層
方向温度分布を、下端の温度がDME水和反応に適切な温
度になるように、かつ、上端の温度がシフト反応に適切
な温度になるように積層数、伝熱フィンの形状を調整す
る。
The DME reforming section 1 exchanges heat with the lower catalytic combustion section 2a and the upper catalytic combustion section 2b, and changes the temperature distribution in the stacking direction of the DME reforming section 1 so that the lower end temperature is suitable for the DME hydration reaction. The number of layers and the shape of the heat transfer fins are adjusted so that the temperature becomes appropriate and the temperature at the upper end becomes an appropriate temperature for the shift reaction.

【0032】DME改質部1は折り返し流路が積層し、入
口が高温で出口が低温になるように上下に配置した触媒
燃焼部2a、2bの燃焼割合を変えて調節する。適切な
DME改質部1の入口温度としては、DMEがほぼ100%近
く改質し、かつ、触媒活性金属のシンタリングにより触
媒劣化が進行しない温度、例えば、アルミナ触媒であれ
ば350℃程度の温度に設定する。一方、適切なDME改
質部1の出口温度としては、シフト反応により高温入口
部で生成したCOがスチームと反応し、水素と二酸化炭
素に変換される温度、例えば銅−亜鉛触媒であれば25
0℃程度の温度に設定すればよい。さらに、DME改質部
1に使用する触媒についても入口部分にはDMEの分解、
水和に適した触媒、例えば、ゼオライト、アルミナシリ
ケート、シリカアルミナ、アルミナおよびそれらの混合
物からなる触媒を用い、出口部分ではシフト反応を促進
するような触媒、例えば、銅−亜鉛触媒を使用するのが
よい。
The DME reforming section 1 is controlled by changing the combustion ratio of the catalytic combustion sections 2a and 2b arranged vertically so that the folded flow paths are stacked and the inlet is high temperature and the outlet is low temperature. Appropriate
The inlet temperature of the DME reforming section 1 is set to a temperature at which DME is reformed almost 100% and catalyst deterioration does not proceed due to sintering of the catalytically active metal, for example, a temperature of about 350 ° C. for an alumina catalyst. Set. On the other hand, an appropriate outlet temperature of the DME reforming section 1 is a temperature at which CO generated at the high-temperature inlet section by the shift reaction reacts with steam and is converted into hydrogen and carbon dioxide.
The temperature may be set to about 0 ° C. Furthermore, regarding the catalyst used in the DME reforming section 1, DME decomposition and
A catalyst suitable for hydration, for example, a catalyst composed of zeolite, alumina silicate, silica alumina, alumina and a mixture thereof, and a catalyst which promotes a shift reaction at an outlet portion, for example, a copper-zinc catalyst is used. Is good.

【0033】実施の形態3.次に、この発明の実施の形
態3.に係る別の多層のDME改質部1の構成を説明す
る。その構造を図3に示す。図3は多層のDME改質部1
におけるDME・水蒸気、改質ガスの流れを表す。本実施
の形態3.におけるDME改質部1は、流体の折り返し流
路を設け、平板要素を複数積層した構造である。図3中
の左側の構成図は本実施の形態3.に係るDME改質部1
の断面を示す構成図であり、構成要素の基本的な配置を
示す。また、図3中の右側のグラフはDME改質部1に用
いる改質触媒成分と水和触媒成分の混在割合およびシフ
ト触媒と改質触媒の混在割合を示すグラフである。図3
において、27は伝熱フィンの断面を示し、この平板の
伝熱フィン27の表面により改質ガス流路を形成する。
13は流路に充填する水和触媒、14は改質触媒、15
はシフト触媒である。
Embodiment 3 Next, Embodiment 3 of the present invention. The configuration of another multi-layer DME reforming unit 1 according to the first embodiment will be described. The structure is shown in FIG. Fig. 3 shows a multi-layer DME reformer 1
Represents the flow of DME / steam and reformed gas at Third Embodiment The DME reforming section 1 has a structure in which a fluid return flow path is provided and a plurality of flat plate elements are stacked. The configuration diagram on the left side in FIG. DME reforming unit 1 according to
1 is a configuration diagram showing a cross section of FIG. 1, showing a basic arrangement of components. The right graph in FIG. 3 is a graph showing the mixture ratio of the reforming catalyst component and the hydration catalyst component and the mixture ratio of the shift catalyst and the reforming catalyst used in the DME reforming section 1. FIG.
In the figure, reference numeral 27 denotes a cross section of the heat transfer fin, and the surface of the heat transfer fin 27 of this flat plate forms a reformed gas flow path.
13 is a hydration catalyst to be filled in the flow path, 14 is a reforming catalyst, 15
Is a shift catalyst.

【0034】改質ガス流路の入口部分は水和触媒13の
割合を多くし、中央部分では改質触媒14の割合を多く
し、出口部分ではシフト触媒15の割合を多くする。図
3に示すように、例えば、入口では水和触媒13の割合
を100%とし、流れに沿って中央に至るまで水和触媒
13の割合を減らし、代わりに改質触媒14の割合を増
やす。中央部分では水和触媒13の割合をゼロにし、改
質触媒14の割合を100%とする。中央部分から出口
に至っては、流れ方向に改質触媒14の割合を減らし、
シフト触媒15の割合を増やしていく。出口では改質触
媒14の割合をゼロにし、シフト触媒15の割合を10
0%とする。このように、触媒の混在割合を流れに沿っ
て変化させることにより、DME改質部1の入口では水和
触媒13によるDMEからメタノールの生成を促進し、中
央部では生成したメタノールを水蒸気改質反応により水
素リッチの改質ガスに変換し、出口ではシフト反応によ
り改質ガス中のCO濃度の低減を図る。また、実施の形
態2.で示した、積層方向の温度調整によりDME改質部
1各部の温度を反応に最も適した温度に調節すれば、よ
り一層効果的である。
The proportion of the hydration catalyst 13 is increased at the inlet of the reformed gas flow path, the proportion of the reforming catalyst 14 is increased at the center, and the proportion of the shift catalyst 15 is increased at the outlet. As shown in FIG. 3, for example, the proportion of the hydration catalyst 13 is set to 100% at the inlet, and the proportion of the hydration catalyst 13 is reduced to the center along the flow, and the proportion of the reforming catalyst 14 is increased instead. At the center, the ratio of the hydration catalyst 13 is set to zero, and the ratio of the reforming catalyst 14 is set to 100%. From the central portion to the outlet, reduce the proportion of the reforming catalyst 14 in the flow direction,
The ratio of the shift catalyst 15 is increased. At the outlet, the ratio of the reforming catalyst 14 is set to zero, and the ratio of the shift catalyst 15 is set to 10
0%. In this way, by changing the mixture ratio of the catalyst along the flow, the production of methanol from DME by the hydration catalyst 13 is promoted at the inlet of the DME reforming unit 1, and the produced methanol is steam-reformed at the center. The gas is converted into a hydrogen-rich reformed gas by a reaction, and the CO concentration in the reformed gas is reduced by a shift reaction at an outlet. Embodiment 2 If the temperature of each part of the DME reforming section 1 is adjusted to the temperature most suitable for the reaction by adjusting the temperature in the laminating direction shown in the above, it is more effective.

【0035】実施の形態4.次に、この発明の実施の形
態4.に係る他の多層のDME改質部1の構成を説明す
る。その構造を図4に示す。図4は多層のDME改質部1
におけるDME・水蒸気、改質ガスの流れを表す。
Embodiment 4 FIG. Next, Embodiment 4 of the present invention. The configuration of another multilayer DME reforming section 1 according to the first embodiment will be described. The structure is shown in FIG. Fig. 4 shows the multilayer DME reforming unit 1
Represents the flow of DME / steam and reformed gas at

【0036】本実施の形態4.におけるDME改質部1
は、触媒を層状薄膜化して積層し、各要素の間に伝熱フ
ィンを設けた構造である。図4中の左側の構成図は本実
施の形態4.に係るDME改質部1の断面を示す構成図で
あり、構成要素の基本的な配置を示す。また、図4中の
右側のグラフはDME改質部1に用いる積層方向のDME濃度
分布とメタノール濃度分布を表すグラフである。図4に
おいて、16は層状薄膜化した触媒で、触媒層の位置に
おいて水和、改質、シフト反応を促進させる機能を有す
る。27は伝熱フィンの断面を示し、この平板の伝熱フ
ィン27の表面により改質ガス流路を形成する。
Embodiment 4 DME reformer 1
Is a structure in which the catalyst is formed into a layered thin film and laminated, and heat transfer fins are provided between the elements. The configuration diagram on the left side in FIG. 1 is a configuration diagram showing a cross section of a DME reforming unit 1 according to the first embodiment, and shows a basic arrangement of components. 4 is a graph showing the DME concentration distribution and the methanol concentration distribution in the stacking direction used for the DME reforming unit 1. In FIG. 4, reference numeral 16 denotes a layered thin-film catalyst having a function of promoting hydration, reforming, and shift reactions at the position of the catalyst layer. Reference numeral 27 denotes a cross section of the heat transfer fin, and the surface of the heat transfer fin 27 of the flat plate forms a reformed gas flow path.

【0037】DMEおよび水蒸気の原料ガスは薄膜多孔質
化した水和触媒の内部を通過し、そこでは水和反応によ
りDMEをメタノールに変換する。変換されたメタノール
は次の薄膜多孔質化した改質触媒の内部を通過し、生成
したメタノールは改質反応により水素に変換される。未
反応のDMEはさらにつぎの薄膜多孔質化した水和触媒層
で、水和反応によりメタノールを生成する。つまり、前
の改質触媒層でメタノールが消費されているため、水和
反応の平衡はメタノール生成側に移行し、1段目では化
学平衡上これ以上進まなかった水和反応を改質触媒層を
通過させることで、生成したメタノールを消費すること
により、未反応のDMEを新たにメタノールに変換する。
この水和、改質触媒の層状化を多段に繰り返すことによ
り、DME燃料をほぼ完全にメタノールを介して水素リッ
チガスに変換することができる。なお、改質部の出口に
は薄膜多孔質化したシフト触媒を設け、シフト反応を促
進することで改質ガス中のCO濃度を低減する。また、
実施の形態2.で示した、積層方向の温度調整により改
質部各部の温度を反応に最も適した温度に調節すれば、
より一層効果的である。
The raw material gas of DME and water vapor passes through the inside of the hydration catalyst which has been made into a thin film porous material, where DME is converted into methanol by a hydration reaction. The converted methanol passes through the inside of the next thin-film porous reforming catalyst, and the generated methanol is converted to hydrogen by a reforming reaction. The unreacted DME is the next hydrated catalyst layer which has been made into a thin film, and produces methanol by a hydration reaction. In other words, since methanol is consumed in the previous reforming catalyst layer, the equilibrium of the hydration reaction shifts to the methanol generation side, and the hydration reaction that has not progressed further due to the chemical equilibrium in the first stage is changed to the reforming catalyst layer. The unreacted DME is newly converted to methanol by consuming the generated methanol by passing through.
By repeating this hydration and stratification of the reforming catalyst in multiple stages, the DME fuel can be almost completely converted to a hydrogen-rich gas via methanol. A shift catalyst having a thin film and a porous structure is provided at the outlet of the reforming section, and the shift reaction is promoted to reduce the CO concentration in the reformed gas. Also,
Embodiment 2 FIG. By adjusting the temperature of each part of the reforming section to the temperature most suitable for the reaction by adjusting the temperature in the stacking direction shown in
It is even more effective.

【0038】触媒の薄膜成形方法としては、2枚の表面
を粗面化した多孔質アルミナファイバーペーパーの間に
粉砕した水和触媒、改質触媒、シフト触媒、あるいは、
それらの混合触媒をはさみ、適度な温度に昇温し、適度
な圧力で加圧して薄膜化する方法がある。この方法によ
れば、触媒を粉砕しているため、反応に寄与する有効な
表面積が増加し、かつ、アルミナファイバーペーパでは
さんでいるので、触媒が落下したり、流路を閉塞したり
する心配もなく、ファイバーの内部にガスを流通させる
ことで、触媒とガスの接触を良好にすることができる。
As a method for forming a thin film of a catalyst, a hydration catalyst, a reforming catalyst, a shift catalyst, or a hydration catalyst pulverized between two porous alumina fiber papers whose surfaces are roughened.
There is a method of sandwiching those mixed catalysts, raising the temperature to an appropriate temperature, and applying pressure at an appropriate pressure to form a thin film. According to this method, since the catalyst is pulverized, the effective surface area contributing to the reaction increases, and since the catalyst is sandwiched between alumina fiber papers, there is a concern that the catalyst may drop or block the flow path. Also, by flowing the gas inside the fiber, it is possible to improve the contact between the catalyst and the gas.

【0039】実施の形態5.次に、この発明の実施の形
態5.に係るDME燃料改質器の原料回収部9の構成を説
明する。この原料回収部9の構造を図5に示す。図5は
原料回収部9の横断面図(a)および上断面図(b)で
ある。図5において、17は回収水、18は回収水分岐
供給路、19は回収水噴射小孔、20は回収水排出路で
ある。
Embodiment 5 Next, Embodiment 5 of the present invention. The configuration of the raw material recovery unit 9 of the DME fuel reformer according to the first embodiment will be described. FIG. 5 shows the structure of the raw material recovery section 9. FIG. 5 is a cross-sectional view (a) and an upper cross-sectional view (b) of the raw material recovery unit 9. In FIG. 5, reference numeral 17 denotes recovered water, 18 denotes a recovered water branch supply passage, 19 denotes a recovered water injection small hole, and 20 denotes a recovered water discharge passage.

【0040】本実施の形態5.における燃料改質器の原
料回収部9の動作について説明する。CO酸化部6bを
出た改質ガスは図5に示す改質ガス入口マニホールドか
ら原料回収部9に導入される。原料回収部9は回収水分
岐供給路18により回収水を面内に分散させ、供給路の
先端に設けた回収水噴射小孔19から改質ガスに向けて
回収水を噴射させ、改質ガス中に存在するDMEやメタノ
ールを噴射水の水滴に溶解させ、伝熱フィン27の表面
で水滴を捕集し、傾斜をつけた回収水排出路から排出す
る。これより、改質部において反応しなかった改質ガス
中のDMEおよびメタノールを回収水により有効に回収
し、再び改質用の水として、気化させた後に再びDME改
質部1に供給することにより原料を再利用し、原料の損
失を低減するものである。
Embodiment 5 The operation of the raw material recovery unit 9 of the fuel reformer in the above will be described. The reformed gas that has exited from the CO oxidation section 6b is introduced into the raw material recovery section 9 from the reformed gas inlet manifold shown in FIG. The raw material recovery section 9 disperses the recovered water in the plane by the recovered water branch supply path 18, and injects the recovered water toward the reformed gas from the recovered water injection small hole 19 provided at the end of the supply path to form the reformed gas. The DME and methanol present therein are dissolved in the water droplets of the jet water, and the water droplets are collected on the surface of the heat transfer fins 27 and discharged from the inclined recovered water discharge passage. From this, DME and methanol in the reformed gas that did not react in the reforming section can be effectively recovered by the recovered water, again vaporized as reforming water, and then supplied to the DME reforming section 1 again. Thus, the raw material is reused, and the loss of the raw material is reduced.

【0041】なお、本実施の形態5.におけるDME燃料
改質器の原料回収部9は、メタノール改質器にも適用で
きる。
The fifth embodiment. The raw material recovery unit 9 of the DME fuel reformer in the above can also be applied to a methanol reformer.

【0042】[0042]

【発明の効果】請求項1の発明によれば、ジメチルエー
テルを蒸発させるジメチルエーテル蒸発部;ジメチルエ
ーテルを水素に変換するのに必要な水を加熱する水−加
熱部;前記水−加熱部で加熱された水を蒸発させる水−
蒸発部;前記水−蒸発部で得られた水蒸気と前記ジメチ
ルエーテル蒸発部で得られたジメチルエーテルのガスと
からなる原料ガスを改質温度まで過熱する蒸気過熱部;
前記蒸気過熱部で得られた過熱された原料ガスをエーテ
ル水和触媒およびメタノール改質触媒により水素リッチ
の改質ガスに変換するジメチルエーテル改質部;触媒燃
焼により改質反応熱を前記ジメチルエーテル改質部に供
給する触媒燃焼部;前記ジメチルエーテル改質部で得ら
れた改質ガス中のCOを触媒の酸化により低減するCO
酸化部;前記蒸気過熱部および水−蒸発部の熱源になる
ように、前記の触媒燃焼による高温の燃焼ガスによる排
熱が送り込まれる熱回収部;未反応のジメチルエーテル
および反応中間生成物のメタノールを回収する原料回収
部;を設け、かつ前記原料回収部を前記ジメチルエーテ
ル蒸発部に近接して設けたので、未反応の原料(DME,メ
タノール)を有効に回収し、燃料損失の低減が図れ、DM
E、メタノールおよび水の高い改質率が得られる。
According to the first aspect of the present invention, a dimethyl ether evaporating section for evaporating dimethyl ether; a water-heating section for heating water necessary for converting dimethyl ether to hydrogen; Water-evaporating water
An evaporating section; a steam heating section for heating a raw material gas comprising steam obtained in the water-evaporating section and dimethyl ether gas obtained in the dimethyl ether evaporating section to a reforming temperature;
A dimethyl ether reforming section that converts the superheated raw material gas obtained in the steam superheating section into a hydrogen-rich reformed gas with an ether hydration catalyst and a methanol reforming catalyst; Catalytic combustion section to be supplied to the section; CO for reducing CO in the reformed gas obtained in the dimethyl ether reforming section by oxidation of the catalyst
An oxidizing unit; a heat recovery unit into which exhaust heat from the high-temperature combustion gas generated by the catalytic combustion is sent so as to serve as a heat source for the steam superheating unit and the water-evaporation unit; and an unreacted dimethyl ether and methanol as a reaction intermediate product. Since the raw material recovery section to be recovered is provided and the raw material recovery section is provided close to the dimethyl ether evaporating section, unreacted raw materials (DME, methanol) can be effectively recovered, fuel loss can be reduced, and DM
High reforming rates of E, methanol and water are obtained.

【0043】請求項2の発明によれば、原料回収部、ジ
メチルエーテル蒸発部、第1CO酸化部、水−加熱部、
第2CO酸化部、水−蒸発部、熱回収部、蒸気過熱部、
第1触媒燃焼部、ジメチルエーテル改質部および第2触
媒燃焼部をこの順で設け、各部を例えばAl製の平板状
の要素として積層し、一体化構造に構成したので、装置
のコンパクト化を実現することができ、また改質ガス中
のCO濃度を固体高分子型燃料電池の許容濃度である数
ppmのレベルまで低減することができる。
According to the second aspect of the present invention, the raw material recovery section, the dimethyl ether evaporation section, the first CO oxidation section, the water-heating section,
2nd CO oxidation section, water-evaporation section, heat recovery section, steam superheating section,
The first catalytic combustion unit, the dimethyl ether reforming unit, and the second catalytic combustion unit are provided in this order, and each unit is laminated as a plate-like element made of, for example, Al to form an integrated structure. And the CO concentration in the reformed gas can be adjusted to a number that is the allowable concentration of the polymer electrolyte fuel cell.
It can be reduced to ppm levels.

【0044】請求項3の発明によれば、ジメチルエーテ
ル改質部の内部に、所望の位置に配置したエーテル水和
触媒およびメタノール改質触媒を備えた1回以上の折り
返し流路を設け、ジメチルエーテルおよび水蒸気の原料
ガスが前記折り返し流路を積層構造の上方に向かって流
れるようにしたので、DMEの水素への変換効率が高ま
る。
According to the third aspect of the present invention, at least one return flow path provided with an ether hydration catalyst and a methanol reforming catalyst arranged at desired positions is provided inside the dimethyl ether reforming section, and dimethyl ether and Since the raw material gas of the steam is caused to flow through the folded flow path toward the upper side of the laminated structure, the conversion efficiency of DME to hydrogen is increased.

【0045】請求項4の発明によれば、平板状の伝熱フ
ィンを改質触媒の周囲に設けたので、DMEの水素への変
換効率が一層高まる。
According to the fourth aspect of the present invention, since the plate-shaped heat transfer fins are provided around the reforming catalyst, the conversion efficiency of DME into hydrogen is further improved.

【0046】請求項5の発明によれば、ジメチルエーテ
ル改質部の内部において、その入口部分でエーテル水和
触媒が多く、かつ出口部分でメタノール改質触媒が多く
なるように配置したので、触媒の有効利用度が向上し、
DMEを水素に変換する効率が高まる。
According to the fifth aspect of the present invention, the inside of the dimethyl ether reforming section is arranged so that the ether hydration catalyst is increased at the inlet and the methanol reforming catalyst is increased at the outlet. Effective utilization increased,
The efficiency of converting DME to hydrogen increases.

【0047】請求項6の発明によれば、ジメチルエーテ
ル改質部の内部において、エーテル水和触媒およびメタ
ノール改質触媒をそれぞれ多孔質薄膜化し、これらエー
テル水和触媒およびメタノール改質触媒を交互に配置
し、ジメチルエーテルおよび水蒸気の原料ガスが各触媒
層内を透過するようにガス流路を構成したので、触媒の
有効利用度が向上し、DMEを水素に変換する効率が高ま
る。
According to the invention of claim 6, the ether hydration catalyst and the methanol reforming catalyst are each made into a porous thin film inside the dimethyl ether reforming section, and the ether hydration catalyst and the methanol reforming catalyst are alternately arranged. In addition, since the gas flow path is configured so that the raw material gases of dimethyl ether and water vapor pass through each catalyst layer, the effective utilization of the catalyst is improved, and the efficiency of converting DME to hydrogen is increased.

【0048】請求項7の発明によれば、原料回収部が、
回収水を面内に分散させる回収水分岐供給路、前記回収
水分岐供給路から前記回収水を噴射させる回収水噴射小
孔、改質ガス中の未反応のジメチルエーテルおよびメタ
ノールを溶解した水滴を捕集する伝熱フィン、および凝
縮した回収水を排出する回収水排出路を備えてなるの
で、原料が再利用され、原料の損失を低減することがで
きる。
According to the seventh aspect of the present invention, the raw material recovery section includes:
A recovered water branch supply path for dispersing the recovered water in the plane, a recovered water injection hole for injecting the recovered water from the recovered water branch supply path, and a water droplet in which unreacted dimethyl ether and methanol in the reformed gas are dissolved. Since a heat transfer fin for collecting and a collected water discharge passage for discharging condensed collected water are provided, the raw material can be reused, and the loss of the raw material can be reduced.

【0049】請求項8の発明は、ジメチルエーテルを蒸
発させる第1ステップと;水を蒸発させる第2ステップ
と;前記第1ステップおよび第2ステップにより得られ
た水蒸気およびジメチルエーテルのガスからなる原料ガ
スを改質温度まで過熱する第3ステップと;前記第3ス
テップにより得られた過熱した原料ガスをエーテル水和
触媒およびメタノール改質触媒と接触させ水素リッチの
改質ガスを生成する第4ステップと;前記第4ステップ
により得られた改質ガス中のCOを触媒の酸化により低
減する第5ステップと;前記第5ステップにより得られ
たCOを低減した後の改質ガスから未反応のジメチルエ
ーテルおよび反応中間生成物のメタノールを回収する第
6ステップと;第6ステップにより得られた回収物を第
2ステップに導入する第7ステップと;を有し、前記第
1ステップにおけるジメチルエーテルの蒸発熱により、
前記第6ステップの回収動作温度を下げることを特徴と
しているので、DME、メタノールおよび水の高い改質率
を維持し、未改質のメタノールおよびDMEを水とともに
凝縮させ回収でき、液体原料としてリサイクルすること
により燃料の損失が少なくなる。
[0049] The invention of claim 8 provides a first step of evaporating dimethyl ether; a second step of evaporating water; and a step of removing a raw material gas comprising steam and dimethyl ether gas obtained in the first and second steps. A third step of heating to the reforming temperature; and a fourth step of contacting the superheated raw material gas obtained in the third step with an ether hydration catalyst and a methanol reforming catalyst to generate a hydrogen-rich reformed gas; A fifth step of reducing CO in the reformed gas obtained in the fourth step by oxidizing a catalyst; and an unreacted dimethyl ether and a reaction from the reformed gas obtained by reducing the CO obtained in the fifth step. A sixth step of recovering the intermediate product methanol; and introducing the recovered material obtained in the sixth step to the second step. That the seventh step; has, by evaporation heat of dimethyl ether in the first step,
The sixth step is characterized in that the recovery operation temperature is lowered, so that a high reforming rate of DME, methanol and water can be maintained, and unreformed methanol and DME can be condensed and recovered together with water, and recycled as a liquid raw material. By doing so, fuel loss is reduced.

【0050】請求項9の発明によれば、第4ステップに
おいて、過熱した原料ガスが、1回以上の折り返し流路
を通過しながらエーテル水和触媒およびメタノール改質
触媒と接触し、前記折り返し流路の入口部分が高温で、
かつ出口部分が低温となるような温度分布を連続的に設
けることを特徴としているので、DME改質部の理想的な
温度分布をつけることができ、DME、メタノールおよび
水の高い改質率が達成される。
According to the ninth aspect of the present invention, in the fourth step, the superheated raw material gas comes into contact with the ether hydration catalyst and the methanol reforming catalyst while passing through one or more return flow paths, and The entrance of the road is hot,
In addition, it is characterized by continuously providing a temperature distribution such that the outlet portion has a low temperature, so that an ideal temperature distribution of the DME reforming section can be provided, and a high reforming rate of DME, methanol and water can be obtained. Achieved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 実施の形態1.による燃料改質器の基本的構
成を示す構成図および積層方向の温度分布を示す図であ
る。
FIG. 1 is a first embodiment. FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a basic configuration of a fuel reformer according to the present invention and a diagram illustrating a temperature distribution in a stacking direction.

【図2】 実施の形態2.による燃料改質器の多層のDM
E改質部の具体的構成を示す構成図および積層方向の温
度分布を示す図である。
FIG. 2 is a second embodiment. Multilayer DM in fuel reformer
FIG. 3 is a configuration diagram illustrating a specific configuration of an E reforming unit and a diagram illustrating a temperature distribution in a stacking direction.

【図3】 実施の形態3.による燃料改質器の多層のDM
E改質部の具体的構成を示す構成図および水和・改質・
シフト触媒の混在割合を示す図である。
FIG. Multilayer DM in fuel reformer
E Configuration diagram showing the specific configuration of the reforming section
FIG. 3 is a diagram showing a mixture ratio of a shift catalyst.

【図4】 実施の形態4.による燃料改質器の触媒を層
状薄膜化したDME改質部の具体的構成を示す構成図およ
びDMEおよびメタノール濃度分布を示す図である。
FIG. 4 shows a fourth embodiment. FIG. 1 is a configuration diagram showing a specific configuration of a DME reforming unit in which a catalyst of a fuel reformer is formed into a layered thin film by DME and a diagram showing DME and methanol concentration distributions.

【図5】 実施の形態5.による燃料改質器の原料回収
部の断面図である。
FIG. FIG. 2 is a sectional view of a raw material recovery unit of a fuel reformer according to the first embodiment.

【図6】 従来のDMEを燃料としたガスタービンサイク
ルのシステムフローである。
FIG. 6 is a system flow of a conventional gas turbine cycle using DME as fuel.

【図7】 従来のメタノールを燃料とした燃料改質装置
の基本的構成要素と積層方向温度分布を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing basic components and a temperature distribution in a stacking direction of a conventional fuel reformer using methanol as a fuel.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ジメチルエーテル改質部、2a 触媒燃焼部
(下)、2b 触媒燃焼部(上)、3 蒸気過熱部、4
熱回収部、5 水−蒸発部、6a CO酸化部、6b
CO酸化部、7 水−加熱部、8 ジメチルエーテル
蒸発部、9 原料回収部、13 水和触媒、14 改質
触媒、15 シフト触媒、18 回収水分岐供給路、1
9 回収水噴射小孔、20 回収水排出路、27 伝熱
フィン。
1 dimethyl ether reforming section, 2a catalytic combustion section (lower), 2b catalytic combustion section (upper), 3 steam superheating section, 4
Heat recovery section, 5 water-evaporation section, 6a CO oxidation section, 6b
CO oxidation unit, 7 water-heating unit, 8 dimethyl ether evaporation unit, 9 raw material recovery unit, 13 hydration catalyst, 14 reforming catalyst, 15 shift catalyst, 18 recovered water branch supply path, 1
9 recovered water injection holes, 20 recovered water discharge channels, 27 heat transfer fins.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土井 全 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 矢島 義孝 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Doi All 2-3-2 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Inside Mitsubishi Electric Corporation (72) Inventor Yoshitaka Yajima 2-3-2 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Rishi Electric Co., Ltd.

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ジメチルエーテルを蒸発させるジメチル
エーテル蒸発部;ジメチルエーテルを水素に変換するの
に必要な水を加熱する水−加熱部;前記水−加熱部で加
熱された水を蒸発させる水−蒸発部;前記水−蒸発部で
得られた水蒸気と前記ジメチルエーテル蒸発部で得られ
たジメチルエーテルのガスとからなる原料ガスを改質温
度まで過熱する蒸気過熱部;前記蒸気過熱部で得られた
過熱された原料ガスをエーテル水和触媒およびメタノー
ル改質触媒により水素リッチの改質ガスに変換するジメ
チルエーテル改質部;触媒燃焼により改質反応熱を前記
ジメチルエーテル改質部に供給する触媒燃焼部;前記ジ
メチルエーテル改質部で得られた改質ガス中のCOを触
媒の酸化により低減するCO酸化部;前記蒸気過熱部お
よび水−蒸発部の熱源になるように、前記の触媒燃焼に
よる高温の燃焼ガスによる排熱が送り込まれる熱回収
部;未反応のジメチルエーテルおよび反応中間生成物の
メタノールを回収する原料回収部;を設け、かつ前記原
料回収部を前記ジメチルエーテル蒸発部に近接して設け
たことを特徴とするジメチルエーテル燃料改質器。
1. a dimethyl ether evaporating section for evaporating dimethyl ether; a water-heating section for heating water necessary for converting dimethyl ether to hydrogen; a water-evaporating section for evaporating water heated in the water-heating section; A steam superheater for superheating a raw material gas composed of water vapor obtained in the water-evaporator and dimethyl ether gas obtained in the dimethyl ether evaporator to a reforming temperature; a superheated raw material obtained in the steam superheater A dimethyl ether reforming section that converts a gas into a hydrogen-rich reformed gas with an ether hydration catalyst and a methanol reforming catalyst; a catalytic combustion section that supplies reforming reaction heat to the dimethyl ether reforming section by catalytic combustion; Oxidizing section for reducing CO in the reformed gas obtained in the section by oxidizing a catalyst; heat of the steam superheating section and the water-evaporating section A heat recovery unit into which exhaust heat generated by the high-temperature combustion gas from the catalytic combustion is sent as a source; a raw material recovery unit that recovers unreacted dimethyl ether and methanol as a reaction intermediate; A dimethyl ether fuel reformer, wherein a dimethyl ether fuel reformer is provided adjacent to the dimethyl ether evaporator.
【請求項2】 原料回収部、ジメチルエーテル蒸発部、
第1CO酸化部、水−加熱部、第2CO酸化部、水−蒸
発部、熱回収部、蒸気過熱部、第1触媒燃焼部、ジメチ
ルエーテル改質部および第2触媒燃焼部をこの順で設
け、各部を平板状の要素として積層したことを特徴とす
る請求項1に記載のジメチルエーテル燃料改質器。
2. A raw material recovery section, a dimethyl ether evaporation section,
A first CO oxidation section, a water-heating section, a second CO oxidation section, a water-evaporation section, a heat recovery section, a steam superheating section, a first catalytic combustion section, a dimethyl ether reforming section, and a second catalytic combustion section are provided in this order; The dimethyl ether fuel reformer according to claim 1, wherein each part is laminated as a plate-like element.
【請求項3】 ジメチルエーテル改質部の内部に、所望
の位置に配置したエーテル水和触媒およびメタノール改
質触媒を備えた1回以上の折り返し流路を設け、ジメチ
ルエーテルおよび水蒸気の原料ガスが前記折り返し流路
を積層構造の上方に向かって流れるようにしたことを特
徴とする請求項2に記載のジメチルエーテル燃料改質
器。
3. A dimethyl ether reforming section is provided with one or more return passages provided with an ether hydration catalyst and a methanol reforming catalyst arranged at desired positions inside the dimethyl ether reforming section. The dimethyl ether fuel reformer according to claim 2, wherein the flow path is made to flow upwardly of the laminated structure.
【請求項4】 平板状の伝熱フィンを改質触媒の周囲に
設けたことを特徴とする請求項3に記載のジメチルエー
テル燃料改質器。
4. The dimethyl ether fuel reformer according to claim 3, wherein flat heat transfer fins are provided around the reforming catalyst.
【請求項5】 ジメチルエーテル改質部の内部におい
て、その入口部分でエーテル水和触媒が多く、かつ出口
部分でメタノール改質触媒が多くなるように配置したこ
とを特徴とする請求項3または4に記載のジメチルエー
テル燃料改質器。
5. The dimethyl ether reforming unit according to claim 3 or 4, wherein a large amount of ether hydration catalyst is provided at the inlet portion and a large amount of methanol reforming catalyst is provided at the outlet portion. A dimethyl ether fuel reformer as described in the above.
【請求項6】 ジメチルエーテル改質部の内部におい
て、エーテル水和触媒およびメタノール改質触媒をそれ
ぞれ多孔質薄膜化し、これらエーテル水和触媒およびメ
タノール改質触媒を交互に配置し、ジメチルエーテルお
よび水蒸気の原料ガスが各触媒層内を透過するようにガ
ス流路を構成したことを特徴とする請求項1または2に
記載のジメチルエーテル燃料改質器。
6. Inside the dimethyl ether reforming section, the ether hydration catalyst and the methanol reforming catalyst are each formed into a porous thin film, and the ether hydration catalyst and the methanol reforming catalyst are alternately arranged to form a raw material of dimethyl ether and steam. The dimethyl ether fuel reformer according to claim 1 or 2, wherein the gas flow path is configured so that the gas passes through each catalyst layer.
【請求項7】 原料回収部が、回収水を面内に分散させ
る回収水分岐供給路、前記回収水分岐供給路から前記回
収水を噴射させる回収水噴射小孔、改質ガス中の未反応
のジメチルエーテルおよびメタノールを溶解した水滴を
捕集する伝熱フィン、および凝縮した回収水を排出する
回収水排出路を備えてなることを特徴とする請求項1に
記載のジメチルエーテル燃料改質器。
7. A recovered water branch supply path for dispersing recovered water in a plane, a recovered water injection hole for injecting the recovered water from the recovered water branch supply path, and an unreacted gas in the reformed gas. The dimethyl ether fuel reformer according to claim 1, further comprising a heat transfer fin for collecting water droplets in which dimethyl ether and methanol are dissolved, and a recovered water discharge passage for discharging condensed recovered water.
【請求項8】ジメチルエーテルを蒸発させる第1ステッ
プと;水を蒸発させる第2ステップと;前記第1ステッ
プおよび第2ステップにより得られた水蒸気およびジメ
チルエーテルのガスからなる原料ガスを改質温度まで過
熱する第3ステップと;前記第3ステップにより得られ
た過熱した原料ガスをエーテル水和触媒およびメタノー
ル改質触媒と接触させ水素リッチの改質ガスを生成する
第4ステップと;前記第4ステップにより得られた改質
ガス中のCOを触媒の酸化により低減する第5ステップ
と;前記第5ステップにより得られたCOを低減した後
の改質ガスから未反応のジメチルエーテルおよび反応中
間生成物のメタノールを回収する第6ステップと;第6
ステップにより得られた回収物を第2ステップに導入す
る第7ステップと;を有し、前記第1ステップにおける
ジメチルエーテルの蒸発熱により、前記第6ステップの
回収動作温度を下げることを特徴とするジメチルエーテ
ル燃料改質方法。
8. A first step for evaporating dimethyl ether; a second step for evaporating water; and heating a raw material gas comprising steam and dimethyl ether gas obtained in the first and second steps to a reforming temperature. A third step of contacting the superheated raw material gas obtained in the third step with an ether hydration catalyst and a methanol reforming catalyst to generate a hydrogen-rich reformed gas; A fifth step of reducing the CO in the obtained reformed gas by oxidation of the catalyst; unreacted dimethyl ether and methanol as a reaction intermediate from the reformed gas obtained by reducing the CO obtained in the fifth step; A sixth step of recovering;
And a seventh step of introducing the recovered material obtained in the step to a second step, wherein the recovery operation temperature in the sixth step is lowered by heat of evaporation of the dimethyl ether in the first step. Fuel reforming method.
【請求項9】 第4ステップにおいて、過熱した原料ガ
スが、1回以上の折り返し流路を通過しながらエーテル
水和触媒およびメタノール改質触媒と接触し、前記折り
返し流路の入口部分が高温で、かつ出口部分が低温とな
るような温度分布を連続的に設けることを特徴とする請
求項8に記載のジメチルエーテル燃料改質方法。
9. In the fourth step, the superheated raw material gas comes into contact with the ether hydration catalyst and the methanol reforming catalyst while passing through one or more return passages, and the inlet portion of the return passage has a high temperature. 9. The dimethyl ether fuel reforming method according to claim 8, wherein a temperature distribution such that the outlet portion has a low temperature is continuously provided.
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