JP2000315517A

JP2000315517A - 燃料電池用燃料処理方法および装置

Info

Publication number: JP2000315517A
Application number: JP11125514A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Iio; 光宏飯尾; Toru Shimizu; 徹清水; Kazuhiko Ito; 和彦伊藤
Original assignee: Chubu Electric Power Co Inc; IHI Corp
Current assignee: Chubu Electric Power Co Inc; IHI Corp
Priority date: 1999-05-06
Filing date: 1999-05-06
Publication date: 2000-11-14

Abstract

(57)【要約】【課題】高濃度のＣＯガスを含む燃料ガスを、過剰な
水蒸気を用いることなく、かつ炭素析出を抑えて改質す
ることができ、これにより流路閉塞を防止し、かつ発電
効率を高く維持することができる燃料電池用燃料処理方
法および装置を提供する。【解決手段】混合器１２、シフト反応器１４および燃
料予熱器１６を備え、ＣＯガスを含む燃料ガス１に改質
用の水蒸気２を混入し、その混合ガス３ａを約２００〜
４５０℃で断熱的にシフト反応させ、反応熱で昇温した
混合ガス３ｂをそのまま更に加熱して改質器４に供給す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高濃度のＣＯガス
を含む燃料ガスを改質してＣＯ濃度の低い水素含有ガス
にする燃料電池用燃料処理方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ごみ等を原料としてガス化溶融炉により
原料をガス化し、これを燃焼させて発電するガス化発電
設備が開発されている。しかし、かかるガス化発電設備
では、ガス化した燃料ガスの燃焼により、ＮＯｘやＣＯ
₂が大量に発生するため環境汚染を引き起こすおそれが
あり、かつ発電効率が依然として低い問題がある。

【０００３】一方、ＮＯｘやＣＯ₂の発生が非常に少な
くかつ発電効率が高い発電設備として、溶融炭酸塩型燃
料電池を用いた燃料電池発電設備が注目されている。こ
の燃料電池発電設備では、燃料ガスを水素含有ガスに改
質し、これを燃料電池内で反応させて電気化学的に発電
するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した燃料電池発電
設備の燃料としては、従来、都市ガス、天然ガス等のＣ
Ｏ濃度の低い燃料ガスが用いられている。そのため、こ
の発電設備をごみ等を原料としてガス化した燃料ガスに
適用しようとすると、以下の問題が発生する。（１）燃料ガスを水素含有ガスに改質するには改質器が
用いられ、この改質器へ燃料ガスを供給する前に改質器
に適した温度（例えば６００〜７００℃）まで燃料ガス
を予熱する必要がある。この際、ごみ等を燃料とする燃
料ガスには高濃度（例えば２０％以上）のＣＯガスが含
まれているため、昇温過程の熱交換器（例えば燃料予熱
器）内で、以下の反応が生じる。

【０００５】（反応１）ＣＯ＋Ｈ₂→Ｃ＋Ｈ₂Ｏ（反応２）２ＣＯ→Ｃ＋ＣＯ₂

【０００６】この２つの反応により固体炭素が析出（炭
素析出）し、熱交換器の流路が閉塞し、運転不能になる
おそれがある。なお、反応１は「デコーキング反応」、
反応２は「ブドワル反応」と呼ばれる。

【０００７】（２）上記炭素析出およびこれによる流路
閉塞を防止するために、大量の水蒸気を燃料ガスに供給
すると、炭素析出の抑制はできるが、改質ガス中の水蒸
気量が過大となって燃料電池の性能が低下し、かつ大量
の水蒸気を必要となるため、発電設備全体の発電効率が
低下する。

【０００８】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、高濃
度のＣＯガスを含む燃料ガスを、過剰な水蒸気を用いる
ことなく、かつ炭素析出を抑えて改質することができ、
これにより流路閉塞を防止し、かつ発電効率を高く維持
することができる燃料電池用燃料処理方法および装置を
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述した（反応１）およ
び（反応２）の炭素析出反応は、化学平衡上は低温ほど
反応しやすいが、実際には約５００〜６００℃程度が最
も析出しやすいことが経験的に確認されている。これ
は、化学反応速度は温度が高いほど速くなるため、低温
では反応速度が遅いため炭素析出がなく高温では反応速
度は高いが平衡定数が低いためと考えられる。本発明は
かかる新規の知見に基づくものである。

【００１０】すなわち、本発明によれば、ＣＯガスを含
む燃料ガス（１）に改質用の水蒸気（２）を混入し、そ
の混合ガス（３ａ）を約２００〜４５０℃で断熱的にシ
フト反応させ、反応熱で昇温した混合ガス（３ｂ）をそ
のまま更に加熱して改質器に供給する、ことを特徴とす
る燃料電池用燃料処理方法が提供される。

【００１１】また、本発明によれば、ＣＯガスを含む燃
料ガス（１）に改質用の水蒸気（２）を混入する混合器
（１２）と、混合器を出た混合ガス（３ａ）を約２００
〜４５０℃で断熱的にシフト反応させるシフト反応器
（１４）と、反応熱で昇温してシフト反応器を出た混合
ガス（３ｂ）をそのまま更に加熱して改質器（４）に供
給する燃料予熱器（１６）とを備える、ことを特徴とす
る燃料電池用燃料処理装置が提供される。

【００１２】上記本発明の方法および装置によれば、混
合器（１２）によりＣＯガスを含む燃料ガス（１）に改
質用の水蒸気（２）を混入し、混合器を出た混合ガス
（３ａ）をシフト反応器（１４）で下記のシフト反応を
させることにより、燃料予熱器（１６）に供給する混合
ガス（３ｂ）のＣＯガス濃度を下げることができる。

【００１３】（反応３）ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ このシフト反応は、シフト触媒を用いることにより、炭
素析出反応が起きにくい約２００〜４５０℃の温度範囲
で選択的に進行させることができる。

【００１４】次いで、ＣＯガス濃度が低下し炭素析出反
応が起きにくくなった混合ガスを燃料予熱器（１６）に
よりそのまま更に加熱して改質器（４）に供給するの
で、炭素析出反応が起こりやすい約５００〜６００℃の
温度領域を低いＣＯガス濃度のまま昇温させ、改質器に
適した温度（例えば６００〜７００℃）まで加熱するこ
とができる。この温度領域では、上述したように、反応
速度は高いが平衡定数が大きくかつＣＯガス濃度が大幅
に低下しているので、もはや炭素析出のおそれはほとん
どなく安定して加熱することができる。従って、本発明
の方法及び装置により、熱交換器での炭素析出を抑制
し、ごみ等のガス化溶融炉の高いＣＯ濃度ガスを燃料電
池の燃料として使用することが可能となる。

【００１５】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
シフト反応器（１４）は、内部にシフト触媒が充填され
た断熱構造の反応器である。この構成により、反応器が
断熱構造であり、冷却を必要としないシンプルな構造に
できる。また、発熱反応によりガス温度が上昇するの
で、混合器（１２）に供給する水蒸気の過熱温度を下げ
ることができ、発電効率の向上に寄与する。更にシフト
反応により水蒸気量が若干減少するが、炭素析出を防止
するために過剰に入れる場合に比較すると大幅に供給蒸
気量を減らすことができる。従って、これらの相乗効果
により、発電効率を２〜３％程度向上させることができ
る。また、必要により、天然ガス、都市ガスのみでの運
転にも支障なく、燃料の併用も可能である。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において共通す
る部分には同一の符号を付して使用する。図１は、本発
明の燃料処理装置を用いた燃料電池発電設備の構成図で
ある。この図において、４は改質器、５は燃料電池、
６，７ａは燃焼器、７はガスタービン、８は排熱ボイラ
である。また、１０は、本発明の燃料電池用燃料処理装
置であり、混合器１２、シフト反応器１４および燃料予
熱器１６で構成される。

【００１７】混合器１２は、ＣＯガスを含む燃料ガス１
に改質用の水蒸気２を混入する機能を有する。この混合
器１２は、単なる集合管でもよく、あるいはガスの混合
を促進するように通気性のある充填物を内蔵するチャン
バであってもよい。

【００１８】シフト反応器１４は、内部にシフト触媒が
充填された断熱構造の反応器であり、混合器１２を出た
混合ガス３ａを約２００〜４５０℃で断熱的にシフト反
応させるようになっている。シフト触媒には、低温用の
Ｃｕ−Ｚｒ系触媒又は高温用のＦｅ−Ｃｒ系触媒を用い
る。またシフト触媒の通気性を確保しかつ圧損を低く抑
えるために触媒はペレット状またはハニカム状であるの
がよい。

【００１９】燃料予熱器１６は、この例では改質器４を
出た高温の混合ガス３ｄ（改質ガス）と熱交換する間接
熱交換器であり、シフト反応による反応熱で昇温してシ
フト反応器１４を出た混合ガス３ｂをそのまま更に加熱
して改質器４に供給するように、十分な断熱および保温
が施されている。

【００２０】図１において、改質器４を出た混合ガス３
ｄは改質ガス或いはアノードガスとして燃料電池５のア
ノード側Ａに供給され、カソード側Ｃに供給されるカソ
ードガスと共に燃料電池５で発電する。発電後の排ガス
（アノード排ガスとカソード排ガス）の一部は燃焼器７
ａで燃焼し、ガスタービン７を駆動し、排熱ボイラ８で
熱回収して改質用の水蒸気２を発生させる。また、排ガ
ス（アノード排ガスとカソード排ガス）の残部は燃焼器
６で燃焼し、その燃焼ガスで改質器４の改質室Ｒｅを加
熱し、その排ガスに圧縮空気を混入してカソードガスと
して用いられる。なお、図１において、４’は断熱リフ
ォーマであり、アノード排ガスの一部を断熱的に再改質
して、発電性能を向上させるようになっている。

【００２１】図２は、デコーキング反応の温度と平衡定
数の関係図である。この図において、横軸は温度、縦軸
は（反応１）ＣＯ＋Ｈ₂→Ｃ＋Ｈ₂Ｏの平衡定数であ
る。また、図中の斜めの実線の曲線は理論上の炭素析出
線であり、その左下の領域は炭素析出領域であり、右上
の領域は炭素非析出領域である。更に、斜めの破線の曲
線は、実績上の炭素析出線である。また、図中の白丸○
は、経験上の炭素非析出点、黒丸●は、炭素析出点であ
る。

【００２２】同様に図３は、ブドワル反応の温度と平衡
定数の関係図である。この図において、縦軸は（反応
２）２ＣＯ→Ｃ＋ＣＯ₂の平衡定数である。また、その
他の曲線、白丸、黒丸は、図２と同様である。

【００２３】更に、表１は、本発明によるシフト反応器
１４の有無よるガス組成と反応定数を示している。この
表からわかるように、シフト反応器１４を設置すること
により、反応器出口でのガス組成はシフト反応により大
きく変化し、特にＣＯ濃度が大幅に低減し、かつ（反応
１）及び（反応２）の化学反応定数Ｋｐも変化する。

【００２４】

【表１】

【００２５】以下、図１、図２、図３及び表１を用い
て、本発明の方法を説明する。本発明の方法では、ＣＯ
ガスを含む燃料ガス１に改質用の水蒸気２を混入し、そ
の混合ガス３ａを約２００〜４５０℃で断熱的にシフト
反応させ、反応熱で昇温した混合ガス３ｂをそのまま更
に加熱して改質器４に供給する。この方法および上述し
た装置によれば、混合器１２を出た混合ガス３ａをシフ
ト反応をさせることにより、燃料予熱器１６に供給する
混合ガス３ｂのＣＯガス濃度を表１に示したように大幅
に低減することができる。

【００２６】また、シフト反応は、シフト触媒を用いる
ことにより、図２および図３に矢印Ａで示す炭素析出反
応が起きにくい約２００〜４５０℃の温度範囲で選択的
に進行させることができる。

【００２７】次いで、ＣＯガス濃度が低下し炭素析出反
応が起きにくくなった混合ガス３ｂを燃料予熱器１６に
よりそのまま更に加熱して改質器４に供給するので、炭
素析出反応が起こりやすい約５００〜６００℃の温度領
域（矢印Ｂで示す）を低いＣＯガス濃度と大きい平衡定
数で昇温することができ、そのまま改質器に適した温度
（例えば６００〜７００℃：矢印Ｃ）まで加熱すること
ができる。この温度領域では、上述したように、反応速
度は高まるが平衡定数が大きくなっており、更にＣＯガ
ス濃度が大幅に低下しているので、もはや炭素析出のお
それはほとんどなく安定して加熱することができる。

【００２８】また、シフト反応器１４を内部にシフト触
媒が充填された断熱構造の反応器とすることにより、冷
却を必要としないシンプルな構造にできる。また、発熱
反応によりガス温度が上昇するので、混合器１２に供給
する水蒸気の過熱温度を下げることができ、発電効率の
向上に寄与する。更にシフト反応により水蒸気量が若干
減少するが、炭素析出を防止するために過剰に入れる場
合に比較すると大幅に供給蒸気量を減らすことができ
る。従って、これらの相乗効果により、発電効率を２〜
３％程度向上させることができる。また、必要により、
天然ガス、都市ガスのみでの運転にも支障なく、燃料の
併用も可能である。

【００２９】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更でき
ることは勿論である。

【００３０】

【発明の効果】上述したように、本発明の方法及び装置
により、熱交換器での炭素析出を抑制し、ごみ等のガス
化溶融炉の高いＣＯ濃度ガスを燃料電池の燃料として使
用することが可能となる。

【００３１】従って、本発明の燃料電池用燃料処理方法
および装置は、高濃度のＣＯガスを含む燃料ガスを、過
剰な水蒸気を用いることなく、かつ炭素析出を抑えて改
質することができ、これにより流路閉塞を防止し、かつ
発電効率を高く維持することができる、等の優れた効果
を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料処理装置を用いた燃料電池発電設
備の構成図である。

【図２】デコーキング反応の温度と平衡定数の関係図で
ある。

【図３】ブドワル反応の温度と平衡定数の関係図であ
る。

【符号の説明】

１燃料ガス２水蒸気３ａ〜３ｄ混合ガス４改質器５燃料電池６，７ａ燃焼器７ガスタービン８排熱ボイラ１０燃料処理装置１２混合器１４シフト反応器１６燃料予熱器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者清水徹東京都江東区豊洲３丁目１番15号石川島播磨重工業株式会社東二テクニカルセンター内 (72)発明者伊藤和彦東京都江東区豊洲３丁目１番15号石川島播磨重工業株式会社東二テクニカルセンター内Ｆターム(参考） 4G040 EA03 EA06 EB14 EB16 EB32 EB42 EC08 5H027 AA02 BA01 BA09 BA17 BC19 DD02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＣＯガスを含む燃料ガス（１）に改質用
の水蒸気（２）を混入し、その混合ガス（３ａ）を約２
００〜４５０℃で断熱的にシフト反応させ、反応熱で昇
温した混合ガス（３ｂ）をそのまま更に加熱して改質器
に供給する、ことを特徴とする燃料電池用燃料処理方
法。
【請求項２】ＣＯガスを含む燃料ガス（１）に改質用
の水蒸気（２）を混入する混合器（１２）と、混合器を
出た混合ガス（３ａ）を約２００〜４５０℃で断熱的に
シフト反応させるシフト反応器（１４）と、反応熱で昇
温してシフト反応器を出た混合ガス（３ｂ）をそのまま
更に加熱して改質器（４）に供給する燃料予熱器（１
６）とを備える、ことを特徴とする燃料電池用燃料処理
装置。
【請求項３】前記シフト反応器（１４）は、内部にシ
フト触媒が充填された断熱構造の反応器である、ことを
特徴とする請求項２に記載の燃料電池用燃料処理装置