JP2002179406A - 燃料改質装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱効率が高く、構造が簡単で、小型化可能
で、ヒータなどを使用せずに脱硫器や蒸気発生器を容易
に最適温度に昇温して最適温度に精度よくコントロール
できる信頼性が高い燃料改質装置を提供する。 【解決手段】 原料炭化水素系燃料を脱硫する脱硫器
と、水蒸気を発生する蒸気発生器と、脱硫した炭化水素
系燃料を水素リッチなガスに水蒸気改質する固定床燃料
改質器とを備えた燃料改質装置であって、前記脱硫器と
前記蒸気発生器の少なくともいずれか一方を、前記固定
床燃料改質器の燃焼排ガス流路の管部分内に配置し燃焼
排ガスの顕熱によりこれらの昇温および温度保持を行
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料改質装置に関
するものであり、さらに詳しくは、都市ガスなどの原料
炭化水素系燃料ガスの水蒸気改質により水素リッチガス
を生成して燃料電池などに供給する燃料改質装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、都市ガスなどの原料炭化水素系燃
料ガスを水蒸気改質して水素リッチガスを生成し、得ら
れた水素リッチガスの化学エネルギーを燃料電池によっ
て直接電気エネルギーに変換するシステムが知られてい
る。

【０００３】従来のシステムにおいて、原料炭化水素系
燃料ガスは、図２１に示すような脱硫器２０、固定床燃
料改質器３０およびＣＯ変成器４０からなる燃料改質装
置５１Ｘの脱硫剤層２１、各触媒層３１、４１を通過す
ることにより、水素リッチガスに水蒸気改質される。都
市ガスには、ガス漏れ検知のためにターシャリーブチル
メルカプタン、ジメチルサルファイドなどの有機硫黄系
化合物の付臭剤が添加されている。硫黄分が原料燃料ガ
ス中に含まれると、水素リッチガスを生成する際に、燃
料改質器３０、ＣＯ変成器４０の各触媒が被毒されて活
性が低下するため、予め脱硫器２０にて硫黄分の除去が
行なわれる。

【０００４】脱硫器２０にて硫黄分が除去された燃料ガ
スは、水蒸気が添加された後に燃料改質器３０に送られ
る。水蒸気は、水蒸気発生器（図示せず）によりシステ
ム内を流れる冷却水などの水が、燃料電池本体（図示せ
ず）の排熱と熱交換されることによって生成される。燃
料改質器３０は、脱硫後の燃料ガスを、触媒反応により
水素に富むガス（水素リッチガス）に水蒸気改質する。
生成された水素リッチガスは一酸化炭素を含んでいるた
め、ＣＯ変成器４０にて余剰の水蒸気との反応により一
酸化炭素を二酸化炭素に変成して、一酸化炭素濃度の低
い水素リッチガスに改質する。上記のようにして得られ
た水素リッチガスは、燃料電池１２の負極に連続的に供
給されて、正極に供給される空気との間で電池反応を起
こして発電する。燃料改質器３０の触媒作用を高めるた
めに、燃料ガスまたは燃料電池から排出される未反応水
素ガスを燃焼するバーナなど５０を燃料改質器３０に取
り付けて、燃料改質器３０の昇温を行なっている。

【０００５】脱硫器２０における代表的な脱硫方法とし
て、原料燃料ガスに水素ガスを混合し、水素ガスと硫黄
化合物をＣｏ−Ｍｏ系やＮｉ−Ｍｏ系の触媒にて反応さ
せてＨ₂ Ｓとした後、Ｈ₂ ＳをＺｎＯ系の吸着剤と反応
させてＺｎＳとして硫黄分を吸着除去する水添脱硫法
や、Ｃｕ−Ｚｎ系やＣｕ−Ｚｎ−Ａｌ系の超高次脱硫剤
を用いる脱硫法などが知られている。

【０００６】脱硫器２０の脱硫作用を高めるには、脱硫
剤を昇温して２００℃〜４００℃の温度範囲に維持する
必要がある。そこで、図２１に示すように、脱硫器２０
に電気ヒーター５８を取り付けて、脱硫器２０の昇温を
行なうものも知られている。しかしながら、電気ヒータ
ーは、加熱するまでに数分程度の時間がかかるため、起
動前に予め電気ヒーターに電源を供給して、脱硫器を熱
しておく必要がある上、脱硫器に供給される燃料ガスの
量が変化した際に、脱硫器の温度上昇又は低下防止のた
めに電気ヒーターの温度を調節する制御機構が必要とな
るなど装置が大型化する問題があった。さらに、商用電
源などの電源のない場所では、電気ヒーターに供給する
電源は、燃料電池から得る必要があるため、燃料電池の
エネルギーの内部消費が高まって、燃料電池の熱効率が
低下する問題があった。

【０００７】そこで、燃焼排ガス流通路３２の外側に脱
硫器２０を配置して、燃焼排ガスのもつ熱を脱硫器２０
の昇温に利用する提案があるが（特開平１０−２６５２
０１号公報）、脱硫器２０を燃焼排ガス流通路３２の外
側に配置するため、燃焼排ガス流通路３２からの放熱に
よる熱ロスが生じて燃焼排ガスのもつ熱を全て有効に使
用できない上、脱硫器２０が燃焼排ガス流通路３２に接
する側と、燃焼排ガス流通路３２に接しない外側に温度
差が発生し脱硫器２０の温度を精度よくコントロールで
きず、脱硫性能を低下させるなどの問題がある。

【０００８】また、装置外に配置した熱交換器で燃焼排
ガスと、原料燃料ガスと水蒸気の混合物を熱交換して昇
温した後、燃料改質器の外側上部に配置した脱硫器で脱
硫する提案があるが（特開平１０−２０３８０１号公
報）、やはり燃焼排ガスのもつ熱を全て有効に使用でき
ない問題がある。

【０００９】一方、燃焼排ガス流通路内に脱硫器を配置
して、燃焼排ガスのもつ熱により脱硫器を昇温し、燃料
ガスを脱硫した後、脱硫した燃料ガスを配管により一旦
装置外にだし、次いで脱硫した燃料ガスを流動床燃料改
質器に導入して改質する流動床改質装置が提案されてい
る（特開平６−２４０２６８号公報）。しかし、この流
動床改質装置は構造が複雑な上、脱硫した燃料ガスを配
管により一旦装置外にだすので、熱ロスが大きく熱効率
が低下する上、配管を装置に固定する箇所に脱硫器の重
みがかかり、高温クリープによる配管の変形および破損
が起こる、熱応力集中による寿命低下などの原因とな
る、脱硫器の装着、脱着などの作業が困難であるなどの
問題がある。また、蒸気発生器の熱源としては前述の通
り燃料電池本体の排熱が利用されているが、特に固体高
分子型燃料電池のように１００℃程度の温度で動作する
燃料電池を用いる場合には蒸気発生器に供給される熱量
が少なく、このために蒸気発生器で生成される水蒸気に
脈動が生じ、改質器に供給される水蒸気量が不安定なも
のとなるために、安定した改質反応を行えないという問
題もあった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、都市
ガスなどの原料炭化水素系燃料ガスの水蒸気改質により
水素リッチガスを生成して燃料電池などに供給する燃料
改質装置に関する従来の諸問題を解決して、燃焼排ガス
のもつ熱を有効に使用して脱硫器または蒸気発生器ある
いは脱硫器と蒸気発生器を最適温度に昇温し、かつこれ
らの温度を最適温度に精度よくコントロールできる固定
床燃料改質器を備えた燃料改質装置であって、熱効率が
高く、構造が簡単で、小型化可能な燃料改質装置を提供
することである。また、原料炭化水素系燃料が脱硫剤層
に直接当たらないように、しかも脱硫剤層に対して均一
に供給でき、脱硫剤層の温度分布が均一になり、脱硫剤
の寿命が長くなり、脱硫器の寿命性能を向上できる、構
造が簡単で、小型化可能な燃料改質装置を提供する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の本発明の請求項１記載の燃料改質装置は、原料炭化水
素系燃料中に含まれる硫黄分を脱硫する脱硫器と、水を
気化させて水蒸気を発生する蒸気発生器と、脱硫した炭
化水素系燃料に水蒸気を添加して水素リッチなガスに改
質する固定床燃料改質器と、を備えた燃料改質装置であ
って、前記脱硫器と前記蒸気発生器の少なくともいずれ
か一方を、前記固定床燃料改質器の燃焼排ガス流路の管
部分内に配置し、主として燃焼排ガスの顕熱により前記
脱硫器または前記蒸気発生器の昇温および温度保持を行
うことを特徴とする。本発明の請求項１記載の燃料改質
装置は、脱硫器あるいは脱硫器と蒸気発生器の少なくと
もいずれか一方を、固定床燃料改質器の燃焼排ガス流路
の管部分内に配置し、主として燃焼排ガスの顕熱により
昇温および温度保持を行うようにしたので、熱効率が高
く、構造が簡単で、熱応力が集中して寿命低下を起こす
などの問題がなく、小型化可能であり、これらを最適温
度に昇温して最適温度に精度よくコントロールできる。

【００１２】本発明の請求項２記載の燃料改質装置は、
請求項１記載の燃料改質装置において、少なくとも前記
脱硫器を前記固定床燃料改質器の燃焼排ガス流路の管部
分内に配置した燃料改質装置であって、原料炭化水素系
燃料を燃焼排ガス流路外から、燃焼排ガス流路の前記管
部分の末端開口部を経て前記脱硫器へ供給することを特
徴とする。

【００１３】本発明の請求項３記載の燃料改質装置は、
請求項１記載の燃料改質装置において、少なくとも前記
脱硫器を前記固定床燃料改質器の燃焼排ガス流路の管部
分内に配置した燃料改質装置であって、原料炭化水素系
燃料を燃焼排ガス流路外から、燃焼排ガス流路の前記管
部分を貫通して設けた原燃料供給用配管を経て上記脱硫
器へ供給することを特徴とする。

【００１４】本発明の請求項４記載の燃料改質装置は、
請求項３記載の燃料改質装置において、前記管部分を燃
焼排ガス流れ方向に平行に縦に分割し、前記原燃料供給
用配管を分割した部分間に配置して固定することを特徴
とする。

【００１５】本発明の請求項５記載の燃料改質装置は、
請求項３あるいは請求項４記載の燃料改質装置におい
て、前記原燃料供給用配管に設けた開口部から上記脱硫
器の脱硫剤層とは逆斜め上方向に原料炭化水素系燃料を
供給することを特徴とする。

【００１６】本発明の請求項６記載の燃料改質装置は、
請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料改質装置
において、少なくとも前記脱硫器を前記固定床燃料改質
器の燃焼排ガス流路の管部分内に配置した燃料改質装置
であって、前記脱硫器に燃焼排ガス流れ方向に平行に貫
通する複数本の熱交換用燃焼排ガス流通路を設けたこと
を特徴とする。

【００１７】本発明の請求項７記載の燃料改質装置は、
請求項６記載の燃料改質装置において、前記熱交換用燃
焼排ガス流通路は、その内径が８ｍｍ以上であることを
特徴とする。

【００１８】本発明の請求項８記載の燃料改質装置は、
請求項６あるいは請求項７記載の燃料改質装置におい
て、隣接する前記熱交換用燃焼排ガス流通路間の間隙が
５〜３０ｍｍであることを特徴とする。

【００１９】本発明の請求項９記載の燃料改質装置は、
請求項１から請求項８のいずれかに記載の燃料改質装置
において、少なくとも前記脱硫器を前記固定床燃料改質
器の燃焼排ガス流路の管部分内に配置した燃料改質装置
であって、前記脱硫器中を流れる原料炭化水素系燃料は
燃焼排ガス流れ方向に対向して流れることを特徴とす
る。

【００２０】本発明の請求項１０記載の燃料改質装置
は、請求項１から請求項９のいずれかに記載の燃料改質
装置において、燃焼排ガス流路の前記管部分の径は、前
記固定床燃料改質器の外側の径と略一致することを特徴
とする。

【００２１】本発明の請求項１１記載の燃料改質装置
は、請求項１から請求項０１のいずれかに記載の燃料改
質装置において、前記脱硫器または前記蒸気発生器、あ
るいは前記脱硫器と前記蒸気発生器が、燃焼排ガス流路
の前記管部分の内壁との間に間隙を置いて配置され、燃
焼排ガスが流れるための空間を有することを特徴とす
る。

【００２２】本発明の請求項１２記載の燃料改質装置
は、請求項１１記載の燃料改質装置において、前記脱硫
器と前記管部分の内壁との間に、または前記蒸気発生器
と前記管部分の内壁との間に、あるいは前記脱硫器と前
記蒸気発生器と前記管部分の内壁との間に、前記間隙を
均一に維持するためのスペーサを前者の場合は少なくと
も３個配置し、後者の場合はそれぞれに少なくとも３個
配置したことを特徴とする。

【００２３】本発明の請求項１３記載の燃料改質装置
は、請求項１から請求項１２のいずれかに記載の燃料改
質装置において、複数個設けた蒸気発生器の間に前記脱
硫器を配置したことを特徴とする。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、図面により本発明の実施の
形態を詳細に説明する。 （１）第１実施形態：脱硫器のみを燃焼排ガス流路の管
部分内に配置した燃料改質装置について説明する。 （１−１）図１は、脱硫器と燃焼排ガス流路の管部分の
内壁との間に間隙がない本発明の燃料改質装置の一実施
の形態を説明する説明図であり、図２は図１に示した脱
硫器の一実施の形態を説明する説明図である。図１にお
いて、本発明の燃料改質装置５１は、原料炭化水素系燃
料中に含まれる硫黄分を脱硫する脱硫剤層２１（水添脱
硫触媒：Ｃｏ−Ｍｏ系触媒と吸着剤ＺｎＯとの組み合わ
せ、または、水添脱硫触媒：Ｃｏ−Ｍｏ系触媒と吸着剤
ＺｎＯと銅−亜鉛系または銅−亜鉛−アルミニウム系脱
硫剤の組み合わせ）を備えた脱硫器２０と、水を気化さ
せて水蒸気を発生する図示しない蒸気発生器と、脱硫し
た炭化水素系燃料に水蒸気を添加して水素リッチなガス
に改質する固定床燃料改質器３０とを備えている。そし
て、脱硫器２０は、触媒層３１を備えた固定床燃料改質
器３０の燃焼排ガス流路（図中、破線矢印で燃焼排ガス
の流れを示す）の管部分３３内に配置してあり、脱硫器
２０に燃焼排ガス流れ方向に平行に貫通して設けた複数
本の熱交換用燃焼排ガス流通路３７（図２参照）内を燃
焼排ガスが上方に流れることにより主としてこの燃焼排
ガスの顕熱により脱硫器２０の昇温および温度保持を行
うようになっている。

【００２５】燃料改質器３０の下部には、燃料ガスまた
は燃料電池から排出される未反応水素ガスなどの燃料を
燃焼するバーナ５０が取り付けてあり、その燃焼ガスに
より触媒層３１の昇温および温度保持が行われる。原料
炭化水素系燃料は、燃焼排ガス流路外から、燃焼排ガス
流路の管部分３３の末端開口部３４を経て原燃料供給用
配管３６を通って、脱硫器２０の上部へ供給され（図
中、実線矢印で燃料ガスの流れを示す）、適温に昇温、
温度保持された脱硫剤層２１を通過することにより脱硫
される。原料炭化水素系燃料を管部分３３の末端開口部
３４を経て脱硫器２０へ供給することにより、原料炭化
水素系燃料を燃焼排ガスで効率よく予熱して容易に脱硫
器２０へ供給できる。

【００２６】そして、脱硫された燃料ガスは、燃焼排ガ
ス流路外から、管部分３３を貫通して設けた水蒸気供給
用配管３５を経て供給された水蒸気と混合されて、固定
床燃料改質器３０の上部に供給され、適温に昇温、温度
保持された触媒層３１を通過することにより触媒反応に
より水素に富むガス（水素リッチガス）に水蒸気改質さ
れる。

【００２７】脱硫器２０に設けた熱交換用燃焼排ガス流
通路３７中を流れる原料炭化水素系燃料は燃焼排ガス流
れ方向に対向して流れるようになっているので熱交換効
率が高い。

【００２８】管部分３３の径ｄ２は、固定床燃料改質器
３０の外側の径ｄ１と略一致するように形成されてお
り、そして管部分３３が固定床燃料改質器３０の上部に
連続して装着・連結されているので、組み立て、解体な
どが容易である上、燃焼排ガスの流れを妨げずスムーズ
にして、燃焼排ガスの有する熱を有効利用できる。

【００２９】図１および図２に示したように、脱硫器２
０には、燃焼排ガス流れ方向に平行に脱硫器２０を貫通
する複数本の熱交換用燃焼排ガス流通路３７が設けられ
ており、熱交換用燃焼排ガス流通路３７を経て燃焼排ガ
スが流れるので、昇温速度が早くなり、かつ脱硫剤層２
１内の温度が均一になり、脱硫器２０の温度保持をより
容易に精度よく行うことができる。

【００３０】熱交換用燃焼排ガス流通路３７の内径ｄ４
は燃焼排ガスに含まれる水蒸気が結露した場合に、水滴
によって通路３７内に成膜しないように、８ｍｍ以上で
あることが望ましい。８ｍｍ未満では水が詰まる恐れが
あり、水が詰まった部分は温度が上がらず、脱硫反応が
行われないか、脱硫反応効率が低下する恐れがある。ま
た、一方、内径が大きすぎると脱硫器２０内の容積が小
さくなり脱硫剤（通常、径３〜５ｍｍ程度、長さ５〜１
０ｍｍ程度のペレット）を適量充填できなくなるので、
当然のことながら脱硫器２０の径より小さい範囲で適当
な内径ｄ４にすることが好ましい。

【００３１】熱交換用燃焼排ガス流通路３７と隣接する
熱交換用燃焼排ガス流通路３７の間隙Ｌは５〜３０ｍ
ｍ、好ましくは５〜２０ｍｍであることが望ましい。５
ｍｍ未満では脱硫剤を充填できない恐れがあり、３０ｍ
ｍを超えると熱が伝わりにくく昇温が遅れたり、脱硫剤
層２１内の温度が不均一になる恐れがあり好ましくな
い。

【００３２】本発明の燃料改質装置５１は、上記のよう
に構成することにより、燃焼排ガスのもつ熱を有効に使
用して脱硫器２０や固定床燃料改質器３０を最適温度に
昇温できるとともに、温度を最適温度に精度よくコント
ロールできる。また、熱効率が高く、構造が簡単で、熱
応力が集中して寿命低下を起こすなどの問題がなく、小
型化も可能である。

【００３３】（１−２）図３は、脱硫器と燃焼排ガス流
路の管部分の内壁との間に間隙がない本発明の燃料改質
装置の他の実施の形態を説明する説明図であり、図４は
図３に示した燃料改質装置の管部分を説明する説明図で
ある。図３において、本発明の燃料改質装置５１Ａは、
原料炭化水素系燃料が燃焼排ガス流路外から、管部分３
３を貫通して設けた原燃料供給用配管３６を経て脱硫器
２０へ供給される以外は図１に示した本発明の燃料改質
装置５１と同様になっている。本発明の燃料改質装置５
１Ａは図１に示した本発明の燃料改質装置５１と同様の
作用効果を奏するとともに、管部分３３を貫通して設け
た原燃料供給用配管３６を経て脱硫器２０へ供給される
ので構造がより簡単になる。

【００３４】図４に示すように、管部分３３を燃焼排ガ
ス流れ方向（図中、破線矢印で燃焼排ガスの流れを示
す）に平行に縦に３３Ａ部分と３３Ｂ部分とに分割し
て、３３Ａ部分と３３Ｂ部分との間に原燃料供給用配管
３６を配置して固定できるようになっている。このよう
に構成することにより、脱硫器２０を蒸気発生器などや
他の反応器と接続する場合などに、管部分３３を３３Ａ
部分と３３Ｂ部分とに分割すれば、作業を容易に行うこ
とができる上、必要に応じて管部分３３を３３Ａ部分と
３３Ｂ部分とに分割して、脱硫器２０あるいは脱硫剤層
２１の装着、取り替え、修理などを容易に行うことがで
きる。

【００３５】（１−３）図５は、脱硫器と燃焼排ガス流
路の管部分の内壁との間に間隙を設けた本発明の燃料改
質装置の他の実施の形態を説明する説明図であり、図６
は図５に示した燃料改質装置の脱硫器のスペーサを説明
する説明図である。図５において、本発明の燃料改質装
置５１Ｂは、脱硫器２０が、燃焼排ガス流路の管部分３
３の内壁との間に間隙ｄ３を置いて配置され、脱硫器２
０と管部分３３の内壁との間に燃焼排ガスが流れるため
の空間を有しており、脱硫器２０に熱交換用排ガス流通
路３７が設けられていない以外は、図３に示した本発明
の燃料改質装置５１Ａと同様になっている。

【００３６】間隙ｄ３を設けないと、脱硫器２０が管部
分２０の内壁に接しているため、その部分から放熱が生
じ脱硫剤層２１内の温度にバラツキが生じるが、本発明
の燃料改質装置５１Ｂは間隙ｄ３を経て燃焼排ガスが流
れるための空間を有するので、図３に示した本発明の燃
料改質装置５１Ａと同様の作用効果を奏するとともに、
脱硫剤層２１内の温度が均一になり、管部分３３内に配
置した脱硫器２０の昇温および温度保持をより容易に精
度よく行うことができる。

【００３７】図６に示すように、脱硫器２０と管部分３
３の内壁との間に、複数のスペーサ２２を配置すれば、
間隙ｄ３を均一に維持することができ、運転時などある
いは特に昇温時に脱硫器２０の管部分３３側と脱硫器２
０の中心部分との温度差が減少し均一になる。スペーサ
２２は脱硫器２０の円周上に少なくとも３個均等間隔で
配置すれば、間隙ｄ３を均一に維持できる。

【００３８】図６に示すように、脱硫器２０へ原料炭化
水素系燃料を供給する配管３６に対面する脱硫器２０の
円周上側に、スペーサ２２が他のスペーサ２２とは異な
る小さい間隔で設置されているが、これは図４に示すよ
うに分割した管部分３３の３３Ａ部分と３３Ｂ部分とを
組み合わせた場合に、組み合わせ部分においても脱硫器
２０と管部分３３の内壁との間に同一間隙ｄ３を容易に
維持できるようにするためである。

【００３９】（１−４）図７は、脱硫器と燃焼排ガス流
路の管部分の内壁との間に間隙を設けるとともに脱硫器
に燃焼排ガス流れ方向に平行に脱硫器を貫通する複数本
の熱交換用燃焼排ガス流通路を設けた本発明の燃料改質
装置の他の実施の形態を説明する説明図である。図７に
示した脱硫器２０には、燃焼排ガス流れ方向に平行に脱
硫器２０を貫通する複数本の熱交換用燃焼排ガス流通路
３７が設けられている。図７に示した本発明の燃料改質
装置５１Ｃは、脱硫器２０を貫通する複数本の熱交換用
燃焼排ガス流通路３７が設けられている以外は、図５に
示した燃料改質装置５１Ｂと同様になっている。

【００４０】熱交換用燃焼排ガス流通路３７の内径ｄ４
や熱交換用燃焼排ガス流通路３７と隣接する熱交換用燃
焼排ガス流通路３７の間隙Ｌについては図２に関して述
べたように設計することが望ましい。

【００４１】本発明の燃料改質装置５１Ｃは、図５に示
した燃料改質装置５１Ｂと同様の作用効果を奏するとと
もに、脱硫器２０に熱交換用排ガス流通路３７を設ける
ことにより、熱交換用燃焼排ガス流通路３７を経て燃焼
排ガスが流れるので、昇温速度が早くなり、かつ脱硫剤
層２１内の温度が一層均一になり、脱硫器２０の昇温お
よび温度保持をより容易に精度よく行うことができる。

【００４２】また、本発明の他の燃料改質装置５１Ｃ
は、管部分３３の径ｄ２を固定床燃料改質器３０の外側
の径ｄ１と略一致するように形成し、そして脱硫器２０
と固定床燃料改質器３０とを近接して配置することによ
り、燃焼排ガスの顕熱により脱硫器２０の昇温および温
度維持を行うと同時に、改質器２０からの輻射熱によっ
ても脱硫器２０の昇温および温度維持を行うことができ
るので、全体の熱効率を一層向上できる。

【００４３】（２）第２実施形態：蒸気発生器のみを燃
焼排ガス流路の管部分内に配置した燃料改質装置につい
て説明する。 （２−１）図８は、蒸気発生器と燃焼排ガス流路の管部
分の内壁との間に間隙がない本発明の燃料改質装置の他
の実施の形態を説明する説明図である。図８において、
本発明の燃料改質装置５１Ｄの蒸気発生器１０は、燃焼
排ガス流路（図中、破線矢印で燃焼排ガスの流れを示
す）の管部分３３内に配置してあり、蒸気発生器１０に
燃焼排ガス流れ方向に平行に貫通して設けた複数本の熱
交換用燃焼排ガス流通路３７内を燃焼排ガスが上方に流
れることにより主としてこの燃焼排ガスの顕熱により蒸
気発生器１０の昇温および温度保持を行うようになって
いる。

【００４４】そして、燃焼排ガス流路外から水が矢印で
示すように、管部分３３を貫通して設けた水供給用配管
１１を経て蒸気発生器１０へ供給されて蒸気発生器１０
で加熱されて水蒸気となる。蒸気発生器１０中を流れる
水蒸気は燃焼排ガス流れ方向に対向して流れるようにな
っているので熱交換効率が高い。その結果、蒸気発生器
１０の昇温速度が早くなり、かつ蒸気発生器１０内の温
度が均一になり、温度保持をより容易に精度よく行うこ
とができる。

【００４５】一方、図示しない脱硫器で脱硫された燃料
ガスは、燃焼排ガス流路外から矢印で示すように、管部
分３３を貫通して設けた脱硫燃料ガス配管３９を経て供
給されて蒸気発生器１０で発生した水蒸気と混合され
て、固定床燃料改質器３０の上部に供給され、適温に昇
温、温度保持された触媒層３１を通過することにより触
媒反応により水素に富むガス（水素リッチガス）に水蒸
気改質される。

【００４６】燃料改質器３０の下部には、燃料ガスまた
は燃料電池から排出される未反応水素ガスなどの燃料を
燃焼するバーナ５０が取り付けてあり、その燃焼ガスに
より触媒層３１の昇温および温度保持が行われる。

【００４７】管部分３３の径ｄ２は、固定床燃料改質器
３０の外側の径ｄ１と略一致するように形成されてお
り、そして管部分３３が固定床燃料改質器３０の上部に
連続して装着・連結されているので、組み立て、解体な
どが容易である上、燃焼排ガスの流れを妨げずスムーズ
にして、燃焼排ガスの有する熱を有効利用できる。

【００４８】本発明の燃料改質装置５１Ｄは、上記のよ
うに構成することにより、燃焼排ガスのもつ熱を有効に
使用して蒸気発生器１０や固定床燃料改質器３０を最適
温度に昇温できるとともに、温度を最適温度に精度よく
コントロールできる。また、熱効率が高く、構造が簡単
で、熱応力が集中して寿命低下を起こすなどの問題がな
く、小型化も可能である。

【００４９】（２−２）図９は、蒸気発生器と燃焼排ガ
ス流路の管部分の内壁との間に間隙を設けた本発明の燃
料改質装置の他の実施の形態を説明する説明図である。
図９において、本発明の燃料改質装置５１Ｅは、蒸気発
生器１０が、燃焼排ガス流路の管部分３３の内壁との間
に間隙ｄ３を置いて配置され、蒸気発生器１０と管部分
３３の内壁との間に燃焼排ガスが流れるための空間を有
しており、蒸気発生器１０に熱交換用排ガス流通路３７
が設けられていない以外は、図８に示した本発明の燃料
改質装置５１Ｄと同様になっている。

【００５０】間隙ｄ３を設けないと、蒸気発生器１０が
管部分２０の内壁に接しているため、その部分から放熱
が生じ内部の温度にバラツキが生じるが、本発明の燃料
改質装置５１Ｅは間隙ｄ３を経て燃焼排ガスが流れるた
めの空間を有するので、図８に示した本発明の燃料改質
装置５１Ｄと同様の作用効果を奏するとともに、蒸気発
生器１０内の温度が均一になり、管部分３３内に配置し
た蒸気発生器１０の昇温および温度保持をより容易に精
度よく行うことができる。

【００５１】前記図６において脱硫器２０に設けたスペ
ーサについて説明したように、蒸気発生器１０と管部分
３３の内壁との間に、同様にして複数のスペーサ２２を
配置すれば、間隙ｄ３を均一に維持することができ、運
転時などあるいは特に昇温時に蒸気発生器１０の管部分
３３側と蒸気発生器１０の中心部分との温度差が減少し
均一になる。スペーサ２２は蒸気発生器１０の円周上に
少なくとも３個均等間隔で配置すれば、間隙ｄ３を均一
に維持できる。

【００５２】（２−３）図１０は、蒸気発生器と燃焼排
ガス流路の管部分の内壁との間に間隙を設けるとともに
蒸気発生器に燃焼排ガス流れ方向に平行に蒸気発生器を
貫通する複数本の熱交換用燃焼排ガス流通路を設けた本
発明の燃料改質装置の他の実施の形態を説明する説明図
である。図１０に示した本発明の燃料改質装置５１Ｆ
は、燃焼排ガス流れ方向に平行に蒸気発生器１０を貫通
する複数本の熱交換用燃焼排ガス流通路３７が設けられ
ている以外は、図９に示した燃料改質装置５１Ｅと同様
になっている。本発明の燃料改質装置５１Ｆは、図９に
示した燃料改質装置５１Ｅと同様の作用効果を奏すると
ともに、蒸気発生器１０に熱交換用排ガス流通路３７を
設けることにより、熱交換用燃焼排ガス流通路３７を経
て燃焼排ガスが流れるので、昇温速度が早くなり、かつ
内部の温度が均一になり、蒸気発生器１０の昇温および
温度保持をより一層容易に精度よく行うことができる。

【００５３】（３）第３実施形態：脱硫器および蒸気発
生器を燃焼排ガス流路の管部分内に配置した燃料改質装
置について説明する。 （３−１）図１１は、脱硫器および蒸気発生器と燃焼排
ガス流路の管部分の内壁との間に間隙がない本発明の燃
料改質装置の他の実施の形態を説明する説明図である。
図１１において、本発明の燃料改質装置５１Ｇは、原料
炭化水素系燃料中に含まれる硫黄分を脱硫する脱硫剤層
２１（水添脱硫触媒：Ｃｏ−Ｍｏ系触媒と吸着剤ＺｎＯ
との組み合わせ、または、水添脱硫触媒：Ｃｏ−Ｍｏ系
触媒と吸着剤ＺｎＯと銅−亜鉛系または銅−亜鉛−アル
ミニウム系脱硫剤の組み合わせ）を備えた脱硫器２０
と、水を気化させて水蒸気を発生する蒸気発生器１０
と、脱硫した炭化水素系燃料に水蒸気を添加して水素リ
ッチなガスに改質する固定床燃料改質器３０とを備えて
いる。そして、脱硫器２０と蒸気発生器１０とを、触媒
層３１を備えた固定床燃料改質器３０の燃焼排ガス流路
（図中、破線矢印で燃焼排ガスの流れを示す）の管部分
３３内に上から順に配置し、脱硫器２０および蒸気発生
器１０に燃焼排ガス流れ方向に平行に貫通して設けた複
数本の熱交換用燃焼排ガス流通路３７内を燃焼排ガスが
上方に流れることにより主として燃焼排ガスの顕熱によ
り蒸気発生器１０と脱硫器２０の昇温および温度保持を
行うようになっている。

【００５４】固定床燃料改質器３０の下部には、燃料ガ
スまたは燃料電池から排出される未反応水素ガスなどの
燃料を燃焼するバーナ５０が取り付けてあり、その燃焼
ガスにより触媒層３１の昇温および温度保持が行われ
る。

【００５５】原料炭化水素系燃料は、燃焼排ガス流路外
から、管部分３３を貫通して設けた原燃料供給用配管３
６を経て脱硫器２０へ供給され（図中、実線矢印で燃料
ガスの流れを示す）、脱硫される。一方、燃焼排ガス流
路外から水が矢印で示すように、管部分３３を貫通して
設けた水供給用配管１１を経て蒸気発生器１０へ供給さ
れて蒸気発生器１０で加熱されて水蒸気となる。

【００５６】脱硫された燃料ガスは蒸気発生器１０にて
蒸気発生器１０で発生した水蒸気と混合されて、固定床
燃料改質器３０の上部に供給され、適温に昇温、温度保
持された触媒層３１を通過することにより触媒反応によ
り水素に富むガス（水素リッチガス）に水蒸気改質され
る。

【００５７】脱硫器２０中を流れる原料炭化水素系燃料
および蒸気発生器１０中を流れる水蒸気は燃焼排ガス流
れ方向に対向して流れるようになっているので熱交換効
率が高い。

【００５８】管部分３３の径ｄ２は、固定床燃料改質器
３０の外側の径ｄ１と略一致するように形成されてお
り、そして管部分３３が固定床燃料改質器３０の上部に
連続して装着・連結されているので、組み立て、解体な
どが容易である上、燃焼排ガスの流れを妨げずスムーズ
にして、燃焼排ガスの有する熱を有効利用できる。

【００５９】脱硫器２０に充填されている脱硫剤は高水
蒸気濃度下においては、脱硫性能が低下するだけでな
く、脱硫剤自身の劣化を招く。よって、水蒸気改質反応
に必要な水蒸気（水）を脱硫器２０の脱硫剤に接触させ
ないように、蒸気発生器１０は脱硫器２０と固定床燃料
改質器３０との間に設置する必要がある。

【００６０】本発明の燃料改質装置５１Ｇは、脱硫器２
０とともに蒸気発生器１０も燃焼排ガス流路の管部分３
３内に設置することにより、脱硫器２０および蒸気発生
器１０の加熱用熱源（バーナなど）が不要になる。脱硫
器２０と蒸気発生器１０を一体化して管部分３３内に設
置することにより、脱硫器２０−蒸気発生器１０−固定
床燃料改質器３０間の配管を燃料改質装置５１Ｇ外でと
り回しすることがなくなり、構造が簡単になる上、配管
を燃料改質装置５１Ｇ外でとり回さないので配管からの
放熱による熱ロスが生ぜず、熱ロスの低減が可能とな
る。

【００６１】蒸気発生器１０を脱硫器２０と固定床燃料
改質器３０との間に設置することにより、蒸気発生器１
０の昇温、温度維持を燃焼排ガスの顕熱だけでなく、固
定床燃料改質器３０からの輻射熱によっても行うことが
可能で、熱ロス低減になり、熱効率の向上になる。

【００６２】脱硫器２０と固定床燃料改質器３０との間
に蒸気発生器１０がない場合は、固定床燃料改質器３０
からの輻射熱によって脱硫器２０の温度が目的の温度
（約２００℃〜３５０℃）以上になる場合があり、この
温度が凡そ４３０℃以上になると炭化水素の熱分解や水
添分解反応が促進され、暴走反応を起こす恐れがある。
しかし、蒸気発生器１０を介在させることにより脱硫器
２０の温度を均一に制御、維持して、このような暴走反
応を防ぐことができる。

【００６３】上記の実施の形態では蒸気発生器１０は、
図１１に示した構造のものを例示したが、蒸気発生器１
０の構造は特にこれに限定されず、パイプをスパイラル
状にした構成のものでもよい。

【００６４】（３−２）図１２は、脱硫器および蒸気発
生器と燃焼排ガス流路の管部分の内壁との間に間隙を設
けた本発明の燃料改質装置の他の実施の形態を説明する
説明図である。図１２において、本発明の燃料改質装置
５１Ｈは、脱硫器２０および蒸気発生器１０が、いずれ
も燃焼排ガス流路の管部分３３の内壁との間に間隙ｄ３
を置いて配置され、脱硫器２０および蒸気発生器１０と
管部分３３の内壁との間に燃焼排ガスが流れるための空
間を有しており、そして脱硫器２０および蒸気発生器１
０に熱交換用燃焼排ガス流通路３７が設けられていない
以外は、図１１に示した本発明の燃料改質装置５１Ｇと
同様になっている。

【００６５】間隙ｄ３を設けないと、脱硫器２０および
蒸気発生器１０が管部分２０の内壁に接しているため、
その部分から放熱が生じ脱硫剤層２１内の温度および蒸
気発生器１０の温度にバラツキが生じるが、本発明の燃
料改質装置５１Ｈは間隙ｄ３を経て燃焼排ガスが流れる
ための空間を有するので、図１１に示した本発明の燃料
改質装置５１Ｇと同様の作用効果を奏するとともに、脱
硫剤層２１内の温度および蒸気発生器１０内の温度が均
一になる。

【００６６】前述の図６に示すように、脱硫器２０と管
部分３３の内壁との間に、複数のスペーサ２２を配置
し、図示しないが蒸気発生器１０についても同様に管部
分３３の内壁との間に、複数のスペーサ２２を配置すれ
ば、前記間隙ｄ３を均一に維持することができるので、
脱硫器２０内の温度および蒸気発生器１０内の温度をよ
り均一にすることができる。

【００６７】また、管部分３３は、前述の図４に示すよ
うに燃焼排ガス流れ方向に平行に縦に３３Ａ部分と３３
Ｂ部分とに分割して、３３Ａ部分と３３Ｂ部分との間に
原燃料供給用配管３６や水供給用配管１１を配置して固
定できるようになっており、脱硫器２０、蒸気発生器１
０を管部分３３によって挟み込んで装着する構造として
いるため脱硫器２０、蒸気発生器１０全体を管部分３３
の管壁によってよく保持することができる。

【００６８】（３−３）図１３は、脱硫器および２つの
蒸気発生器と燃焼排ガス流路の管部分の内壁との間に間
隙を設けた本発明の燃料改質装置の他の実施の形態を説
明する説明図である。図１３に示した本発明の燃料改質
装置５１Ｊは、２個設けた蒸気発生器１０Ａおよび１０
Ｂの間に脱硫器２０を配置し、脱硫器２０で脱硫した炭
化水素系燃料を蒸気発生器１０Ａに投入する配管３８を
設けた以外は、図１２に示した燃料改質装置５１Ｈと概
略同様になっている。

【００６９】本発明の燃料改質装置５１Ｊにおいて、水
供給用配管１１を経て蒸気発生器１０Ａに投入された水
蒸気改質用の水は、蒸気発生器１０Ａで昇温されまたは
気化する。一方、燃焼排ガス流路外から、燃焼排ガス流
路の管部分３３を貫通して設けた原燃料供給用配管３６
を経て脱硫器２０へ供給された原料炭化水素系燃料は、
適温に昇温、温度保持された脱硫剤層２１を通過するこ
とにより脱硫され、脱硫された燃料ガスは配管３８を経
て上方の蒸気発生器１０Ａに送られ、昇温されまたは気
化された水と混合される（蒸気発生器１０Ａの出口ガス
温度は例えば約１５０℃〜３００℃）。

【００７０】そして混合ガスは脱硫器２０の脱硫剤層２
１（温度は例えば約２００℃〜３５０℃）には接触せず
に脱硫器２０を通って燃焼排ガス流の上流に位置する蒸
気発生器１０Ｂに入り、蒸気発生器１０Ｂで昇温され、
固定床燃料改質器３０に投入される。

【００７１】蒸気発生器を蒸気発生器１０Ａおよび蒸気
発生器１０Ｂに分割し、脱硫器２０を蒸気発生器１０Ａ
と蒸気発生器１０Ｂの間に配置することにより、燃焼排
ガス顕熱を有効に利用することができる。また、蒸気発
生器１０Ｂがない場合は、前述のように固定床燃料改質
器３０からの輻射熱によって脱硫器２０の温度が目的の
温度以上になる場合があり、この温度が凡そ４３０℃以
上になると炭化水素の熱分解や水添分解反応が促進さ
れ、暴走反応を起こす恐れがある。しかし、蒸気発生器
１０Ｂを介在させることにより脱硫器２０の温度を均一
に制御、維持して、このような暴走反応を防ぐことがで
きる。

【００７２】脱硫器２０の温度は、脱硫剤にも依存する
が、１５０℃以上、望ましくは２５０℃以上に維持する
ことにより脱硫性能を長時間維持可能である。そのた
め、脱硫器２０と熱交換した燃焼排ガス（脱硫器１０よ
り上方へ流れる燃焼排ガス）の温度は、少なくとも脱硫
器２０の温度より高く、この顕熱を利用することが本発
明の燃料改質装置５１Ｊの効率向上につながる。よっ
て、脱硫器２０の上方に配置した蒸気発生器１０Ａによ
り、炭化水素系燃料と水の温度を脱硫器２０の温度付近
まで上昇させ、その後下方の蒸気発生器１０Ｂにて水蒸
気改質に必要な所定の温度まで上昇させる。

【００７３】具体的には、例えば原料炭化水素系燃料
を、図示しない改質反応器（ＣＯ変成器、ＣＯ除去器な
ど）の反応熱、余剰熱などにより別途余熱した後、水素
を添加して脱硫器２０内に投入することが好ましい。

【００７４】約２００〜３５０℃に維持された脱硫器２
０内にて、原料炭化水素系燃料ガスが加熱され、脱硫器
２０の出口（配管３８の位置）で脱硫器２０とほぼ同等
の温度になる。一方、水は蒸気発生器１０Ａにて加熱さ
れ、そして蒸気発生器１０Ａに配管３８を経て送入され
た脱硫された炭化水素系燃料と混合して、蒸気発生器１
０Ａの出口にて脱硫器２０の温度より少し高めの温度に
なって蒸気発生器１０Ｂに投入される。蒸気発生器１０
Ｂで、さらに昇温され、改質触媒層３１に投入される。

【００７５】本発明の燃料改質装置５１Ｊは、上記のよ
うに構成することにより、燃焼排ガスのもつ熱を有効に
使用して脱硫器２０、蒸気発生器１０Ａ、蒸気発生器１
０Ｂおよび固定床燃料改質器３０を最適温度に昇温し
て、温度を最適温度に精度よくコントロールできる。ま
た、熱効率が高く、構造が簡単で、熱応力が集中して寿
命低下を起こすなどの装置上の問題がなく、小型化可能
である。

【００７６】（４）第４実施形態：原燃料供給用配管に
設けた開口部から脱硫器の脱硫剤層とは逆斜め上方向に
原料炭化水素系燃料を供給するようにした燃料改質装置
について説明する。 （４−１）図１４は、原燃料供給用配管３６の先端の開
口部を障壁６０で一部閉塞した後、原燃料供給用配管３
６の先端部上方に開口部６１を設け、原料炭化水素系燃
料を開口部６１を経て脱硫器２０の脱硫剤層２１とは逆
斜め上方向へ供給するようにした本発明の燃料改質装置
５１Ｋを説明する説明図である。

【００７７】図１５の（イ）は原燃料供給用配管３６の
先端部の平面説明図であり、（ロ）は原燃料供給用配管
３６の先端部の断面説明図であり、（ハ）は原燃料供給
用配管３６の先端部の前面説明図である。

【００７８】図中の数字は後述するテストに使用した配
管径３／８インチの原燃料供給用配管３６の開口部６１
の一例を示すものである。

【００７９】原燃料供給用配管３６中を流れる原料炭化
水素系燃料は開口部６１を経て矢印で示すように脱硫剤
層２１とは逆斜め上方向に噴き出すとともに、一部は障
壁６０に当たって上方に噴き出して脱硫器２０へ供給さ
れる。

【００８０】このようにして原料炭化水素系燃料を脱硫
器２０へ供給すると、原料炭化水素系燃料が脱硫剤層２
１に直接当たることがなくなり、しかも脱硫剤層２１に
対して均一に供給できるので、脱硫剤層２１の温度分布
が均一になり、脱硫剤の寿命が長くなり、脱硫器２０の
寿命性能を向上できる。

【００８１】従来は、例えば原燃料供給用配管３６の先
端部を上方に曲げて、原料炭化水素系燃料を上方に噴き
出すようにすることも行われていたが、この方法は脱硫
器２０の上部に余計なスペースが必要となるために脱硫
器２０の容積が大きくなり、小型化できない問題があっ
た。

【００８２】次に、図１５（イ）〜（ハ）に示した原燃
料供給用配管３６を用いた場合（Ａ）と、図１５中に記
載の５ｍｍを８ｍｍに変更した以外は図１５に示したも
のと同じ原燃料供給用配管３６を用いた場合（Ｂ）と、
障壁６０や新たな開口部６１を設けることなく配管径１
／２インチのパイプをそのまま原燃料供給用配管３６と
して用いた場合（Ｃ）とで、脱硫剤層２１の温度分布が
どのように変化するかをテストした結果を述べる。

【００８３】脱硫器２０（外径約１３０ｍｍ）の脱硫剤
層２１の温度を約２７０℃にした後、原燃料供給用配管
３６から窒素ガスを噴き出し、４５分後に脱硫器２０の
図１６に示した箇所（Ａ〜Ｅ）の脱硫剤層２１の上から
１ｃｍ中に入った所の温度を測定した結果を、縦軸に脱
硫剤層２１の温度（℃）、横軸に時間（分）をとり、図
１７〜図１９に示す。

【００８４】図１７は、本発明に係わる図１５（イ）〜
（ハ）に示した原燃料供給用配管３６を用いた場合
（Ａ）であり、窒素を供給する前はＴ＝（最大温度−最
低温度）＝６．５℃であったが、窒素を供給して４５分
後はＴ＝（最大温度−最低温度）＝９．０℃となった。

【００８５】図１８は、図１５中に記載の５ｍｍを８ｍ
ｍに変更した以外は図１５に示したものと同じ本発明に
係わる原燃料供給用配管３６を用いた場合（Ｂ）であ
り、窒素を供給する前はＴ＝（最大温度−最低温度）＝
１０．８℃であったが、窒素を供給して４５分後はＴ＝
（最大温度−最低温度）＝３０．８℃となった。

【００８６】図１９は、障壁６０や新たな開口部６１を
設けることなく配管径１／２インチのパイプをそのまま
原燃料供給用配管３６として用いた場合（Ｃ）であり、
窒素を供給する前はＴ＝（最大温度−最低温度）＝１
５．４℃であったが、窒素を供給して４５分後はＴ＝
（最大温度−最低温度）＝６８．４℃となった。

【００８７】図１７〜図１８から、原燃料供給用配管３
６の開口部６１から脱硫器２０の脱硫剤層２１とは逆斜
め上方向に原料炭化水素系燃料を供給するようにする
と、原料炭化水素系燃料が脱硫剤層２１に直接当たるこ
とがなくなり、しかも脱硫剤層２１に対して均一に供給
できるので、脱硫剤層２１の温度分布が均一になること
が判る。また、図１７〜図１８から、開口部６１の大き
さなどは脱硫器２０の大きさ、原料炭化水素系燃料の供
給速度などの脱硫条件により最適なものを適宜選定しな
ければならないことが判る。

【００８８】一方、図１９から、配管径１／２インチの
パイプをそのまま原燃料供給用配管３６として用いた場
合（Ｃ）は、原料炭化水素系燃料が脱硫剤層２１に直接
当たり、しかも脱硫剤層２１に対して均一に供給できな
いので、脱硫剤層２１の温度分布が不均一になることが
判る。

【００８９】上記の実施形態では、開口部６１を１個設
けた場合を示したが、開口部６１は２個以上設けても差
し支えない。また、原料炭化水素系燃料の流れを阻害し
たり、抵抗とならない範囲において開口部６１が脱硫器
２０の中心部近傍までくるように原燃料供給用配管３６
の先端部が挿入されていてもよい。

【００９０】図２０（イ）および（ロ）は原燃料供給用
配管３６の開口部６１の他の例を示す説明図である。
（イ）に示したは原燃料供給用配管３６の開口部６１
は、原燃料供給用配管３６の先端部を曲げ、開口部６１
から脱硫器２０の脱硫剤層２１とは逆斜め上方向に原料
炭化水素系燃料を供給できるような形状にしたものであ
り、（ロ）に示したは原燃料供給用配管３６の開口部６
１は、原燃料供給用配管３６の先端部に障壁６０を設
け、先端部上方に開口部６１から脱硫器２０の脱硫剤層
２１とは逆斜め上方向に原料炭化水素系燃料を供給でき
るような形状にしたものである。

【００９１】また、開口部６１の寸法、形状などは、脱
硫器２０の大きさ、原料炭化水素系燃料の供給速度など
の脱硫条件により異なるので、原料炭化水素系燃料が脱
硫剤層２１に直接当たることがなく、しかも脱硫剤層２
１に対して均一に供給できて、脱硫剤層２１の温度分布
が均一になるように適宜決めることが必要である。

【００９２】上記実施の形態の説明は、本発明を説明す
るためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を
限定し、或は範囲を減縮するものではない。又、本発明
の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

【００９３】

【発明の効果】本発明の請求項１記載の燃料改質装置
は、脱硫器と蒸気発生器の少なくともいずれか一方を、
固定床燃料改質器の燃焼排ガス流路の管部分内に配置
し、主として燃焼排ガスの顕熱により脱硫器または蒸気
発生器の昇温および温度保持を行うようにしたので、熱
効率が高く、構造が簡単で、熱応力が集中して寿命低下
を起こすなどの装置上の問題がなく、小型化可能であ
り、他のヒータなどを使用せずに脱硫器または蒸気発生
器を最適温度に昇温できるとともに、これらの温度を最
適温度に精度よくコントロールできるので、信頼性が高
いという顕著な効果を奏する。燃焼排ガスの顕熱により
蒸気発生器の昇温および温度保持を行うようにすると蒸
気発生器に供給される熱量が増えるために、脈動が生じ
ることがなく、安定した改質反応を行うことができると
ともに、一層の小型化を図れるという顕著な効果を奏す
る。

【００９４】本発明の請求項２記載の燃料改質装置は、
少なくとも前記脱硫器を前記固定床燃料改質器の燃焼排
ガス流路の管部分内に配置した燃料改質装置であって、
原料炭化水素系燃料を燃焼排ガス流路外から、燃焼排ガ
ス流路の前記管部分の末端開口部を経て前記脱硫器へ供
給するので、燃焼排ガスの顕熱を利用して原料炭化水素
系燃料の予熱を行うことができるという顕著な効果を奏
する。

【００９５】本発明の請求項３記載の燃料改質装置は、
少なくとも前記脱硫器を前記固定床燃料改質器の燃焼排
ガス流路の管部分内に配置した燃料改質装置であって、
原料炭化水素系燃料を燃焼排ガス流路外から、燃焼排ガ
ス流路の管部分を貫通して設けた原燃料供給用配管を経
て脱硫器へ供給するので、構成が簡単で装置全体をより
小型化できるという顕著な効果を奏する。

【００９６】本発明の請求項４記載の燃料改質装置は、
管部分を燃焼排ガス流れ方向に平行に縦に分割し、原燃
料供給用配管を分割した部分間に配置して固定するよう
にしたので、脱硫器を蒸気発生器などや他の反応器と接
続する場合に管部分を分割して作業を容易に行うことが
できる上、必要に応じて管部分を分割して、蒸気発生器
などや脱硫器あるいは脱硫剤の装着、取り替え、修理な
どを容易に行うことができるという顕著な効果を奏す
る。

【００９７】本発明の請求項５記載の燃料改質装置は、
前記原燃料供給用配管に設けた開口部から上記脱硫器の
脱硫剤層とは逆斜め上方向に原料炭化水素系燃料を供給
するようにしたので、原料炭化水素系燃料が脱硫剤層に
直接当たることがなくなり、しかも脱硫剤層に対して均
一に供給できるので、脱硫剤層の温度分布が均一にな
り、脱硫剤の寿命が長くなり、脱硫器の寿命性能を向上
できるという顕著な効果を奏する。

【００９８】本発明の請求項６記載の燃料改質装置は、
少なくとも前記脱硫器を前記固定床燃料改質器の燃焼排
ガス流路の管部分内に配置した燃料改質装置であって、
脱硫器に燃焼排ガス流れ方向に平行に貫通する複数本の
熱交換用燃焼排ガス流通路を設けたので、この熱交換用
燃焼排ガス流通路を経て燃焼排ガスを流すことにより、
脱硫器の昇温速度が早くなり、かつ脱硫剤層内の温度が
均一になり、脱硫器の温度保持をより容易に精度よく行
うことができるという顕著な効果を奏する。

【００９９】本発明の請求項７記載の燃料改質装置は、
熱交換用燃焼排ガス流通路の内径が８ｍｍ以上であるの
で、水滴が成膜して熱交換用燃焼排ガス流通路を詰まら
せることがなく、脱硫器の温度を適温に保持して脱硫反
応を好適に行うことができるという顕著な効果を奏す
る。

【０１００】本発明の請求項８記載の燃料改質装置は、
隣接する熱交換用燃焼排ガス流通路間の間隙が５〜３０
ｍｍであるので、脱硫器に脱硫剤を容易に充填できる
上、熱伝導がよくなり脱硫剤層内の温度が均一になると
いう顕著な効果を奏する。

【０１０１】本発明の請求項９記載の燃料改質装置は、
少なくとも前記脱硫器を前記固定床燃料改質器の燃焼排
ガス流路の管部分内に配置した燃料改質装置であって、
脱硫器中を流れる原料炭化水素系燃料が燃焼排ガス流れ
方向に対向して流れるようにしたので、燃焼排ガスの顕
熱を有効に利用でき、熱効率を向上できるという顕著な
効果を奏する。

【０１０２】本発明の請求項１０記載の燃料改質装置
は、燃焼排ガス流路の管部分の径を、固定床燃料改質器
の外側の径と略一致するようにしたので、装置の組み立
て、解体などが容易である上、燃焼排ガスの流れを妨げ
ずスムーズにして、燃焼排ガスの有する顕熱を有効利用
できるという顕著な効果を奏する。

【０１０３】本発明の請求項１１記載の燃料改質装置
は、脱硫器または蒸気発生器、あるいは脱硫器と蒸気発
生器が、燃焼排ガス流路の管部分の内壁との間に間隙を
置いて配置され、燃焼排ガスが流れるための空間を有す
るようにしたので、脱硫剤層内の温度や蒸気発生器内の
温度が均一になり、管部分内に配置した脱硫器や蒸気発
生器の昇温および温度保持をより容易に精度よく行うこ
とができるという顕著な効果を奏する。

【０１０４】本発明の請求項１２記載の燃料改質装置
は、脱硫器と管部分の内壁との間に、または蒸気発生器
と管部分の内壁との間に、あるいは脱硫器と蒸気発生器
と管部分の内壁との間に、間隙を均一に維持するための
スペーサを前者の場合は少なくとも３個配置し、後者の
場合はそれぞれに少なくとも３個配置したので、間隙を
均一に維持して脱硫器あるいは脱硫器と蒸気発生器の昇
温および温度保持をより容易に精度よく行うことができ
るという顕著な効果を奏する。

【０１０５】本発明の請求項１３記載の燃料改質装置
は、複数個設けた蒸気発生器の間に脱硫器を配置したの
で、燃焼排ガスのもつ熱を有効に使用して脱硫器、複数
個の蒸気発生器および固定床燃料改質器を最適温度に容
易に昇温して温度を最適温度に精度よくコントロールで
き、また、熱効率が高く、構造が簡単で、熱応力が集中
して寿命低下を起こすなどの装置的な問題がなく、小型
化可能となるという顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料改質装置の一実施の形態の断面説
明図である。

【図２】図１に示した本発明の燃料改質装置の脱硫器に
設けた熱交換用燃焼排ガス流通路を説明する説明図であ
る。

【図３】本発明の他の燃料改質装置の断面説明図であ
る。

【図４】図３に示した本発明の他の燃料改質装置の管部
分を説明する説明図である。

【図５】本発明の他の燃料改質装置の断面説明図であ
る。

【図６】図５に示した本発明の他の燃料改質装置の脱硫
器のスペーサを説明する説明図である。

【図７】本発明の他の燃料改質装置を説明する断面説明
図である。

【図８】本発明の他の燃料改質装置を説明する断面説明
図である。

【図９】本発明の他の燃料改質装置を説明する断面説明
図である。

【図１０】本発明の他の燃料改質装置を説明する断面説
明図である。

【図１１】本発明の他の燃料改質装置を説明する断面説
明図である。

【図１２】本発明の他の燃料改質装置を説明する断面説
明図である。

【図１３】本発明の他の燃料改質装置を説明する断面説
明図である。

【図１４】原燃料供給用配管の先端の開口部を障壁で一
部閉塞した後、原燃料供給用配管の先端部上方に新たな
開口部を設け、原料炭化水素系燃料を新たな開口部を経
て脱硫器へ供給する本発明の燃料改質装置を説明する説
明図である。

【図１５】（イ）は原燃料供給用配管の先端部の平面説
明図であり、（ロ）は原燃料供給用配管の先端部の断面
説明図であり、（ハ）は原燃料供給用配管の先端部の前
面説明図である。

【図１６】脱硫器の脱硫剤層の脱硫剤温度測定箇所を示
す説明図である。

【図１７】脱硫剤層温度と時間との関係を示すグラフで
ある。

【図１８】脱硫剤層温度と時間との関係を示す他のグラ
フである。

【図１９】脱硫剤層温度と時間との関係を示す他のグラ
フである。

【図２０】（イ）および（ロ）は原燃料供給用配管の開
口部の他の例を示す説明図である。

【図２１】従来の燃料改質装置の断面説明図である。

【符号の説明】

ｄ１ 管部分の径 ｄ２ 固定床燃料改質器の外側の径 ｄ３ 間隙 ｄ４ 熱交換用燃焼排ガス流通路の内径 Ｌ 隣接する熱交換用燃焼排ガス流通路間の間隙 １０ 蒸気発生器 １１ 水供給用配管 ２０ 脱硫器 ２１ 脱硫剤層 ２２ スペーサ ３０ 固定床燃料改質器 ３１ 触媒層 ３３ 管部分 ３４ 末端開口部 ３５ 水蒸気供給用配管 ３６ 原燃料供給用配管 ３７ 熱交換用燃焼排ガス流通路 ３８ 配管 ５０ バーナ ５１Ｘ、５１、５１Ａ〜５１Ｈ、５１Ｊ、５１Ｋ 燃料
改質装置 ６０ 障壁 ６１ 新たな開口部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小田 勝也 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 上田 雅敏 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 宮井 恵吾 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 黄木 丈俊 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 田島 収 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 Ｆターム(参考） 4G040 EA06 EA09 EB01 EB03 EB44 EB46 4G140 EA06 EA09 EB01 EB03 EB44 EB46 5H027 AA02 BA01 BA09 BA16

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原料炭化水素系燃料中に含まれる硫黄分
   を脱硫する脱硫器と、水を気化させて水蒸気を発生する
   蒸気発生器と、脱硫した炭化水素系燃料に水蒸気を添加
   して水素リッチなガスに改質する固定床燃料改質器と、
   を備えた燃料改質装置であって、前記脱硫器と前記蒸気
   発生器の少なくともいずれか一方を、前記固定床燃料改
   質器の燃焼排ガス流路の管部分内に配置し、主として燃
   焼排ガスの顕熱により前記脱硫器または前記蒸気発生器
   の昇温および温度保持を行うことを特徴とする燃料改質
   装置。
2. 【請求項２】 少なくとも前記脱硫器を前記固定床燃料
   改質器の燃焼排ガス流路の管部分内に配置した燃料改質
   装置であって、原料炭化水素系燃料を燃焼排ガス流路外
   から、燃焼排ガス流路の前記管部分の末端開口部を経て
   前記脱硫器へ供給することを特徴とする請求項１記載の
   燃料改質装置。
3. 【請求項３】 少なくとも前記脱硫器を前記固定床燃料
   改質器の燃焼排ガス流路の管部分内に配置した燃料改質
   装置であって、原料炭化水素系燃料を燃焼排ガス流路外
   から、燃焼排ガス流路の前記管部分を貫通して設けた原
   燃料供給用配管を経て上記脱硫器へ供給することを特徴
   とする請求項１記載の燃料改質装置。
4. 【請求項４】 前記管部分を燃焼排ガス流れ方向に平行
   に縦に分割し、前記原燃料供給用配管を分割した部分間
   に配置して固定することを特徴とする請求項３記載の燃
   料改質装置。
5. 【請求項５】 前記原燃料供給用配管に設けた開口部か
   ら上記脱硫器の脱硫剤層とは逆斜め上方向に原料炭化水
   素系燃料を供給することを特徴とする請求項３あるいは
   請求項４記載の燃料改質装置。
6. 【請求項６】 少なくとも前記脱硫器を前記固定床燃料
   改質器の燃焼排ガス流路の管部分内に配置した燃料改質
   装置であって、前記脱硫器に燃焼排ガス流れ方向に平行
   に貫通する複数本の熱交換用燃焼排ガス流通路を設けた
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記
   載の燃料改質装置。
7. 【請求項７】 前記熱交換用燃焼排ガス流通路は、その
   内径が８ｍｍ以上であることを特徴とする請求項６記載
   の燃料改質装置。
8. 【請求項８】 隣接する前記熱交換用燃焼排ガス流通路
   間の間隙が５〜３０ｍｍであることを特徴とする請求項
   ６あるいは請求項７記載の燃料改質装置。
9. 【請求項９】 少なくとも前記脱硫器を前記固定床燃料
   改質器の燃焼排ガス流路の管部分内に配置した燃料改質
   装置であって、前記脱硫器中を流れる原料炭化水素系燃
   料は燃焼排ガス流れ方向に対向して流れることを特徴と
   する請求項１から請求項８のいずれかに記載の燃料改質
   装置。
10. 【請求項１０】 燃焼排ガス流路の前記管部分の径は、
    前記固定床燃料改質器の外側の径と略一致することを特
    徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の燃料
    改質装置。
11. 【請求項１１】 前記脱硫器または前記蒸気発生器、あ
    るいは前記脱硫器と前記蒸気発生器が、燃焼排ガス流路
    の前記管部分の内壁との間に間隙を置いて配置され、燃
    焼排ガスが流れるための空間を有することを特徴とする
    請求項１から請求項１０のいずれかに記載の燃料改質装
    置。
12. 【請求項１２】 前記脱硫器と前記管部分の内壁との間
    に、または前記蒸気発生器と前記管部分の内壁との間
    に、あるいは前記脱硫器と前記蒸気発生器と前記管部分
    の内壁との間に、前記間隙を均一に維持するためのスペ
    ーサを前者の場合は少なくとも３個配置し、後者の場合
    はそれぞれに少なくとも３個配置したことを特徴とする
    請求項１１記載の燃料改質装置。
13. 【請求項１３】 複数個設けた蒸気発生器の間に前記脱
    硫器を配置したことを特徴とする請求項１から請求項１
    ２のいずれかに記載の燃料改質装置。