JP2002356308A

JP2002356308A - 燃料改質システム

Info

Publication number: JP2002356308A
Application number: JP2002078076A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Tabata; 健田畑; Mitsuaki Echigo; 満秋越後; Norihisa Kamiya; 規寿神家; Susumu Takami; 晋高見
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2002-12-13
Anticipated expiration: 2022-03-20
Also published as: JP4493257B2

Abstract

(57)【要約】【課題】生成水素の一部をリサイクルして利用できる
燃料改質システムを提供する。【解決手段】原燃料改質反応器２の下流側であってＣ
Ｏ選択酸化反応器３の上流側の間の改質反応済の燃料ガ
スの一部を、水蒸気凝縮分離器４によりガス中の水蒸気
を凝縮分離除去してからリサイクルガスとしてリサイク
ルライン５に流し、原燃料ガスと混合する。リサイクル
ガスは、改質反応済の燃料ガスであって水素を十分に含
み、水蒸気が除去されているため、リサイクルライン５
を水蒸気で閉塞することが無い。更に、リサイクルガス
をＣＯ選択酸化反応器３の上流側から取り出し、アンモ
ニア生成原因の窒素の混入を回避して、生成水素をリサ
イクルして利用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素などを原
燃料として改質し、ＣＯ濃度の低い水素リッチガスを製
造する燃料改質システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】家庭用コージェネレーションシステムや
自動車用として用いられる固体高分子型燃料電池（ＰＥ
ＦＣ）０１の場合、図９に示すように、燃料改質システ
ム０２から電池スタック０３のアノード側に供給される
水素リッチガス中の水素と、電池スタック０３のカソー
ド側に供給される空気中の酸素とを電解質膜を介して反
応させて電力を生じるように構成されている。

【０００３】燃料改質システム０２では、原燃料を改質
反応器０４で水蒸気改質反応により水素に変換してか
ら、改質反応済ガスの燃料ガス中のＣＯ濃度が高い場合
には、ＣＯ変成器０５で改質反応済の燃料ガス中のＣＯ
を水素に変換した後、さらにＣＯ変成済の燃料ガス中に
残存するＣＯをＣＯ選択酸化反応器０６で選択酸化する
ことによってＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下に低減した水素
リッチガスを製造する。ＣＯ濃度が高いと電池スタック
０３で発電できなくなるからである。

【０００４】また、燃料改質システム０２において、入
手容易な都市ガスやプロパンガスを原燃料として使う場
合、都市ガスやプロパンガスでは付臭のためにイオウが
添加されており、改質反応器０４へ原燃料を投入する前
段で原燃料を予め脱硫処理して燃料改質システムでの被
毒要因のイオウを除去する必要がある。このような燃料
改質システム０２では、ガスの流れは一方向で、燃料ガ
スが原燃料に混合されることはない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、原燃料
がナフサなど比較的高級な炭化水素であり、カーボンを
析出させずに安定して改質し、水素リッチガスを製造す
る場合や、水素添加脱硫方式により原燃料を脱硫する場
合には、原燃料に水素を添加する必要がある。大型の純
水素製造プラントでは、通常、製品の純水素をリサイク
ルして原燃料に添加するが、固体高分子型燃料電池（Ｐ
ＥＦＣ）用の燃料改質システムなどでは、純水素を精製
するプロセスがないので、そのまま同様にして純水素を
リサイクルすることができなかった。

【０００６】また、システムにリサイクルラインを設け
て製造した水素リッチガスの一部を原燃料と混合しよう
としても、水分がリサイクルラインで凝縮して閉塞し、
安定した水素添加ができないという問題があった。特
に、小型の燃料電池用燃料改質システムの場合、放熱が
大きく、リサイクルラインの径が細くなりがちであり、
リサイクルラインの閉塞を生じやすい欠点があった。

【０００７】また、その水分を除去したとしても、ＣＯ
選択酸化反応に必要な酸素を空気の添加で行う場合は、
製造する水素リッチガスに窒素が含まれるので、水素リ
ッチガスをリサイクルガスとして原燃料に添加すると改
質反応器０４で燃料電池０１に有害なアンモニアが生成
してしまうという問題点があり、改質ガスをリサイクル
することができなかった。

【０００８】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、請求項１に係る発明は、アンモニアを
生成せず、小型でも安定した運転が可能となる、生成水
素の一部をリサイクルして利用できる燃料改質システム
を提供することを目的としている。さらに、請求項２に
係る発明は、構成を簡略化できるようにすることを目的
とし、請求項３に係る発明は、硫黄を含む炭化水素を原
燃料とする場合にも良好に適用できるようにすることを
目的とし、請求項４に係る発明は、ＣＯ選択酸化反応を
も安定して行えるようにすることを目的とし、また、請
求項５に係る発明は、負荷変動にも安定して運転できる
ようにすることを目的とし、また、請求項６に係る発明
は、環境温度に左右されずに安定して運転できるように
することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
上述のような目的を達成するために、原燃料を改質して
水素リッチガスに変換する改質反応器と、前記改質反応
器の下流側に設けられて、改質反応済の燃料ガス中のＣ
Ｏを選択的にＣＯ₂ に酸化するＣＯ選択酸化反応器とを
少なくとも備え、原燃料を改質してＣＯ濃度の低い水素
リッチガスを製造する燃料改質システムにおいて、前記
改質反応器の下流側であって前記ＣＯ選択酸化反応器の
上流側の間の改質反応済の燃料ガスの少なくとも一部の
ガスから水蒸気を凝縮分離する水蒸気凝縮分離手段と、
前記水蒸気凝縮分離手段で水蒸気が凝縮分離除去された
ガスを、前記改質反応器に供給する原燃料にリサイクル
ガスとして混合するリサイクルラインとを備えて構成す
る。

【００１０】また、請求項２に係る発明は、前述のよう
な目的を達成するために、請求項１に記載の燃料改質シ
ステムにおいて、原燃料が気体であって、改質反応器の
上流側に原燃料を圧縮する原燃料圧縮機を設け、リサイ
クルラインを前記原燃料圧縮機の吸入側に接続して構成
する。

【００１１】また、請求項３に係る発明は、前述のよう
な目的を達成するために、請求項１または２に記載の燃
料改質システムにおいて、改質反応器の上流側に脱硫器
を設け、前記改質反応器とＣＯ選択酸化反応器との間に
改質反応済の燃料ガス中のＣＯを水素に変換するＣＯ変
成器とを設け、水蒸気凝縮分離手段により前記ＣＯ変成
器の下流側のガス中の水蒸気を凝縮分離し、その水蒸気
が凝縮分離除去されたガスをリサイクルガスとしてリサ
イクルラインに流通させるとともに、前記リサイクルラ
インを前記脱硫器の上流側に接続して構成する。

【００１２】また、請求項４に係る発明は、前述のよう
な目的を達成するために、請求項１、２、３のいずれか
に記載の燃料改質システムにおいて、水蒸気凝縮分離手
段を、ＣＯ選択酸化反応器の上流側で改質反応器からの
改質反応済の燃料ガスが全量通過するように設けて構成
する。

【００１３】また、請求項５に係る発明は、前述のよう
な目的を達成するために、請求項１、２、３、４のいず
れかに記載の燃料改質システムにおいて、原燃料とリサ
イクルガスの流量比を制御する流量比制御手段を設けて
構成する。

【００１４】また、請求項６に係る発明は、前述のよう
な目的を達成するために、請求項１、２、３、４、５の
いずれかに記載の燃料改質システムにおいて、改質反応
器およびリサイクルラインを保温材で被覆して構成す
る。

【００１５】

【作用】請求項１に係る発明の燃料改質システムの構成
によれば、改質反応器で原燃料ガスを水素に変換するよ
うに改質し、改質反応器の下流側に位置するＣＯ選択酸
化反応器で改質反応済の燃料ガス中の残存ＣＯの選択酸
化反応を行い水素リッチガスを製造できる。これと並行
して、改質反応器の下流側であってＣＯ選択酸化反応器
の上流側の改質反応済の燃料ガスの少なくとも一部を、
水蒸気凝縮分離手段によってガス中の水蒸気を凝縮分離
除去してからリサイクルガスとしてリサイクルラインに
流し、原燃料に混合できる。このため、リサイクルライ
ンで水分が凝縮して閉塞することもなく、リサイクルガ
ス中に窒素が含まれていないので、水素リッチガス中に
アンモニアが含まれることもない。

【００１６】また、請求項２に係る発明の燃料改質シス
テムの構成によれば、改質反応器の上流側の原燃料圧縮
機の吸入側の原燃料にリサイクルガスをリサイクルライ
ンを通じて混合でき、リサイクル動力を低減できる。

【００１７】また、請求項３に係る発明の燃料改質シス
テムの構成によれば、ＣＯ変成済の燃料ガスの一部を、
水蒸気凝縮分離手段によりガス中の水蒸気を凝縮分離除
去してから、リサイクルガスとしてリサイクルラインに
流し、脱硫器の上流側で原燃料と混合するとともに、脱
硫器に水添脱硫を適用でき、イオウを除去できる。

【００１８】また、請求項４に係る発明の燃料改質シス
テムの構成によれば、ＣＯ選択酸化反応器の上流側で、
水蒸気凝縮分離手段により改質反応済の燃料ガスの全量
に対して水蒸気を凝縮分離除去することにより、ＣＯ選
択酸化反応を安定して行うことができる。

【００１９】また、請求項５に係る発明の燃料改質シス
テムの構成によれば、リサイクルガスの流量を原燃料の
流量に応じて制御することができる。

【００２０】また、請求項６に係る発明の燃料改質シス
テムの構成によれば、水蒸気凝縮分離手段により水蒸気
を凝縮分離除去した改質反応済の燃料ガスを流動するリ
サイクルラインを保温材で保温し、リサイクルライン中
の改質反応済の燃料ガスが環境温度の影響を受けること
を回避できる。

【００２１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例を図面に基
づいて詳述する。

【００２２】図１は本発明に係る燃料改質システムの第
１実施例を示すブロック図であり、燃料改質システム１
が、化学反応により原燃料を水素に変換する原燃料の改
質反応を行う改質反応器２の下流側に、改質反応済の燃
料ガス中のＣＯの選択酸化反応を行うＣＯ選択酸化反応
器３を設けて構成され、改質反応器２で原燃料を水素に
変換した後、ＣＯ選択酸化反応器３で改質反応済の燃料
ガス中の残存ＣＯを選択酸化により酸化して水素リッチ
ガスを製造するようになっている。

【００２３】上記燃料改質システム１に用いられる原燃
料としては、特定のものに限られるものではなく、例え
ば都市ガスやプロパンガスなどの炭化水素系ガスやアル
コールなどが用いられる。改質反応器２における改質反
応は、炭化水素やアルコールなどの原燃料を水蒸気ある
いは酸素と反応させて水素に変換して原燃料を水素リッ
チの混合ガス（合成ガス）にするものであり、改質反応
器２内には改質反応を起こすための改質触媒が充填され
ている。

【００２４】炭化水素と水蒸気を反応させて改質する場
合は、例えば式（１）で示す吸熱タイプの水蒸気改質反
応が行われる。例えば、図１に示すように、原燃料に水
蒸気を添加して改質反応器２へ送り込んで処理すること
になる。また、炭化水素と酸素を反応させて改質する場
合は、例えば式（２）で示す発熱タイプの部分燃焼改質
反応が行われる。Ｃ_n Ｈ_n ＋ｘＨ₂ Ｏ→Ｈ₂ ＋ＣＯ＋ＣＯ₂ ＋ＣＨ₄ ＋Ｈ₂ Ｏ・・・（１）Ｃ_n Ｈ_n ＋ｙＯ₂ →Ｈ₂ ＋ＣＯ＋ＣＯ₂ ＋ＣＨ₄ ＋Ｈ₂ Ｏ・・・（２）さらに、改質反応器２での改質反応が、式（１）の水蒸
気改質反応と式（２）の部分燃焼改質反応の双方を併せ
た中間的なオートサマル式改質反応である場合もある。

【００２５】ＣＯ選択酸化反応器３での選択酸化反応
は、水素が主成分の改質反応済の燃料ガス中に少量含ま
れるＣＯをＣＯ選択酸化触媒を使い酸素で選択的に酸化
してＣＯ₂ に変換させるものである。通常、図１に示す
ように、改質反応済の燃料ガスに空気を添加してＣＯ選
択酸化反応器３で処理する。

【００２６】改質反応器２の下流側で、かつ、ＣＯ選択
酸化反応器の上流側に、改質反応済の燃料ガスの一部の
ガス中の水蒸気を凝縮分離する水蒸気凝縮分離器４が接
続されるとともに、その水蒸気凝縮分離器４に、水蒸気
が凝縮分離除去されたガスをリサイクルガスとして流通
させて原燃料ガスに混合するリサイクルライン５が接続
され、更に、リサイクルライン５が改質反応器２の上流
側に接続されている。このとき、ＣＯ選択酸化に必要な
空気の注入口は、リサイクルライン５の分岐点よりも下
流側に設置されている必要がある。

【００２７】上記構成により、改質反応器２とＣＯ選択
酸化反応器３の間の分岐点から改質反応済の燃料ガスの
一部が水蒸気凝縮分離器４に送られて水蒸気が凝縮分離
除去される。その水蒸気が凝縮分離除去されたガスを、
リサイクルライン５を経て改質反応器２の上流側でリサ
イクルガスとして原燃料ガスに混合するようになってい
る。

【００２８】水蒸気凝縮分離器４としては、リサイクル
ライン５で水蒸気が凝縮しないようにできるものであれ
ばよく、水冷式と気液分離式を組み合わせた構成のもの
など、各種のものが適用できる。システムの運転中、水
蒸気凝縮分離器４によってガスから凝縮分離除去された
水は、ドレン管４ａから適宜排出されるように構成され
ている。上記燃料改質システム１では、図示しないが、
必要に応じて原燃料ラインやリサイクルラインに、遮断
弁、調節弁、逆止弁、送気用ブロアー、定量ポンプなど
が適宜付設される。

【００２９】以上に詳述した第１実施例の燃料改質シス
テム１の場合、リサイクルライン５を経由して原燃料と
混合されるリサイクルガスは、改質反応済の燃料ガスの
一部であるために水素を十分に含んでいるだけでなく、
水蒸気を凝縮分離除去してからリサイクルライン５に流
すから、水蒸気でリサイクルライン５を閉塞することが
無い。また、リサイクルガスがＣＯ選択酸化反応器３の
上流側からのガスであるから、有害なアンモニア生成原
因の窒素の混入を回避でき、生成水素の一部をリサイク
ルして利用することができる。

【００３０】図２は、本発明に係る燃料改質システムの
第２実施例を示すブロック図であり、第１実施例と異な
るところは次の通りである。すなわち、第２実施例の燃
料改質システム６は、原燃料が気体であって、改質反応
器２の上流側に原燃料を圧縮する原燃料圧縮機７が設け
られ、リサイクルライン５の出口が原燃料圧縮機７の吸
入側に接続されている。他の構成は、第１実施例と同じ
であり、同一図番を付すことにより、その説明は省略す
る。

【００３１】この第２実施例の燃料改質システム６によ
れば、改質反応器２の上流側の原燃料圧縮機７の吸入側
でリサイクルガスをリサイクルライン５を通して原燃料
の気体に混合でき、リサイクルガス供給用のブロアーな
どを省略できて構成を簡略化できる利点がある。

【００３２】図３は、硫黄を含む気体状炭化水素を改質
する場合に好適な本発明に係る燃料改質システムの第３
実施例を示すブロック図であり、第２実施例と異なると
ころは次の通りである。すなわち、第３実施例の燃料改
質システム８は、改質反応器２の上流側に水素添加脱硫
方式の脱硫器９を設けるとともに、改質反応器２とＣＯ
選択酸化反応器３の間に改質反応済の燃料ガス中のＣＯ
を燃料ガス中の水蒸気と反応させることにより水素に変
換するＣＯ変成器１０を設けて構成されている。

【００３３】ＣＯ変成器１０の下流側の分岐点からＣＯ
変成済のガスの一部が、水蒸気凝縮分離器４へ送られて
ガス中の水蒸気が凝縮分離除去された後にリサイクルガ
スとしてリサイクルライン５に流されるように構成さ
れ、そのリサイクルライン５の出口が脱硫器９の上流側
に設けられた燃料圧縮機７の吸入側に接続されている。
他の構成は、第２実施例と同じであり、同一図番を付す
ことにより、その説明は省略する。

【００３４】この第３実施例の燃料改質システム８によ
れば、改質反応器２による改質反応を済ませた燃料ガス
中のＣＯをＣＯ変成器１０により水素に変換するととも
に、ＣＯ変成済のガスの一部が水蒸気凝縮分離器４で水
蒸気が除去された後、リサイクルガスとしてリサイクル
ライン５に流されて脱硫器９の上流側で原燃料と混合さ
れ、脱硫器９により原燃料の水添脱硫処理が行われる。

【００３５】脱硫器９による水添脱硫の場合、有機イオ
ウ（Ｒ−Ｓ−Ｒ’）を水素化して硫化水素（Ｈ₂Ｓ）と
し、このＨ₂ＳをＺｎＯなどの吸着脱硫剤で吸着除去す
ることにより燃料改質システムでの被毒要因のイオウを
除去する。またＣＯ変成器１０では、ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂
＋ＣＯ₂ という化学反応によりＣＯを水素に変換する。

【００３６】したがって、リサイクルガスとして水素濃
度がより高いＣＯ変成済のガスを用いるので、リサイク
ルガス流量を減少させることができる。また、リサイク
ルガスを脱硫器９の上流側で原燃料と混合してから脱硫
器９で脱硫効果の高い水添脱硫処理を行うから、原燃料
に含まれるイオウを十分に除去できるうえに、脱硫器９
の小型化や、脱硫触媒の交換頻度減少を図れる。

【００３７】また、例えば、第３実施例の燃料改質シス
テム８は、図４のブロック図に示すように、家庭用コー
ジェネレーションシステムや自動車として用いられる固
体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）１１における電池スタ
ック１２のアノード側に水素リッチガスを供給するシス
テムとして用いることが出来る。固体高分子型燃料電池
１１の場合、燃料改質システム８から電池スタック１２
のアノード側に供給される水素リッチガス（改質完了ガ
ス）中の水素と、電池スタック１２のカソード側に供給
される空気中の酸素とを電解質膜を介して反応させるこ
とにより電力を発生させる。

【００３８】電池スタック１２に供給する水素リッチガ
スはＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下程度に低くする必要があ
るため、燃料改質システム８では、原燃料ガスを改質反
応器２で水蒸気改質反応により水素に変換してからＣＯ
変成器１０で改質反応済の燃料ガス中のＣＯを水素に変
換した後、さらにＣＯ変成済の燃料ガス中の残存ＣＯを
ＣＯ選択酸化反応器３で選択酸化することによってＣＯ
濃度を１０ｐｐｍ以下に低減させる構成となっている。

【００３９】図５は、本発明に係る燃料改質システムの
第４実施例を示すブロック図であり、第３実施例と異な
るところは次の通りである。すなわち、第４実施例の燃
料改質システム１３は、水蒸気凝縮分離器４をＣＯ変成
器１０とＣＯ選択酸化反応器３の間にＣＯ変成済のガス
の全量を通過するようにライン中に直列に設け、水蒸気
凝縮分離器４の下流側であってＣＯ選択酸化反応器３の
上流側の分岐点にリサイクルライン５の入口を接続して
構成されている。他の構成は、第２実施例と同じであ
り、同一図番を付すことにより、その説明は省略する。

【００４０】この第４実施例の燃料改質システム１３に
よれば、ＣＯ変成器１０から出てくるＣＯ変成済のガス
の全量を水蒸気凝縮分離器４を経由させ、ガス中の水蒸
気を凝縮分離除去するから、リサイクルライン５のみな
らず、ＣＯ選択酸化反応器３へも水蒸気が除かれたＣＯ
変成済のガスを送ることができる。このため、ＣＯ選択
酸化反応が低温で行え、ＣＯ選択酸化反応の制御性が向
上し、運転が安定するというメリットがある。この第４
実施例の燃料改質システム１３も、他の実施例の場合と
同様、固体高分子型燃料電池の水素リッチガスの供給源
として用いることができる。

【００４１】図６は、本発明に係る燃料改質システムの
第５実施例を示すブロック図であり、第２実施例と異な
るところは、次の通りである。すなわち、第５実施例の
燃料改質システム１４は、原燃料圧縮機として定量ポン
プ１５を用いるとともに、リサイクルライン５に定量ポ
ンプ１６を設けて、リサイクルガス用定量ポンプ１６の
流量制御目標値を原燃料ガス用定量ポンプ１５の流量制
御目標値と連動させることにより、原燃料とリサイクル
ガスの流量比を一定に制御するための流量比制御手段と
しての定量ポンプ制御装置１７を設ける構成となってい
る。他の構成は、第２実施例と同じであり、同一図番を
付すことにより、その説明は省略する。

【００４２】この第５実施例の燃料改質システム１４に
よれば、原燃料とリサイクルガスの流量比が一定になる
ように制御されているので、負荷変動などで原燃料の流
量が変化した場合にも、それに応じてリサイクルガスの
流量が変化するので、各部のガス組成が一定に保たれ、
安定した運転を行うことができる。

【００４３】図７は、本発明に係る燃料改質システムの
第６実施例を示すブロック図であり、第４実施例（図５
参照）と異なるところは、次の通りである。すなわち、
この第６実施例の燃料改質システム１８では、脱硫器
９、改質反応器２、ＣＯ選択酸化反応器３およびＣＯ変
成器１０ならびにそれらを接続する配管が、セラミック
ファイバーなどの保温材１９で被覆されている。更に、
水蒸気凝縮分離器４からＣＯ選択酸化反応器３に至る配
管の途中と原燃料圧縮機７の吸入側に至るリサイクルラ
イン５が、保温材１９内に通されている。

【００４４】通常、燃料改質システムにおける各反応器
は高温で使用されるため、それらの反応器と、付帯する
配管は保温材で被覆されている。しかし、水蒸気凝縮分
離器４は、ガスを冷却して水蒸気を分離することが多い
ために保温されない。したがって、リサイクルライン５
も特に保温されていなかった。

【００４５】しかしながら、排熱回収が重要視されてく
るに伴い、水蒸気凝縮分離器４に供給される冷却水を貯
湯槽との間で循環させるように構成した場合、冷却水の
温度が４０℃を超えることもあり、このような冷却水で
水蒸気を凝縮処理した後の改質反応済みの燃料ガスは、
その温度も高くなる。そのような場合、燃料改質システ
ムを設置した屋外の気温などの環境温度が改質反応済み
の燃料ガスの露点よりも低くなり、リサイクルライン５
内で水分の凝縮を生じる。この現象を知見するに至り、
この第６実施例では、リサイクルライン５を保温材１９
で保温し、環境温度が環境温度が改質反応済みの燃料ガ
スの露点より低い場合でも、水分の凝縮を防止できるよ
うに構成されている。他の構成は、第４実施例と同じで
あり、同一図番を付すことにより、その説明は省略す
る。

【００４６】図８は、本発明に係る燃料改質システムの
第７実施例を示す詳細図であり、水蒸気発生器２０を内
蔵する以外、図５に示した第４実施例と同じである。改
質反応器２、脱硫器９、ＣＯ変成器１０およびＣＯ選択
酸化反応器３、ならびに、水蒸気凝縮分離器４の水蒸気
凝縮分離用熱交換器２１を除いた熱交換器が同一形状の
プレート型エレメントで構成され、それらのプレート型
エレメントを積層して燃料改質システムが作製されてい
る。

【００４７】ＣＯ変成器１０を出たガスが全量水冷式の
水蒸気凝縮分離器４に導入されて水蒸気を凝縮分離した
後、一部はリサイクルガスとして、リサイクルライン５
を通じて原燃料圧縮機７の吸入側に添加し、残りには、
空気を添加し、ＣＯ選択酸化反応器３でのＣＯ選択酸化
反応に供した。リサイクルライン５には、流量調節弁２
２が設けられ、リサイクルするガスの流量を、原燃料圧
縮機７に供給される原燃料の供給流量に応じて調節でき
るように構成されている。図中２３は気水分離器であ
る。

【００４８】ここで、都市ガス４．２Ｎｌ／ｍｉｎに、
水蒸気を凝縮分離して露点が約２４℃となったリサイク
ルガスを、流量調節弁２２を調節して６０ｍｌ／ｍｉｎ
になるように加えて、原燃料圧縮機７で１４．３ｋＰａ
−Ｇに昇圧し、熱交換の後、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ−Ｎｉ系
水添吸着脱硫剤を充填した脱硫器9で約２５０℃で脱硫
した。脱硫後の原燃料をＳ／Ｃ＝３．０で水蒸気改質し
た後、ＣＯ変成を行い、水蒸気を凝縮分離後、空気０．
８ｌ／ｍｉｎを加えてＣＯ選択酸化反応に供した。

【００４９】このとき、リサイクルガス中の水素濃度は
約７５％、得られた水素リッチガス中のメタン濃度は
１．５％、ＣＯ濃度は１ｐｐｍ未満であった。また、リ
サイクルガスを水蒸気凝縮分離器４から分岐している点
での圧力は８．６ｋＰａ−Ｇであり、リサイクルガス中
に窒素Ｎ₂や酸素Ｏ₂は検出されなかった。なお、室温は
約２５℃であった。

【００５０】更に、起動停止１０回を含めて、約１００
時間にわたり、このシステムを運転し続けたが、得られ
た水素リッチガス中のメタン濃度、ＣＯ濃度に変化が無
く、流量調節弁２２や原燃料圧縮機７での水によるリサ
イクルラインの閉塞は見られず、安定した燃料改質を行
うことができた。

【００５１】また、原燃料の流量を６０％および３０％
に減らせて燃料改質試験を行った。このときのリサイク
ルガスの流量は、３７ｍｌ／ｍｉｎおよび２０ｍｌ／ｍ
ｉｎであり、リサイクルガスの流量は、流量調節弁２２
でコントロールされ、必要十分なリサイクル水素流量を
確保した。また、この場合も、リサイクルラインの閉塞
は見られず、安定して運転することができた。

【００５２】このとき、原燃料圧縮機７出口の圧力は
８．８ｋＰａ−Ｇおよび５．５ｋＰａ−Ｇであり、一
方、リサイクルガスの分岐点での圧力は６．０ｋＰａ−
Ｇおよび４．３ｋＰａ−Ｇであり、リサイクルガス中に
窒素Ｎ₂や酸素Ｏ₂は検出されなかった。

【００５３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１に係る発明の燃料改質システムによれば、改質反応器
で原燃料ガスを水素に変換するように改質した改質反応
済の燃料ガスの一部を、ＣＯ選択酸化反応器の上流側か
ら、しかも、ガス中の水蒸気を凝縮分離除去してリサイ
クルガスとしてリサイクルラインに流すから、小規模の
システムでも水蒸気が凝縮してリサイクルラインを閉塞
することなく、生成した水素をリサイクルして原燃料に
混合することができる。しかも、ＣＯ選択酸化反応器の
上流側からリサイクルするから、有害なアンモニアの生
成原因となる窒素の混入を避けることができ、改質反応
器の下流側に位置するＣＯ選択酸化反応器で改質反応済
の燃料ガス中の残存ＣＯの選択酸化反応を行って水素リ
ッチガスを製造しながら、生成した水素の一部をリサイ
クルして利用できる燃料改質システムを提供できる。

【００５４】また、請求項２に係る発明の燃料改質シス
テムによれば、リサイクルガスを原燃料圧縮機の吸入側
で原燃料に混合するから、リサイクルガスを供給するた
めの専用のブロアーなどを不要にでき、構成を簡略化で
きて安価である。

【００５５】また、請求項３に係る発明の燃料改質シス
テムによれば、ＣＯ変成済の水素濃度の高い燃料ガスの
一部を、ガス中の水蒸気を凝縮分離除去してから、脱硫
器の上流側で原燃料と混合し、脱硫器により原燃料の水
添脱硫処理を行い、イオウを除去するから、従来採用で
きなかった水添脱硫触媒を利用でき、脱硫器の小型化
や、脱硫触媒の交換頻度の大幅な減少を達成でき、硫黄
を含む原料ガスを使用する場合にも良好に適用できる。

【００５６】また、請求項４に係る発明の燃料改質シス
テムによれば、ＣＯ選択酸化反応器の上流側で、改質反
応済の燃料ガスの全量に対して水蒸気を凝縮分離除去す
るから、ＣＯ選択酸化反応器へも水蒸気が除かれた状態
で改質反応済の燃料ガスを流すことができ、ＣＯ選択酸
化反応を安定に行える。

【００５７】また、請求項５に係る発明の燃料改質シス
テムによれば、原燃料とリサイクルガスの流量比を一定
に制御しているので、負荷変動などで原燃料の流量が変
化した場合にも、システムを安定して運転することがで
きる。

【００５８】また、請求項６に係る発明の燃料改質シス
テムによれば、リサイクルライン中の改質反応済の燃料
ガスが環境温度の影響を受けることを回避できるから、
水蒸気凝縮分離手段により水蒸気を凝縮分離除去した改
質反応済の燃料ガスの露点よりも環境温度が低い場合で
も、リサイクルラインで水分が凝縮することを防ぐこと
ができ、環境温度に左右されずにシステムを安定して運
転することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料改質システムの第１実施例を
示すブロック図である。

【図２】本発明に係る燃料改質システムの第２実施例を
示すブロック図である。

【図３】本発明に係る燃料改質システムの第３実施例を
示すブロック図である。

【図４】第３実施例の燃料改質システムを用いた固体高
分子型燃料電池の構成を示すブロック図である。

【図５】本発明に係る燃料改質システムの第４実施例を
示すブロック図である。

【図６】本発明に係る燃料改質システムの第５実施例を
示すブロック図である。

【図７】本発明に係る燃料改質システムの第６実施例を
示すブロック図である。

【図８】本発明に係る燃料改質システムの第７実施例を
示す詳細図である。

【図９】従来例の燃料改質システムを用いた固体高分子
型燃料電池の構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１，６，８，１３，１４，１８…燃料改質システム２…改質反応器３…ＣＯ選択酸化反応器４…水蒸気凝縮分離器５…リサイクルライン７…原燃料圧縮機９…脱硫器１０…ＣＯ変成器１５…原燃料定量ポンプ１６…リサイクルガス定量ポンプ１７…定量ポンプ制御装置１９…保温材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者神家規寿大阪市中央区平野町四丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者高見晋大阪市中央区平野町四丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内Ｆターム(参考） 4G040 EA03 EA06 EB01 EB31 EB32 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA16 BA17 KK21

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原燃料を改質して水素リッチガスに変換
する改質反応器と、前記改質反応器の下流側に設けられ
て、改質反応済の燃料ガス中のＣＯを選択的にＣＯ₂ に
酸化するＣＯ選択酸化反応器とを少なくとも備え、原燃
料を改質してＣＯ濃度の低い水素リッチガスを製造する
燃料改質システムにおいて、前記改質反応器の下流側であって前記ＣＯ選択酸化反応
器の上流側の間の改質反応済の燃料ガスの少なくとも一
部のガスから水蒸気を凝縮分離する水蒸気凝縮分離手段
と、前記水蒸気凝縮分離手段で水蒸気が凝縮分離除去された
ガスを、前記改質反応器に供給する原燃料にリサイクル
ガスとして混合するリサイクルラインとを備えたことを
特徴とする燃料改質システム。
【請求項２】請求項１に記載の燃料改質システムにお
いて、原燃料が気体であって、改質反応器の上流側に原燃料を
圧縮する原燃料圧縮機を設け、リサイクルラインを前記
原燃料圧縮機の吸入側に接続してある燃料改質システ
ム。
【請求項３】請求項１または２に記載の燃料改質シス
テムにおいて、改質反応器の上流側に脱硫器を設け、前記改質反応器と
ＣＯ選択酸化反応器との間に改質反応済の燃料ガス中の
ＣＯを水素に変換するＣＯ変成器とを設け、水蒸気凝縮
分離手段により前記ＣＯ変成器の下流側のガス中の水蒸
気を凝縮分離し、その水蒸気が凝縮分離除去されたガス
をリサイクルガスとしてリサイクルラインに流通させる
とともに、前記リサイクルラインを前記脱硫器の上流側
に接続してある燃料改質システム。
【請求項４】請求項１、２、３のいずれかに記載の燃
料改質システムにおいて、水蒸気凝縮分離手段を、ＣＯ選択酸化反応器の上流側で
改質反応器からの改質反応済の燃料ガスが全量通過する
ように設けてある燃料改質システム。
【請求項５】請求項１、２、３、４のいずれかに記載
の燃料改質システムにおいて、原燃料とリサイクルガスの流量比を制御する流量比制御
手段を設けてある燃料改質システム。
【請求項６】請求項１、２、３、４、５のいずれかに
記載の燃料改質システムにおいて、改質反応器およびリサイクルラインを保温材で被覆して
ある燃料改質システム。