JP2007055868A

JP2007055868A - 燃料改質装置

Info

Publication number: JP2007055868A
Application number: JP2005245449A
Authority: JP
Inventors: Isao Nakagawa; 功夫中川
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2005-08-26
Filing date: 2005-08-26
Publication date: 2007-03-08

Abstract

【目的】短時間で速やかに起動でき、かつ、定常運転に際して熱効率の高い安定した脱硫運転ができる脱硫器を備えた燃料改質装置を得る。
【構成】水蒸気改質器１０、脱硫器３０、ＣＯ変成器４０、ＣＯ除去器５０を備えて構成されるものにおいて、脱硫器３０の第1の脱硫層３１の壁面と、燃焼排ガス流通管Ａ２３の上端面との間に、第1の脱硫層３１を加温する伝熱手段６０を組み込むとともに、水蒸気改質器１０で改質された水蒸気改質ガスを脱硫器３０の内部に導き、第1の脱硫層３１と第２の脱硫層３２の壁面に沿って流通させることによって、脱硫するために導入した都市ガスを加温し、効率よく脱硫処理する。
【選択図】図１

Description

本発明は、都市ガスやＬＰＧ等の原燃料を脱硫、水蒸気改質し、さらには含まれる一酸化炭素を変成、除去して、水素濃度の高い改質ガスを得る燃料改質装置に関する。

燃料電池発電装置においては、一般に、脱硫器や水蒸気改質器、さらにはＣＯ変成器、ＣＯ除去器等を組込んで構成した燃料改質装置に都市ガスやＬＰＧ等の原燃料を供給して改質し、得られた高水素濃度の改質ガスを燃料ガスとして燃料電池の燃料極に送って発電している。従来の１ｋＷ級の固体高分子形燃料電池発電装置に用いられている燃料改質装置においては、通常、原燃料として都市ガスが用いられ、都市ガス中の硫黄分を常温脱硫方式によって吸着除去する方式の脱硫器が用いられている。しかしながら、この常温脱硫方式の脱硫器は硫黄の吸着可能量が少量であるため頻繁にメンテナンスを行わなければならないという欠点があり、また、りん酸形燃料電池発電装置の燃料改質装置に用いられている後述の水添脱硫方式の脱硫器に比較して脱硫レベルが低いので、除去されなかった硫黄によって後段の改質器に貯留された改質触媒が被毒されるという難点がある。

一方、りん酸形燃料電池発電装置の燃料改質装置に用いられている水添脱硫方式の脱硫器は、常温脱硫方式の脱硫器に比べて脱硫レベルが高く、改質触媒の被毒が生じる恐れはないが、脱硫反応を行わせるためには250 ℃程度の反応温度に保持する必要がある。したがって、この水添脱硫方式を採用する場合には、脱硫器が改質器等の燃料改質装置を構成する各種機器の発熱によって効果的に加熱されて反応温度に保持されることが必要であり、特に、起動の際に短時間で反応温度に到達する、起動時間の短い脱硫器として構成する必要がある。
水添脱硫方式の脱硫器を用いる際のこのような技術的課題を解決する燃料改質装置として、特許文献１には、水蒸気改質する改質器の加熱に用いられる燃焼排ガスによって脱硫器を加熱し、効果的に最適反応温度に昇温する方式の燃料改質装置が開示されている。また、特許文献２には、最適反応温度の250℃のみならずこれより温度の低い常温を含む温度領域でも脱硫作用を有する特性の水添吸着脱硫剤を使用することによって、起動とともに脱硫反応がすみやかに進行し、短時間で最適反応温度に昇温されて作動する脱硫器を組込んだ燃料改質装置が開示されている。
特開2002−179406号公報特開2003−17109号公報

上記のように、１ｋＷ級の固体高分子形燃料電池発電装置等の定置型の燃料電池発電装置では、燃料改質装置により都市ガスを改質して高水素濃度の改質ガスを生成し、燃料電池に供給する燃料ガスとして用いる方法がとられており、この種の燃料電池発電装置の開発においては、コンパクトで、効率的な運転が可能な燃料改質装置の開発が重要課題となっている。一方、この燃料改質装置では、脱硫反応、水蒸気改質反応、さらにはＣＯ変成反応、ＣＯ除去反応等を順次進行させる必要があるが、これらの反応にはそれぞれの最適温度があり、かつ、吸熱反応部分と発熱反応部分が混在することとなるので、燃料改質装置の構成は複雑となり、上記の特許文献に開示されているように種々の試みがなされている。
本発明は、このような技術の現状を顧慮してなされたもので、本発明の目的は、起動時に脱硫器が速やかに作動して短時間で定常の脱硫反応へと移行し、かつ、定常運転において過剰な熱の投入を行うことなく脱硫器が効果的に加熱されて、経済的に脱硫反応が行われる脱硫器を備えた、コンパクトな構成の燃料改質装置を提供することにある。

本発明においては、上記の目的を達成するために、都市ガスやＬＰＧ等の原燃料を改質して水素濃度の高い改質ガスを得る燃料改質装置で、少なくとも、原燃料を脱硫層に流通して脱硫する脱硫器と、脱硫した原燃料と水蒸気を燃焼排ガスにより加熱された改質層に導いて水蒸気改質する改質器とを備える燃料改質装置において、
（１）脱硫器の脱硫層の壁面と改質器の燃焼排ガスの流通管の壁面との間に燃焼排ガスから脱硫層へと熱を伝達する伝熱手段、例えば、上端を脱硫器の脱硫層の壁面に熱的に連結し、下端を改質器の燃焼排ガスの流通管の壁面に熱的に連結したヒートパイプにより構成した伝熱手段を備え、かつ、改質層を流通した後の加熱された改質ガスが脱硫器の脱硫層の外面に接して流通し、脱硫層を加熱するように構成する。
（２）さらに、上記（１）において、脱硫器の脱硫層を、円筒状の第１の脱硫層と、この第１の脱硫層の外側に同心円状に配された第２の脱硫層から構成し、改質層を流通した後の加熱された改質ガスが円筒状の第１の脱硫層の中心部より脱硫器内部へと導入され、第１の脱硫層の外面に接して流通したのち、第２の脱硫層の外面に接して流通し、脱硫器の外部へと取出されるように構成することとし、第１の脱硫層と第２の脱硫層に、それぞれ水添触媒と吸着触媒を充填して用いることとする。あるいは、第１の脱硫層に水添触媒を充填し、第２の脱硫層に吸着触媒を充填して用いることとする。

都市ガス等の原燃料を水蒸気改質する燃料改質装置においては、燃料ガスをバーナーにより燃焼させ、得られる燃焼熱によって改質器を加熱することによって改質反応を促進している。したがって改質器からは加熱に寄与した後の高温の燃焼排ガスが排出されているので、上記の（１）に記したように、脱硫器の脱硫層の壁面と改質器の燃焼排ガスの流通管の壁面との間に燃焼排ガスから脱硫層へと熱を伝達する伝熱手段、例えば、ヒートパイプのごとき伝熱手段を備えれば、この伝熱手段によって伝達される熱によって起動時に脱硫層が速やかに加熱される。したがって、専用の起動時用のヒーターを用意しなくとも、脱硫層が効果的に加熱されて、容易に作動させることができる。また、同じく上記の（１）に記したように、改質層を流通した後の加熱された改質ガスが脱硫器の脱硫層の外面に接して流通し、脱硫層を加熱するように構成すれば、定常運転時にも燃焼熱が脱硫層の加熱に有効に利用され、熱効率のよい燃料改質装置が得られることとなる。

また、上記（２）のように、脱硫器の脱硫層を、円筒状の第１の脱硫層と、この第１の脱硫層の外側に同心円状に配された第２の脱硫層から構成し、改質層を流通した後の加熱された改質ガスが円筒状の第１の脱硫層の中心部より脱硫器内部へと導入され、第１の脱硫層の外面に接して流通したのち、第２の脱硫層の外面に接して流通し、脱硫器の外部へと取出されるように構成すれば、脱硫層の厚さが薄くなるので、脱硫層に収納された触媒の高温改質ガスによる加熱がより効果的に行われ、より熱効率のよい燃料改質装置が得られることとなる。

本発明の最良の実施形態は、都市ガスやＬＰＧ等の原燃料を改質して水素濃度の高い改質ガスを得る燃料改質装置で、少なくとも、脱硫層に原燃料を流通して脱硫する脱硫器と、燃焼排ガスにより加熱された改質層に脱硫した原燃料と水蒸気を導いて水蒸気改質する改質器とを備える燃料改質装置において、脱硫器の脱硫層の壁面と改質器の燃焼排ガスの流通管の壁面との間に燃焼排ガスから脱硫層へと熱を伝達する、例えば、ヒートパイプのごとき伝熱手段を備え、かつ、改質層を流通した後の加熱された改質ガスが脱硫器の脱硫層の外面に接して流通し、脱硫層を加熱するように構成した実施形態にある。

図１は、本発明の燃料改質装置の実施例の断面構成とガスおよび水の流れの概要を模式的に示した説明図で、原燃料として用いた都市ガスを脱硫処理、水蒸気改質処理、ＣＯ変成処理、ＣＯ除去処理して、高水素濃度の燃料ガスへと改質する燃料改質装置を例示したものである。図１において、１０は、水蒸気改質触媒１１を収納した円筒状の水蒸気改質器、２０は、水蒸気改質器１０の下端に組み込まれた改質器バーナー、３０は、２個の円筒状の脱硫層３１，３２を同心状に配して組み込んだ脱硫器、４０は、水蒸気改質器１０の外側に円筒状の燃焼排ガス流通管Ａ２３，Ｂ２４、断熱層２５を介して同心状に配置したＣＯ変成触媒４１を収納したＣＯ変成器、５０は、このＣＯ変成器の下端に同心状に連結された、選択酸化触媒５１を収納したＣＯ除去器である。
本実施例の構成の燃料改質装置においては、都市ガスは、まず、脱硫器３０の第１の脱硫層３１、つづいて第２の脱硫層３２へと送られて脱硫される。この脱硫器３０の第１の脱硫層３１の壁面と燃焼排ガス流通管Ａ２３の上端面との間にはヒートパイプからなる伝熱手段６０が組み込まれており、燃焼排ガスにより加熱された流通管からの熱を受けて第１の脱硫層３１が効果的に加温されるよう構成されている。したがって、装置の起動の際、瞬時に発熱を生じる燃焼排ガスにより第１の脱硫層３１が加熱されることとなるので、早期に脱硫層が所定の運転温度に到達し、脱硫反応が進行することとなる。

また、脱硫器３０の内部の中心部には水蒸気改質器１０で改質された高温の水蒸気改質ガスを導入する水蒸気改質ガス排出管１２が挿入されており、高温の水蒸気改質ガスは第１の脱硫層３１の側面に沿って通流したのち、つづいて第２の脱硫層３２の側面に沿って通流することとなる。したがって、水蒸気改質ガスは脱硫層と広い表面で熱接触し、水蒸気改質ガスから脱硫層への伝熱が効果的に行われることとなる。これにより、導入された都市ガスが所定の温度へと定常的に加熱されて脱硫反応が効果的に行われる。なお、このように水蒸気改質器１０で改質された高温の水蒸気改質ガスを脱硫器３０の内部に導入する構成とすれば、脱硫層への伝熱が効果的に行われ、脱硫反応が効果的に行われることとなるが、脱硫器３０の内部に導入する水蒸気改質ガスの温度を高くすればするほど脱硫層の温度を高くでき、また、脱硫層の厚さを薄くすればするほど脱硫触媒の温度が高くなり、脱硫反応がより速やかに進行するので好適である。

脱硫器３０の第１の脱硫層３１と第２の脱硫層３２を通流して脱硫された都市ガスは、水蒸気改質器１０の燃焼排ガス流通管Ｂ２４の外面に接して備えられた改質水蒸発部２６を通して供給される水蒸気とともに水蒸気改質器１０へと送られ、改質器バーナー２０での燃焼ガスの燃焼により加熱、昇温された水蒸気改質触媒１１中を通流して水蒸気改質される。水蒸気改質器１０での水蒸気改質反応により得られた水蒸気改質ガスは、水蒸気改質ガス排出管１２を通して脱硫器３０へと送られ、前述のごとく、第１の脱硫層３１、つづいて第２の脱硫層３２の側面に沿って通流し、脱硫器３０を加熱して原燃料の脱硫に寄与したのち、含まれる一酸化炭素の濃度を下げるために、ＣＯ変成器４０へと送られる。
内部にＣＯ変成触媒４１を収納したＣＯ変成器４０は、脱硫器３０の燃焼排ガス流通管Ｂ２４の外面に備えられた改質水蒸発部２６の外側に円筒状に配されており、内面に高温の水蒸気が流れる改質水蒸発部２６を接して配し、外面に燃焼用の空気を昇温させるための燃焼空気予熱部４２を接して配することによってＣＯ変成触媒４１の温度が制御され、この反応温度において適正なＣＯ変成反応が行われている。ＣＯ変成器４０へ送られる脱硫された水蒸気改質ガスは、脱硫器３０での水蒸気改質前の原燃料ガスとの熱交換によって十分冷却されて導入されるため、ＣＯ変成触媒４１によるメタネーション等が抑制され、安定してＣＯ変成反応が行われる。

ＣＯ変成反応によりＣＯの濃度が抑制された水蒸気改質ガスは、つづいて、選択酸化触媒５１を収納したＣＯ除去器５０へと送られ、選択酸化反応によってさらに極めて低いＣＯ濃度レベルへと処理される。このとき、ＣＯ除去器５０の選択酸化触媒５１は、改質水蒸発部２６で加温された伝熱粒子層５３を内面に配し、改質用水蒸気を得るための改質水を流す改質水予熱部５２を外面に配することによって、適正な反応温度に保持されて選択酸化反応を推進する。
本実施例の燃料改質装置は、上記のように、水蒸気改質器１０、改質器バーナー２０、脱硫器３０、ＣＯ変成器４０、ＣＯ除去器５０を、各機器の反応温度を勘案して有機的に組合わせ、特に脱硫器３０の脱硫触媒が効果的に加熱されるように構成されているので、装置起動時の脱硫処理が速やかに行われ、かつ、装置定常運転時の脱硫処理が安定して行われることとなる。

以上述べたように、本発明の燃料改質装置においては、原燃料を脱硫層に流通して脱硫する脱硫器と、脱硫した原燃料と水蒸気を燃焼排ガスにより加熱された改質層に導いて水蒸気改質する改質器とを備える燃料改質装置において、脱硫器の脱硫層の壁面と改質器の燃焼排ガスの流通管の壁面との間に燃焼排ガスから脱硫層へと熱を伝達する伝熱手段を備え、かつ、改質層を流通した後の加熱された改質ガスが脱硫器の脱硫層の外面に接して流通し、脱硫層を加熱するように構成することとしたので、専用の起動時用のヒーターを用意しなくとも、起動時に脱硫層が効果的に加熱されて、容易に作動させることが可能となり、また、定常運転時にも燃焼熱が脱硫層の加熱に有効に利用され、熱効率のよい運転が可能となる。したがって、本発明の燃料改質装置は、燃料電池発電装置に用いられている燃料改質装置、例えば１ｋＷ級の固体高分子形燃料電池発電装置に用いられている燃料改質装置として有効に使用される。

本発明の燃料改質装置の実施例の断面構成とガスおよび水の流れの概要を模式的に示した説明図

符号の説明

１０水蒸気改質器
１１水蒸気改質触媒
１２水蒸気改質ガス排出管
２０改質器バーナー
２３燃焼排ガス流通管Ａ
２４燃焼排ガス流通管Ｂ
２５断熱層
２６改質水蒸発部
３０脱硫器
３１第１の脱硫層
３２第２の脱硫層
４０ＣＯ変成器
４１ＣＯ変成触媒
４２燃焼空気予熱部
５０ＣＯ除去器
５１選択酸化触媒
５２改質水予熱部
５３伝熱粒子層
６０伝熱手段（ヒートパイプ）

Claims

都市ガスやＬＰＧ等の原燃料を改質して水素濃度の高い改質ガスを得る燃料改質装置で、少なくとも、原燃料を脱硫層に流通して脱硫する脱硫器と、脱硫した原燃料と水蒸気を燃焼排ガスにより加熱された改質層に導いて水蒸気改質する改質器とを備える燃料改質装置において、前記脱硫器の脱硫層の壁面と前記改質器の燃焼排ガスの流通管の壁面との間に燃焼排ガスから脱硫層へと熱を伝達する伝熱手段を備え、かつ、前記改質層を流通した後の加熱された改質ガスが前記脱硫器の脱硫層の外面に接して流通し、脱硫層を加熱するように構成されていることを特徴とする燃料改質装置。
請求項１に記載の燃料改質装置において、脱硫器の脱硫層の壁面と改質器の燃焼排ガスの流通管の壁面との間に備えられた脱硫層を加熱する前記伝熱手段が、上端を脱硫器の脱硫層の壁面に熱的に連結し、下端を改質器の燃焼排ガスの流通管の壁面に熱的に連結したヒートパイプにより構成されていることを特徴とする燃料改質装置。
請求項１または２に記載の燃料改質装置において、前記脱硫器の脱硫層が、円筒状の第１の脱硫層と、この第１の脱硫層の外側に同心円状に配された第２の脱硫層からなり、改質層を流通後の加熱された改質ガスが円筒状の第１の脱硫層の中心部より脱硫器内部へと導入され、第１の脱硫層の外面に接して流通したのち、第２の脱硫層の外面に接して流通し、脱硫器の外部へと取出されるように構成されていることを特徴とする燃料改質装置。
請求項３に記載の燃料改質装置において、脱硫器の前記第１の脱硫層と前記第２の脱硫層に、それぞれ水添触媒と吸着触媒を充填して用いることを特徴とする燃料改質装置。
請求項３に記載の燃料改質装置において、脱硫器の前記第１の脱硫層に水添触媒を充填し、また前記第２の脱硫層に吸着触媒を充填して用いることを特徴とする燃料改質装置。