JP4115092B2 - 燃料改質装置 - Google Patents
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Description
【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１０−２６５２０１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、
前記固定床燃料改質器の燃焼排ガス流路の管部分内に前記蒸気発生器を複数個配置し、前記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。
本発明の請求項１記載の燃料改質装置は、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。
【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、原料炭化水素系燃料を燃焼排ガス流路外から前記脱硫器へ供給する原燃料供給用配管に設けた開口部から前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。
【００１３】
本発明の請求項３記載の燃料改質装置は、請求項１あるいは請求項２記載の燃料改質装置において、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。
【００１４】
本発明の請求項４記載の燃料改質装置は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料改質装置において、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。
【００１５】
本発明の請求項５記載の燃料改質装置は、請求項４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。
【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、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。
【００１７】
本発明の請求項７記載の燃料改質装置は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の燃料改質装置において、前記脱硫器、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。
【００１８】
本発明の請求項８記載の燃料改質装置は、請求項７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、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。
【００１９】
【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１参考用実施形態：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参考用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、参考用の燃料改質装置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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
図１および図２に示したように、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２１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。
【００２５】
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５〜１０ｍｍ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。
【００２６】
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５〜３０ｍｍ、好ましくは５〜２０ｍｍであることが望ましい。５ｍｍ未満では脱硫剤を充填できない恐れがあり、３０ｍｍ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。
【００２７】
参考用の燃料改質装置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。
【００２８】
（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参考用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、参考用の燃料改質装置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へ供給される以外は図１に示した参考用の燃料改質装置５１と同様になっている。参考用の燃料改質装置５１Ａは図１に示した参考用の燃料改質装置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。
【００２９】
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。
【００３０】
（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参考用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、参考用の燃料改質装置５１Ｂは、脱硫器２０が、燃焼排ガス流路の管部分３３の内壁との間に間隙ｄ３を置いて配置され、脱硫器２０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に示した参考用の燃料改質装置５１Ａと同様になっている。
【００３１】
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、参考用の燃料改質装置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に示した参考用の燃料改質装置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。
【００３２】
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２０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。
【００３３】
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。
【００３４】
（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参考用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に示した参考用の燃料改質装置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。
【００３５】
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。
【００３６】
参考用の燃料改質装置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。
【００３７】
また、参考用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。
【００３８】
（２）第２参考用実施形態：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参考用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、参考用の燃料改質装置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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
参考用の燃料改質装置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。
【００４４】
（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参考用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、参考用の燃料改質装置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に示した参考用の燃料改質装置５１Ｄと同様になっている。
【００４５】
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、参考用の燃料改質装置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に示した参考用の燃料改質装置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。
【００４６】
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。
【００４７】
（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参考用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に示した参考用の燃料改質装置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。
参考用の燃料改質装置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。
【００４８】
（３）参考用第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参考用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、参考用の燃料改質装置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。
【００４９】
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。
【００５０】
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３６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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
参考用の燃料改質装置５１Ｇは、脱硫器２０とともに蒸気発生器１０も燃焼排ガス流路の管部分３３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。
【００５６】
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１０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。
【００５７】
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。
【００５８】
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１０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。
【００５９】
（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参考用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、参考用の燃料改質装置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１０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に示した参考用の燃料改質装置５１Ｇと同様になっている。
【００６０】
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、参考用の燃料改質装置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に示した参考用の燃料改質装置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。
【００６１】
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。
【００６２】
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１０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。
【００６３】
（３−３）本発明の第１実施形態：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１０Ｂ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。
【００６４】
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℃）。
【００６５】
そして混合ガスは脱硫器２０の脱硫剤層２１（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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
約２００〜３５０℃に維持された脱硫器２０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１０Ａ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１０Ｂで、さらに昇温され、改質触媒層３１に投入される。
【００７０】
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１０Ｂ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。
【００７１】
（４）本発明の第２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３６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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
図１８は、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。
【００８１】
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）＝１５．４℃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。
【００８２】
図１７〜図１８から、原燃料供給用配管３６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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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６１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。
【００８６】
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２１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。
【００８７】
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。
【００８８】
【発明の効果】
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、
前記固定床燃料改質器の燃焼排ガス流路の管部分内に前記蒸気発生器を複数個配置し、前記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ものであり、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。
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。
【００８９】
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、原料炭化水素系燃料を燃焼排ガス流路外から前記脱硫器へ供給する原燃料供給用配管に設けた開口部から前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ものであり、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さらなる顕著な効果を奏する。
【００９０】
本発明の請求項３記載の燃料改質装置は、請求項１あるいは請求項２記載の燃料改質装置において、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ものであり、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さらなる顕著な効果を奏する。
【００９１】
本発明の請求項４記載の燃料改質装置は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料改質装置において、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ものであり、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さらなる顕著な効果を奏する。
【００９２】
本発明の請求項５記載の燃料改質装置は、請求項４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ものであり、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さらなる顕著な効果を奏する。
【００９３】
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、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ものであり、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さらなる顕著な効果を奏する。
【００９４】
本発明の請求項７記載の燃料改質装置は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の燃料改質装置において、前記脱硫器、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ものであり、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さらなる顕著な効果を奏する。
【００９５】
本発明の請求項８記載の燃料改質装置は、請求項７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、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ものであり、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さらなる顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考用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に示した参考用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】 参考用の他の燃料改質装置の断面説明図である。
【図４】 図３に示した参考用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】 参考用の他の燃料改質装置の断面説明図である。
【図６】 図５に示した参考用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】 参考用の他の燃料改質装置を説明する断面説明図である。
【図８】 参考用の他の燃料改質装置を説明する断面説明図である。
【図９】 参考用の他の燃料改質装置を説明する断面説明図である。
【図１０】 参考用の他の燃料改質装置を説明する断面説明図である。
【図１１】 参考用の他の燃料改質装置を説明する断面説明図である。
【図１２】 参考用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】
ｄ２ 管部分の径
ｄ１ 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
【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１０−２６５２０１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、
前記固定床燃料改質器の燃焼排ガス流路の管部分内に前記蒸気発生器を複数個配置し、前記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。
本発明の請求項１記載の燃料改質装置は、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。
【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、原料炭化水素系燃料を燃焼排ガス流路外から前記脱硫器へ供給する原燃料供給用配管に設けた開口部から前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。
【００１３】
本発明の請求項３記載の燃料改質装置は、請求項１あるいは請求項２記載の燃料改質装置において、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。
【００１４】
本発明の請求項４記載の燃料改質装置は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料改質装置において、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。
【００１５】
本発明の請求項５記載の燃料改質装置は、請求項４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。
【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、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。
【００１７】
本発明の請求項７記載の燃料改質装置は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の燃料改質装置において、前記脱硫器、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。
【００１８】
本発明の請求項８記載の燃料改質装置は、請求項７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、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。
【００１９】
【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１参考用実施形態：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参考用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、参考用の燃料改質装置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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
図１および図２に示したように、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２１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。
【００２５】
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５〜１０ｍｍ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。
【００２６】
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５〜３０ｍｍ、好ましくは５〜２０ｍｍであることが望ましい。５ｍｍ未満では脱硫剤を充填できない恐れがあり、３０ｍｍ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。
【００２７】
参考用の燃料改質装置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。
【００２８】
（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参考用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、参考用の燃料改質装置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へ供給される以外は図１に示した参考用の燃料改質装置５１と同様になっている。参考用の燃料改質装置５１Ａは図１に示した参考用の燃料改質装置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。
【００２９】
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。
【００３０】
（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参考用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、参考用の燃料改質装置５１Ｂは、脱硫器２０が、燃焼排ガス流路の管部分３３の内壁との間に間隙ｄ３を置いて配置され、脱硫器２０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に示した参考用の燃料改質装置５１Ａと同様になっている。
【００３１】
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、参考用の燃料改質装置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に示した参考用の燃料改質装置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。
【００３２】
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２０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。
【００３３】
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。
【００３４】
（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参考用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に示した参考用の燃料改質装置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。
【００３５】
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。
【００３６】
参考用の燃料改質装置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。
【００３７】
また、参考用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。
【００３８】
（２）第２参考用実施形態：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参考用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、参考用の燃料改質装置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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
参考用の燃料改質装置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。
【００４４】
（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参考用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、参考用の燃料改質装置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に示した参考用の燃料改質装置５１Ｄと同様になっている。
【００４５】
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、参考用の燃料改質装置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に示した参考用の燃料改質装置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。
【００４６】
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。
【００４７】
（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参考用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に示した参考用の燃料改質装置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。
参考用の燃料改質装置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。
【００４８】
（３）参考用第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参考用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、参考用の燃料改質装置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。
【００４９】
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。
【００５０】
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３６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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
参考用の燃料改質装置５１Ｇは、脱硫器２０とともに蒸気発生器１０も燃焼排ガス流路の管部分３３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。
【００５６】
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１０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。
【００５７】
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。
【００５８】
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１０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。
【００５９】
（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参考用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、参考用の燃料改質装置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１０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に示した参考用の燃料改質装置５１Ｇと同様になっている。
【００６０】
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、参考用の燃料改質装置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に示した参考用の燃料改質装置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。
【００６１】
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。
【００６２】
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１０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。
【００６３】
（３−３）本発明の第１実施形態：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１０Ｂ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。
【００６４】
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℃）。
【００６５】
そして混合ガスは脱硫器２０の脱硫剤層２１（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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
約２００〜３５０℃に維持された脱硫器２０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１０Ａ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１０Ｂで、さらに昇温され、改質触媒層３１に投入される。
【００７０】
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１０Ｂ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。
【００７１】
（４）本発明の第２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３６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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
図１８は、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。
【００８１】
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）＝１５．４℃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。
【００８２】
図１７〜図１８から、原燃料供給用配管３６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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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６１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。
【００８６】
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２１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。
【００８７】
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。
【００８８】
【発明の効果】
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、
前記固定床燃料改質器の燃焼排ガス流路の管部分内に前記蒸気発生器を複数個配置し、前記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ものであり、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。
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。
【００８９】
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、原料炭化水素系燃料を燃焼排ガス流路外から前記脱硫器へ供給する原燃料供給用配管に設けた開口部から前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ものであり、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さらなる顕著な効果を奏する。
【００９０】
本発明の請求項３記載の燃料改質装置は、請求項１あるいは請求項２記載の燃料改質装置において、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ものであり、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さらなる顕著な効果を奏する。
【００９１】
本発明の請求項４記載の燃料改質装置は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料改質装置において、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ものであり、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さらなる顕著な効果を奏する。
【００９２】
本発明の請求項５記載の燃料改質装置は、請求項４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ものであり、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さらなる顕著な効果を奏する。
【００９３】
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、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ものであり、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さらなる顕著な効果を奏する。
【００９４】
本発明の請求項７記載の燃料改質装置は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の燃料改質装置において、前記脱硫器、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ものであり、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さらなる顕著な効果を奏する。
【００９５】
本発明の請求項８記載の燃料改質装置は、請求項７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、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ものであり、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さらなる顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考用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に示した参考用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】 参考用の他の燃料改質装置の断面説明図である。
【図４】 図３に示した参考用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】 参考用の他の燃料改質装置の断面説明図である。
【図６】 図５に示した参考用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】 参考用の他の燃料改質装置を説明する断面説明図である。
【図８】 参考用の他の燃料改質装置を説明する断面説明図である。
【図９】 参考用の他の燃料改質装置を説明する断面説明図である。
【図１０】 参考用の他の燃料改質装置を説明する断面説明図である。
【図１１】 参考用の他の燃料改質装置を説明する断面説明図である。
【図１２】 参考用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】
ｄ２ 管部分の径
ｄ１ 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
Claims (8)
- 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、
前記固定床燃料改質器の燃焼排ガス流路の管部分内に前記蒸気発生器を複数個配置し、前記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燃料改質装置。 - 原料炭化水素系燃料を燃焼排ガス流路外から前記脱硫器へ供給する原燃料供給用配管に設けた開口部から前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１記載の燃料改質装置。
- 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あるいは請求項２記載の燃料改質装置。
- 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３のいずれかに記載の燃料改質装置。
- 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４記載の燃料改質装置。
- 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５のいずれかに記載の燃料改質装置。
- 前記脱硫器、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６のいずれかに記載の燃料改質装置。
- 前記脱硫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７記載の燃料改質装置。
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