JP5646370B2 - 燃料処理装置、燃料電池発電システム及びその運転方法 - Google Patents
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Description
前記燃料処理装置は、少なくとも水蒸気と炭化水素系ガスを含む原料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、前記改質器に熱を供給するバーナ燃焼器と、前記改質器で生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度をCOシフト反応により低下させる1つ又は複数のCOシフト反応器と、前記バーナ燃焼器から排出される排ガスが通流するガス流路を有し、該ガス流路との間で熱交換可能に水を保持する水室を有し、前記ガス流路を通流する排ガスと前記水室内の水とを熱交換させて水蒸気を発生させる水蒸発器と、前記水蒸発器よりも上流側において前記水蒸発器の水室の底面より低い位置に配置され、水出口よりも低い位置に配置された水入口を有する水流路を有し、該水流路との間で熱交換可能に高温のガスを通流させ、ガス入口と同じ高さであるか又はガス入口よりも低い位置に配置されたガス出口を有するガス流路を有し、前記水蒸発器に導入する水を前記高温のガスにより予熱する給水予熱器と、を具備することを特徴とする。
図1を参照して本発明の第1の実施形態を説明する。
改質器4に設けた図示しない折り返し流路で、温度が400℃〜500℃まで低下した水素リッチな改質ガスは、燃料予熱器の高温側流路10aに入り、さらに温度が低下し、200℃〜300℃程度になる。その後、第1のCOシフト反応器61に入り、COシフト触媒の作用により下式(2)のCOシフト反応が生じ、改質ガス中のCOモル分率が1.5%〜2.0%まで減少する。
上式(2)のCOシフト反応では、平衡時のCO濃度は温度が低いほど低下するが、この反応は発熱反応であるため、発熱を除去しないと温度が上昇し、これ以上COモル分率を下げることができない。そこで、COシフト熱交換器7で180℃程度まで温度を下げることにより第2のCOシフト反応器62でCOモル分率を0.5%以下まで減少させる。燃料処理装置2を出た150〜200℃の水素リッチな改質ガスは、冷却器22で冷却水により冷却され、水分が凝縮して90℃以下の温度に降下する。凝縮水は、プロセスドレンL20を通って冷却器22から排出され、冷却器22を出た水素リッチな改質ガスは、CO選択酸化用の空気が混入されたのちに、再び燃料処理装置2内に戻り、CO選択酸化反応器8に入る。CO選択酸化反応器8ではCO選択酸化触媒の作用により下式(3)のCO酸化反応が進み、COモル分率が10ppm以下に低減された水素リッチガスとなる。この低CO改質ガスは、改質ガス供給ラインL20を通って燃料処理装置2から燃料電池のセルスタック24に送り出される。
CO選択酸化反応器8を出た水素リッチな改質ガスは、アノードオフガスラインL31を通って燃料電池24のセルスタックのアノード極で水素を消費して発電したのち、残りの水素と改質しなかったメタンがアノードオフガスとなってバーナ燃焼器5へ導入され、都市ガスと混合され、都市ガスとともに燃焼される。バーナ燃焼ガスは、改質器4で改質反応と温度上昇のために熱を使われ、バーナ燃焼器5を出るときには400℃〜550℃の温度になって、水蒸発器9のバーナ排ガス流路9aに入る。水蒸発器9で水に熱を与えたバーナ排ガスは120℃〜150℃程度まで温度が低下する。
次に図4と図5を参照して第2の実施形態を説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。
図6を参照して第3の実施形態を説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。
図8を参照して第4の実施形態を説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。
3…脱硫器、4…改質器、5…バーナ燃焼器、
61…第1のCOシフト反応器、62…第2のCOシフト反応器、
7…排ガス再熱器(COシフト熱交換器)、
8…CO選択酸化反応器、
9…水蒸発器9a…水蒸発器バーナ排ガス流路、9b…水蒸発器水室、
10…燃料予熱器、10a…燃料予熱器の高温側流路、10b…燃料予熱器の低温側流路、
11,11A,11B,11C…給水予熱器、
11a…外側流路(改質水流路)、11b…内側流路(バーナ排ガス流路)、
12…水蒸気過熱器、12c…水蒸気流路、12d…水素リッチガス流路、
13,14…オリフィス、
21…原燃料供給源、22…冷却器、22a…ガス流路、22b…冷却水流路、
23…改質水供給源、24…燃料電池(セルスタック)、
31…外管、32…内管、33…内側流路(バーナ排ガス流路)、34…外側流路(改質水流路)、35…水入口、36…水出口、37…ガス入口、38…ガス出口、
41…シェル、42…チューブ、43…内側流路(バーナ排ガス流路)、44…外側流路(改質水流路)、45…水入口、46…水出口、47…ガス入口、48…ガス出口、
51…シェル、52…チューブ、53…内側流路(バーナ排ガス流路)、54…外側流路(改質水流路)、55…水入口、56…水出口、57…ガス入口、58…ガス出口、
61…シェル、62…チューブ、63a,63b…内側流路(バーナ排ガス流路)、64…外側流路(改質水流路)、65…水入口、66…水出口、67…ガス入口、68…ガス出口、69…ガス入口、70…ガス出口、71…仕切り、
B1…空気ブロワ、B2…原燃料ブロワ、P1…ポンプ、
V1〜V3…バルブ、L1〜L72…ライン。
Claims (9)
- 少なくとも水蒸気と炭化水素系ガスを含む原料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器に熱を供給するバーナ燃焼器と、
前記改質器で生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度をCOシフト反応により低下させる1つ又は複数のCOシフト反応器と、
前記バーナ燃焼器から排出される排ガスが通流するガス流路を有し、該ガス流路との間で熱交換可能に水を保持する水室を有し、前記ガス流路を通流する排ガスと前記水室内の水とを熱交換させて水蒸気を発生させる水蒸発器と、
前記水蒸発器よりも上流側において前記水蒸発器の水室の底面より低い位置に配置され、水出口よりも低い位置に配置された水入口を有する水流路を有し、該水流路との間で熱交換可能に前記排ガスを通流させ、ガス入口と同じ高さであるか又はガス入口よりも低い位置に配置されたガス出口を有するガス流路を有し、前記水蒸発器に導入する水を前記排ガスにより予熱する給水予熱器と、
を具備し、
前記給水予熱器は、水入口が最も低い位置になるように、水平に対して所定の角度に傾けて設置されている
ことを特徴とする燃料処理装置。 - 前記水蒸発器との熱交換後のバーナ排ガスにより前記COシフト反応器のうちの少なくとも1つと熱交換するCOシフト熱交換器をさらに有し、前記COシフト熱交換器から導出されたバーナ排ガスが前記給水予熱器のガス流路に導入されることを特徴とする請求項1記載の燃料処理装置。
- 前記給水予熱器のガス流路は、水との熱交換部およびその下流部がフェライト系ステンレス鋼により形成されていることを特徴とする請求項2記載の燃料処理装置。
- 前記給水予熱器は、前記バーナ燃焼器から排出される前記排ガスが通流する前記ガス流路と独立に設置された、前記COシフト反応器のうちの1つから導出される改質ガスが通流する改質ガス流路を有し、前記給水予熱器の前記水流路に供給される水は、前記ガス流路を通流する前記排ガスおよび前記改質ガス流路を通流する前記改質ガスと熱交換することを特徴とする請求項1記載の燃料処理装置。
- 前記水蒸発器を出た水蒸気が流れる水蒸気流路を有し、該水蒸気流路との間で熱交換可能に設けられ、前記COシフト反応器のうちの1つから導出される改質ガスが流れる改質ガス流路を有する水蒸気過熱器をさらに有することを特徴とする請求項1記載の燃料処理装置。
- 前記水蒸気過熱器が、前記水蒸発器を出た水蒸気が流れる外側流路を、前記COシフト反応器のうちの1つから導出される改質ガスが流れる内側流路の周囲を覆うように設置することを特徴とする請求項5記載の燃料処理装置。
- 前記水蒸気過熱器の水蒸気の入口部が最も低い位置になるように、前記水蒸気過熱器を水平に対して0°以上90°未満の角度に設置することを特徴とする請求項5記載の燃料処理装置。
- 原料ガスを改質して水素を含む改質ガスを得る燃料処理装置と、前記燃料処理装置から供給される改質ガスを燃料として用いて発電を行う燃料電池と、を有する燃料電池発電システムであって、
前記燃料処理装置は、
少なくとも水蒸気と炭化水素系ガスを含む原料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器に熱を供給するバーナ燃焼器と、
前記改質器で生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度をCOシフト反応により低下させる1つ又は複数のCOシフト反応器と、
前記バーナ燃焼器から排出される排ガスが通流するガス流路を有し、該ガス流路との間で熱交換可能に水を保持する水室を有し、前記ガス流路を通流する排ガスと前記水室内の水とを熱交換させて水蒸気を発生させる水蒸発器と、
前記水蒸発器よりも上流側において前記水蒸発器の水室の底面より低い位置に配置され、水出口よりも低い位置に配置された水入口を有する水流路を有し、該水流路との間で熱交換可能に前記排ガスを通流させ、ガス入口と同じ高さであるか又はガス入口よりも低い位置に配置されたガス出口を有するガス流路を有し、前記水蒸発器に導入する水を前記排ガスにより予熱する給水予熱器と、
を具備し、
前記給水予熱器は、水入口が最も低い位置になるように、水平に対して所定の角度に傾けて設置されている
ことを特徴とする燃料電池発電システム。 - 請求項8記載の燃料電池発電システムを運転操作し、停止し、保守点検する燃料電池発電システムの運転方法において、
ブローダウン時に前記給水予熱器の水流路に連通するラインの遮断弁を大気開放し、重力の作用により前記給水予熱器の水流路内に残留している水を該水流路から排出することを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
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