(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微量な酸素，硫黄分を含む都市ガスを原燃料とし、該原燃料を燃焼触媒器、脱硫器，水蒸気改質器，ＣＯ変成器を経て改質した水素リッチな改質ガスを燃料電池の燃料極に供給して発電する燃料電池発電システムにおいて、
前記脱硫器と前記燃焼触媒器を一体化して同一の反応容器内に硫黄吸着用触媒を充填した脱硫部，および原燃料に含まれる酸素を原燃料の成分である炭化水素との反応により炭酸ガスと水に変えて除去する酸素燃焼用触媒を充填した酸素燃焼部を画成し、
原燃料を前記酸素燃焼部，前記脱硫部の順に通流させて酸素除去，脱硫処理することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
微量な酸素，硫黄分を含む都市ガスを原燃料とし、該原燃料を燃焼触媒器、水素添加式の脱硫器，水蒸気改質器，ＣＯ変成器を経て改質した水素リッチな改質ガスを燃料電池の燃料極に供給して発電する燃料電池発電システムにおいて、
前記水素添加式の脱硫器と前記燃焼触媒器を一体化して同一の反応容器内に硫黄吸着用触媒を充填した脱硫部，および原燃料に含まれる酸素を前記反応容器の上流側に接続された水素供給源から投入した水素との反応により水に変えて除去する酸素燃焼用触媒を充填した酸素燃焼部を画成し、
原燃料を前記酸素燃焼部，脱硫部の順に通流させて酸素除去，脱硫処理することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記水素供給源は前記ＣＯ変成器の下流側から得た改質ガスであり、該改質ガスはリサイクル管路により前記一体化された水素添加式の脱硫器と燃焼触媒器の入口側に接続されることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項４】
請求項２，または３記載の燃料電池発電システムにおいて、前記水素供給源による原燃料への添加水素量を、少なくとも原燃料の脱硫，および原燃料に含まれている酸素との反応に必要な量に制御することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項１，または２記載の燃料電池発電システムにおいて、燃焼触媒器が燃焼触媒を反応温度に加熱する点火，恒温用のヒータを備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池発電システムにおいて、燃焼触媒にＰｔ，Ｐｄ，もしくはＰｔ−Ｐｄ系の燃焼触媒を採用し、かつヒータ加熱により燃焼触媒を２００℃以上の反応温度に保つようにしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微量な酸素を添加した都市ガス（例えば１２Ａガス）を原燃料に使用し、該原燃料を脱硫器，水蒸気改質器，ＣＯ変成器を経て改質した水素リッチな改質ガスを燃料電池の燃料極に供給して発電する燃料電池発電システム、特にその燃料改質系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、都市ガス相当の天然ガスを原燃料として燃料電池（リン酸形燃料電池）に供給する水素リッチな燃料ガスを生成するためには水蒸気改質法が一般に採用されている。また、硫黄分（天然ガスを都市ガスとして使用するには付臭剤として有機硫黄化合物が添加されている）を含む原燃料を水蒸気改質するには、改質触媒を硫黄による被毒から保護するために、水蒸気改質工程の前処理として原燃料に含まれている硫黄分を低める脱硫工程が必要であり、この脱硫には原燃料に水素を添加し、Ｃｏ−Ｍｏ系，  Ｎｉ−Ｍｏ系の水素添加触媒（該触媒にはあらかじめ硫黄を担持させて加硫しておく）により硫黄化合物を分解して硫化水素に変えた後、さらに硫化水素を酸化亜鉛との反応により硫化亜鉛として吸着，除去させる水素添加方式の脱硫器が一般に採用されている。さらに、水蒸気改質工程の後処理として、燃料電池の電極触媒（白金）を被毒から保護するために改質ガス中に含まれているＣＯをＣＯ２  に変えるＣＯ変成工程を行っている。
【０００３】
図４は原燃料に都市ガス（天然ガスに有機硫黄化合物を添加したもの）を原燃料に使用する燃料電池発電システムにおける従来の燃料改質系の系統図であり、図において、１はリン酸形燃料電池、２は水蒸気改質器、３は水素添加方式の脱硫器、４はＣＯ変成器である。かかる構成で、天然ガスに付臭剤として有機硫黄化合物を添加した都市ガス相当の原燃料を燃料改質系に供給する場合に、まず原燃料に水素を添加（水素の添加法については後記する）し、続いて熱交換器５により昇温して脱硫器３に導入し、水素添加触媒の上で次記の反応式により原燃料に含まれている有機硫黄化合物を脱硫させる。
【０００４】
Ｒ−ＳＨ＋Ｈ２  →Ｒ−Ｈ＋Ｈ２  Ｓ
Ｈ２  Ｓ＋ＺｎＯ→ＺｎＳ＋Ｈ２  Ｏ
なお、Ｒ−は炭化水素基であり、脱硫触媒には硫黄を担持して加硫したＣｏ−Ｍｏ系，Ｎｉ−Ｍｏ系の水素添加触媒，および酸化亜鉛（ＺｎＯ）が使用され、その反応温度は２００〜４００℃である。
【０００５】
脱硫された原燃料は、次にエジェクタ６を通じて水蒸気と混合した後、熱交換器７を経て燃料改質器２に導入され、ここで次記の反応式（吸熱反応）により水素リッチな改質ガスに水蒸気改質される。
ＣＨ４  ＋Ｈ２  Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２  （吸熱反応）
ＣＯ  ＋Ｈ２  Ｏ→ＣＯ２  ＋Ｈ２  （発熱反応）
なお、改質触媒はＮｉ系のものが一般的であり、アルミナなどの担体に担持して使用され、燃料改質の反応温度は７５０〜８５０℃である。
【０００６】
また、改質器２から出た改質ガスに残存するＣＯ濃度を１％以下に低めるために、次に改質ガスを後段のＣＯ変成器４に導入し、Ｃｕ−Ｚｎ系などの触媒上で次式で表す反応によりＣＯをＣＯ２  に変成する。
ＣＯ  ＋Ｈ２  Ｏ→ＣＯ２  ＋Ｈ２  
そして、ＣＯ変成器４を出た改質ガスは燃料電池１の燃料極に供給され、同時に空気極に空気を供給して発電することは周知の通りである。
【０００７】
なお、燃料電池１から出た未反応ガスを含む燃料排ガスは改質器２のバーナ２ａに供給して燃焼される。また、ＣＯ変成器４を出た改質ガスの一部はリサイクル管路８，流量制御弁９を経て脱硫器３の前段へ還流させて原燃料に添加し、前記した水素添加方式の脱硫器３で原燃料を脱硫する。この場合にリサイクルする改質ガス量は、原燃料に添加した有機硫黄化合物の脱硫反応に必要なガス流量を流量制御弁９で設定するようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、原燃料として使う都市ガスは、付臭剤として数ｐｐｍ程度の有機硫黄化合物を加えるほか、例えば１２Ａガス（日本ガス協会で規定した都市ガスの規格）のように、熱量，比重を調整するために微量の酸素（１％程度）を添加して需要家に供給するようにしている。
【０００９】
しかして、酸素を含む前記の都市ガス（１２Ａガス）を原燃料として燃料電池発電システムの燃料改質系に供給して燃料改質を行う場合には次記のような問題が派生する。すなわち、脱硫器４の水素添加触媒にあらかじめ保持させておいた加硫用の硫黄分が酸素との反応により酸化硫黄として触媒から離脱し、酸化亜鉛に吸着されずにそのまま脱硫器４から出て後段の燃料改質器に流入し、改質触媒の表面に付着して原燃料の改質反応を阻害する（Ｎｉ系の改質触媒は硫黄化合物と反応してＮｉＳ（硫化ニッケル）を生成して触媒活性が著しく低下することが知られている）。また、脱硫器をそのまま通過して燃料改質器に流入した酸素は改質触媒に対しても触媒毒となってその触媒活性を低下させる。このように、原燃料に酸素が含まれていると、この酸素が原因で改質触媒の機能が低下して水素転化率が低まり（改質ガス組成中での水素濃度が低下し、残メタン濃度が高くなる）、結果として燃料電池の発電効率が低下するといった不具合に進展する。
【００１０】
本発明は上記の点にかんがみなされたものであり、その目的は前記課題を解決し、微量な酸素を含む都市ガスを原燃料に使用して燃料電池発電システムを運転する場合に、原燃料に含まれている酸素を無害化して安定よく燃料改質が行えるようにした燃料電池発電システムを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、微量な酸素を含む都市ガスを原燃料とし、該原燃料を燃焼触媒器、脱硫器，水蒸気改質器，ＣＯ変成器を経て改質した水素リッチな改質ガスを燃料電池の燃料極に供給して発電する燃料電池発電システムにおいて、
１）前記脱硫器と前記燃焼触媒器を一体化して同一の反応容器内に硫黄吸着用触媒を充填した脱硫部，および原燃料に含まれる酸素を原燃料の成分である炭化水素との反応により炭酸ガスと水に変えて除去する酸素燃焼用触媒を充填した酸素燃焼部を画成し、原燃料を前記酸素燃焼部，前記脱硫部の順に通流させて酸素除去，脱硫処理する。
【００１２】
２）微量な酸素，硫黄分を含む都市ガスを原燃料とし、該原燃料を燃焼触媒器、水素添加式の脱硫器，水蒸気改質器，ＣＯ変成器を経て改質した水素リッチな改質ガスを燃料電池の燃料極に供給して発電する燃料電池発電システムにおいて、
前記水素添加式の脱硫器と前記燃焼触媒器を一体化して同一の反応容器内に硫黄吸着用触媒を充填した脱硫部，および原燃料に含まれる酸素を反応容器の上流側に接続された水素供給源から投入した水素との反応により水に変えて除去する酸素燃焼用触媒を充填した酸素燃焼部を画成し、原燃料を前記酸素燃焼部，脱硫部の順に通流させて酸素除去，脱硫処理する。
３）前項２）において、前記水素供給源はＣＯ変成器の下流側から得た改質ガスであり、該改質ガスはリサイクル管路により前記一体化された水素添加式の脱硫器と燃焼触媒器の入口側に接続する。
【００１３】
４）前項２),３）において、前記水素供給源により原燃料に添加する水素量を、少なくとも原燃料の脱硫，および原燃料に含まれている酸素との反応に必要な量に制御する。
５）前項１),２）において、燃焼触媒器に燃焼触媒を所定の反応温度に加熱する点火，恒温用のヒータを備える。
６）前項５）において、燃焼触媒にＰｔ，Ｐｄ，もしくはＰｔ−Ｐｄ系の燃焼触媒を採用し、かつヒータ加熱により燃焼触媒を２００℃以上の反応温度に保つように制御する。
【００１４】
上記構成により、原燃料（都市ガス）中に含まれている微量の酸素は、水蒸気改質器の前段側で次記のように除去して無害化し、改質触媒への被毒を防止して触媒活性低下を防ぐ。この場合に、まず前記１）項の方式においては、燃焼触媒（Ｐｔ系, Ｐｄ系, または  Ｐｔ−Ｐｄ系の触媒) の上で原燃料中に含まれている微量な酸素と同じ原燃料の可燃成分である炭化水素（例えばメタン）と反応させることにより、次式で表すように原燃料に含まれている酸素は炭酸ガスと水に変わる。なお、原燃料（例えば都市ガスの１２Ａガス）に含まれている酸素は微量（高々１％程度）であり、その反応に使われる原燃料の可燃成分の消費量は極少量で済む。
【００１５】
ＣＨ４  ＋２Ｏ２  →ＣＯ２  ＋２Ｈ２  Ｏ
上記の反応で生成した炭酸ガス，水は燃料改質系の脱硫器，改質器，ＣＯ変成器，および燃料電池で用いる各種の触媒に対して無害であり、これにより酸素を含む都市ガス（１２Ａガス）を原燃料に使用して燃料電池発電システムを運転する場合でも支障なく燃料改質が行える。なお、燃焼触媒器の運転開始当初は点火用ヒータに通電してヒータと接する周囲の燃焼触媒を所定の反応温度（２００℃以上）に加熱して点火する。なお点火後は前記反応が発熱を伴うのでヒータを恒温用として触媒を所定の反応温度に保つように制御する。
【００１６】
また、前記２）では、燃焼触媒器で原燃料に含まれている酸素は水素との反応により、次式で表すように水に変わる。
１／２・Ｏ２  ＋Ｈ２  ＝Ｈ２  Ｏ
また、水素は原燃料の可燃成分である炭化水素よりも燃焼し易く、原燃料に水素を添加して燃焼触媒器に送り込むことで燃焼触媒をより速く反応開始温度まで昇温させることができる。さらに、燃料改質系で得た水素リッチな改質ガスの一部を水素添加方式の脱硫器へ還流させる既設のリサイクル管路を利用し、このリサイクル管路を通じて燃焼触媒器の入口側よりリサイクルガスを供給すれば、発電システムの定常運転が確立した後は、前記リサイクル管路を通じて原燃料に添加するリサイクルの改質ガスで前記した酸素との反応，およびそれに続く脱硫器での脱硫反応を行わせることができて便利である。
【００１７】
また、燃焼触媒器と脱硫器を一体化して同一容器内に酸素燃焼部，脱硫部を構築することで、構成が簡易で、かつ小型コンパクト化が可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図４と対応する同一部材には同じ符号が付してある。
〔実施例１〕
図１において、燃料改質系の構成は基本的に図４と同じであるが、本発明により脱硫器３の前段に燃焼触媒器１０が追加装備されている。この燃焼触媒器１０は、Ｐｔ，Ｐｄ，もしくはＰｔ−Ｐｄ系の燃焼触媒１０ａと、該燃焼触媒１０ａを所定の反応温度に昇温保持する点火，恒温用のヒータ１０ｂを備えている。
【００１９】
かかる構成で、燃料改質系の起動時には、前記ヒータ１０ｂに通電して燃焼触媒１０ａを２００℃以上に加熱し、この状態で微量酸素を含む都市ガス（１２Ａガス）相当の原燃料を供給する。これにより、燃焼触媒器１０の触媒上で原燃料に含まれている酸素と原燃料中の可燃成分である炭化水素（メタン）とが反応し、後段の脱硫器，燃料改質器の脱硫触媒，改質触媒に被毒作用を与えるおそれがない炭酸ガス，水に変わる。なお、前記の反応は発熱を伴うので点火後はヒータ１０ｂを恒温用として使用し燃焼触媒１０ａを所定の反応温度に保持させるように温度制御する。
【００２０】
〔実施例２〕
図２の実施例においては、燃料改質系を通じて得た水素リッチな改質ガスの一部をリサイクルして燃焼触媒器１０，および水素添加式の脱硫器３で利用するように、リサイクル管路８がＣＯ変成器４の出口側から分岐して燃焼触媒器１０の前段側との間に配管されており、さらにリサイクル管路８の途中には運転開始当初に外部から水素を供給するように水素ガスボンベなどの水素供給源１１が接続されている。
【００２１】
かかる構成で、燃料改質系の起動時には、実施例１と同様にヒータ１０ｂに通電して燃焼触媒１０ａを所定の反応温度に加熱し、この状態で微量酸素を含む都市ガス（１２Ａガス）相当の原燃料を供給し、同時に水素供給源１１から供給した水素を原燃料に添加する。これにより、燃焼触媒器１０のＰｔ，Ｐｄ，もしくはＰｔ−Ｐｄ系の燃焼触媒１０ａ上で原燃料に含まれている微量の酸素と水素の一部が反応し、酸素が水に変わるとともに、残りの未反応水素は原燃料とともに後段の脱硫器に流入して原燃料中の硫黄分と反応し、原燃料を脱硫処理する。そして、燃料改質系が運転確立した状態になれば、水素供給源１１からの供給を停止し、以降はリサイクル管路８を通じて水素リッチな改質ガスを燃焼触媒器１０の前段側で原燃料に添加し、続く燃焼触媒器１０，脱硫器３で原燃料の酸素除去，および脱硫処理を行う。
【００２２】
この場合に、燃焼触媒１０ａとして前記触媒を採用する場合には、その触媒層の温度は下限値を２００℃としてそれ以上の温度に保持し、また空間速度（原料供給容積速度と反応器容積との比率）を１０００ｈｒ−１付近に保つように燃焼触媒器１０に導入する原燃料，点火水素の流量を制御することで酸素除去が最も効果的に行える。また、燃焼触媒器１０の入口側で原燃料に添加する水素量は、原燃料に含まれている酸素量の２倍量に、後段の脱硫器３での脱硫に必要な水素量を加えたした総量を確保するような量に設定しておくものとする。
【００２３】
なお、発明者などが行った実機テストから、燃焼触媒の温度を２００℃，水素／酸素モル比を５に設定した場合に、燃焼触媒器１０の出口側で測定した酸素濃度は原燃料に当初より含まれていた酸素濃度の１／１０に低減できることが確認されている。
〔実施例３〕
図３（ａ),（ｂ）の実施例においては、先記した実施例の燃焼触媒器１０と後段の脱硫器３と合体して構成したものであり、同一の反応容器１２内には酸素燃焼用触媒１３を充填した酸素燃焼部１２ａ、および硫黄吸着用触媒１４を充填した脱硫部１２ｂが（ａ）図の構成では上下に、また（ｂ）の構成では内外に仕切って区画されており、ここで原燃料を前記酸素燃焼部１２ａ，脱硫部１２ｂの順に通流させて酸素除去，脱硫処理する。かかる構成を採用することにより、燃焼触媒器１０，脱硫器３を独立して配管接続したものと比べて構成が簡易で小型コンパクトになり、それだけ設備費が安価となる。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、原燃料（都市ガス相当）に酸素が含まれている場合でも、その含有酸素を燃料改質系における脱硫器の前段に備えた燃焼触媒器で原燃料自身の可燃成分，あるいは外部から加えた水素，水素リッチな改質ガスとの反応により改質触媒に無害な炭酸ガス，もしくは水に変えて除去し、改質触媒を酸素に起因する被毒から保護して触媒活性の低下を防ぐことができる。これにより、微量酸素を含む都市ガス（例えば１２Ａガス）を原燃料に用いて燃料電池発電システムの燃料改質系を酸素による被毒のおそれなしに安定よく運転させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に対応する燃料電池発電システムの燃料改質系の系統図
【図２】本発明の実施例２に対応する燃料電池発電システムの燃料改質系の系統図
【図３】本発明の実施例３に対応する燃焼触媒器と脱硫器を一体化した実施例を模式的に表した構成図
【図４】従来における燃料電池発電システムの燃料改質系の系統図
【符号の説明】
１    燃料電池
２    燃料改質器
３    脱硫器
３ａ  ヒータ
４    ＣＯ変成器
８    改質ガスのリサイクル管路
９    流量制御弁
１０    燃焼触媒器
１０ａ  燃焼触媒
１０ｂ  点火用ヒータ
１１    水素供給源
１２    反応容器
１２ａ  酸素燃焼部
１２ｂ  脱硫部
１３    酸素燃焼用触媒
１４    硫黄吸着用触媒
【図１】
0003608872.tif 000002
【図２】
0003608872.tif 000003
【図３】
0003608872.tif 000004
【図４】
0003608872.tif 000005