(57)【要約】【課題】コンパクト且つ高効率であり、低コストで製造可能な燃料改質装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、炭化水素系の原燃料ガスを水素含有改質ガスに変換する改質器３と、前記改質器３に直接的または間接的に連結され、前記改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素シフト反応器７と、前記一酸化炭素シフト反応器７に直接的または間接的に連結され、前記一酸化炭素シフト反応器７において処理された前記改質ガス中の一酸化炭素濃度をさらに低減する一酸化炭素選択メタン化反応器８とを具備する燃料改質装置１０が提供される。前記燃料改質装置１０においては、前記一酸化炭素シフト反応器７および前記一酸化炭素選択メタン化反応器８の各々と接するように、冷却器９が配置される。【選択図】      図１
2014122143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系の原燃料ガスを水素含有改質ガスに変換する改質器と、
前記改質器に直接的または間接的に連結され、前記改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素シフト反応器と、
前記一酸化炭素シフト反応器に直接的または間接的に連結され、前記一酸化炭素シフト反応器において処理された前記改質ガス中の一酸化炭素濃度をさらに低減する一酸化炭素選択メタン化反応器と
を具備する燃料改質装置であって、
前記一酸化炭素シフト反応器および前記一酸化炭素選択メタン化反応器の各々と接するように冷却器を配置した
ことを特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】
前記冷却器は、前記一酸化炭素シフト反応器と前記一酸化炭素選択メタン化反応器との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
【請求項３】
前記一酸化炭素シフト反応器は、第１の一酸化炭素シフト反応器および第２の一酸化炭素シフト反応器を含み、
前記改質ガスが流れる順に、前記第１の一酸化炭素シフト反応器、前記第２の一酸化炭素シフト反応器、および前記一酸化炭素選択メタン化反応器が配置され、
少なくとも前記第１の一酸化炭素シフト反応器および前記一酸化炭素選択メタン化反応器が、前記冷却器と接するように配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料改質装置。
【請求項４】
前記第１の一酸化炭素シフト反応器、前記第２の一酸化炭素シフト反応器、および前記一酸化炭素選択メタン化反応器の各々が前記冷却器と接するように配置される
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料改質装置。
【請求項５】
前記第１の一酸化炭素シフト反応器および前記一酸化炭素選択メタン化反応器は、前記冷却器と接するように配置され、前記第２の一酸化炭素シフト反応器は、前記冷却器と接せず、前記一酸化炭素選択メタン化反応器と接するように配置される
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料改質装置。
【請求項６】
前記一酸化炭素シフト反応器、前記一酸化炭素選択メタン化反応器および前記冷却器は、各々が矩形状であり、各々の側面で接するように配置されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
【請求項７】
前記一酸化炭素シフト反応器、前記一酸化炭素選択メタン化反応器および前記冷却器は、各々が中空円筒状であり、各々が内側面または外側面で接するように入れ子式に配置されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
【請求項８】
前記一酸化炭素シフト反応器および前記一酸化炭素選択メタン化反応器は、伝熱壁を介して前記冷却器と接することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
【請求項９】
前記一酸化炭素シフト反応器と前記冷却器の間に位置する前記伝熱壁と、前記一酸化炭素選択メタン化反応器と前記冷却器の間に位置する前記伝熱壁は、異なる伝熱特性を有することを特徴とする請求項８に記載の燃料改質装置。
【請求項１０】
前記冷却器に流通させる冷却媒体は、前記改質器に熱を供給するための改質器バーナから排出されるバーナ排ガス、前記改質器バーナに供給されるバーナ用空気、前記改質器における水蒸気改質反応に必要な水蒸気を生成するための改質水、および貯湯槽より供給される燃料電池発電システムの冷却水の少なくとも１つであることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
【請求項１１】
炭化水素系の原燃料ガスを、水蒸気改質反応により水素含有改質ガスに変換することと、
一酸化炭素シフト反応により、前記改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減することと、
一酸化炭素選択メタン化反応により、前記一酸化炭素シフト反応を受けた前記改質ガス中の一酸化炭素濃度をさらに低減することと
を含む燃料改質方法であって、
前記一酸化炭素シフト反応および前記一酸化炭素選択メタン化反応は、同一の冷却器により同時に冷却しながら行うことを特徴とする燃料改質方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電システムは、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すものである。この燃料電池発電システムは、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができると同時に、静かで、有害な排ガスを出さないという環境性に優れた特徴を有する。
【０００３】
最近では、小型の固体高分子形燃料電池の開発が活発化し、家庭用燃料電池発電システムの普及が始まっている。この家庭用燃料電池発電システムでは、燃料改質装置において、都市ガス、ＬＰガス、灯油などの炭化水素系燃料を、水蒸気改質反応などの化学反応により水素リッチな改質ガスとし、それを燃料電池本体に供給して発電を行なっている。
【０００４】
炭化水素系燃料を改質して水素リッチな改質ガスを製造する場合、電池性能を低下させる要因の一つとなっている一酸化炭素（以下、ＣＯとも称する）が同時に生成される。そのため、燃料改質装置には、改質ガス中のＣＯ濃度を数１０ｐｐｍ以下まで低減することを目的として、ＣＯシフト触媒が充填されたＣＯシフト反応器およびＣＯ選択メタン化触媒が充填されたＣＯ選択メタン化反応器が設置される（例えば、特許文献１）。
【０００５】
このＣＯ選択メタン化触媒によるメタン化反応は、発熱反応である。この発熱反応による温度上昇を抑えてＣＯ選択メタン化反応器の温度を適切に維持し、メタン化反応を効率よく行うために、ＣＯ選択メタン化反応器に冷却器を併設する場合がある（例えば、特許文献２）。
【０００６】
また、ＣＯシフト反応器でのＣＯシフト反応も、発熱反応である。従って、ＣＯシフト反応器についても、その反応温度を適切に維持するために冷却器を設置することが好ましい。
【０００７】
しかし、ＣＯシフト反応器とＣＯ選択メタン化反応器のそれぞれに個別に冷却器を設けた場合、燃料改質装置全体の容積が大きくなる。それとともに、接続配管などの部品数が多くなり、コストアップや接続配管の外表面からの放熱量の増加による熱効率の低下という問題も生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−２５６００３号公報
【特許文献２】特開２００５−１７４８６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、コンパクト且つ高効率であり、低コストで製造可能な燃料改質装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施形態によれば、炭化水素系の原燃料ガスを水素含有改質ガスに変換する改質器と、前記改質器に直接的または間接的に連結され、前記改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素シフト反応器と、前記一酸化炭素シフト反応器に直接的または間接的に連結され、前記一酸化炭素シフト反応器において処理された前記改質ガス中の一酸化炭素濃度をさらに低減する一酸化炭素選択メタン化反応器とを具備する燃料改質装置が提供される。前記一酸化炭素シフト反応器および前記一酸化炭素選択メタン化反応器の各々と接するように冷却器を配置する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【図２】図２は、第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【図３】図３は、ＣＯシフト反応器、ＣＯ選択メタン化反応器および冷却器の他の配置態様を示す概略図である。
【図４】図４は、第３の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【図５】図５は、第４の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【図６】図６は、第５の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【図７】図７は、第６の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において、同様または類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。各図において、矢印は、気体または液体の流れを意味する。
【００１３】
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。  
本実施形態の燃料電池発電システム１は、図１に示すように、大きくは原燃料Ｆを水素リッチな改質ガスに改質する燃料改質系１ａと、この燃料改質系１ａで製造された改質ガス中の水素と空気中の酸素を反応させ、その際に発生する電気を取り出す発電系１ｂとで構成されている。
【００１４】
燃料改質系１ａは、燃料改質装置１０と、原燃料Ｆを供給する原燃料供給装置２１と、改質水Ｗを供給する改質水供給装置３１と、バーナ用空気Ａを供給する空気供給装置４１とを備えている。原燃料供給装置２１、改質水供給装置３１および空気供給装置４１は、それぞれ、原燃料供給系２６、起動用燃料供給系２７および改質用燃料供給系２８、改質水供給系３３ならびにバーナ空気供給系４３を介して燃料改質装置１０と連結される。
【００１５】
燃料改質装置１０においては、改質器３、一酸化炭素シフト反応器７（以下、ＣＯシフト反応器７とも称する）および一酸化炭素選択メタン化反応器８（以下、ＣＯ選択メタン化反応器８とも称する）が、この順に燃料ガスが通過するように配置される。これらは、改質ガス系２９、水蒸気供給系３４、アノードオフガス系５１、およびバーナ排ガス系４５等を介して相互に連結される。
【００１６】
改質器３には、改質触媒が充填され、原燃料供給装置２１から供給される炭化水素系の原燃料ガスを、水蒸気改質反応により水素含有改質ガスに変換する。改質器３には、改質器３を加熱するための改質器バーナ４が併設される。さらに、改質器３には、改質器３に入るガスと改質器３から導出されるガスの熱交換を行うための燃料予熱器５および改質用の水蒸気を発生させるための水蒸気発生器６が連結される。ＣＯシフト反応器７には、ＣＯシフト触媒が充填され、改質器３から導出される改質ガスの一酸化炭素濃度を低減する。ＣＯ選択メタン化反応器８には、ＣＯ選択メタン化触媒が充填され、ＣＯシフト反応器７において処理された改質ガスの一酸化炭素濃度をさらに低減する。必要に応じて、改質器３の前段に脱硫器２を配置してもよい。脱硫器２には、原燃料から硫黄化合物を除去するための脱硫触媒３が充填され、原燃料を改質器３に導入する前に、付臭剤として添加されている硫黄化合物等を原燃料から除去する。
【００１７】
本実施形態においては、ＣＯシフト反応器７およびＣＯ選択メタン化反応器８の各々と接するように反応用冷却器９（以下、単に冷却器９とも称する）を配置する。例えば、図１に示すように、ＣＯシフト反応器７とＣＯ選択メタン化反応器８の間に、ＣＯシフト反応器７およびＣＯ選択メタン化反応器８の各々と接するように反応器用冷却器９を配置することが好ましい。あるいは、冷却器９の同じ面に、ＣＯシフト反応器７およびＣＯ選択メタン化反応器８を配置してもよい。
【００１８】
このように、ＣＯシフト反応器７とＣＯ選択メタン化反応器８が１台の冷却器９を共用することにより、ＣＯシフト反応器７およびＣＯ選択メタン化反応器８のそれぞれに冷却器を設置する必要がなくなり、燃料改質装置を軽量コンパクト化することができる。また、機器点数および接続配管等の部品点数も少なくて済むため、より低コストで燃料改質装置を製造することが可能になる。さらに、機器点数および接続配管等の部品点数がより少なくて済むことにより、機器および接続配管の外表面からの放熱による熱効率の低下も抑制することができ、高効率で改質ガスを産生することができる。
【００１９】
ＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択メタン化反応器８および冷却器９の各々が矩形状であり、各々の側面で接するように配置されることが好ましい。ＣＯシフト反応器７の側面の１つと冷却器９の側面の１つが接し、ＣＯ選択メタン化反応器８の側面の１つと冷却器９の他の側面が接するようにこれらを配置することにより、よりコンパクトな構造とすることができる。特に、図１に示すように、ＣＯシフト反応器７が接する冷却器９の側面の反対側側面にＣＯ選択メタン化反応器８が接するように配置した場合に、より一層コンパクトな構造とすることができる。
【００２０】
ＣＯシフト反応器８と冷却器９の間、およびＣＯ選択メタン化反応器８と冷却器９の間には、それぞれ伝熱壁１１ａ、１１ｃが配置されてもよい。伝熱壁を用いることにより、各反応器の冷却の程度を調節することができ、各反応器の温度を触媒反応により適した温度に調節することができる。ＣＯシフト反応器７およびＣＯ選択メタン化反応器８の温度を各々の触媒反応に適した温度に維持することができれば、燃料改質装置１０を常に安定に運転させることが可能になる。
【００２１】
ＣＯシフト反応器７と冷却器９の間の伝熱壁１１ａと、ＣＯ選択メタン化反応器８と冷却器９の間の伝熱壁１１ｃは、それぞれ伝熱性能が異なる構成としてもよい。反応器に合わせて適切な伝熱性能を有する伝熱壁を用いることにより、各反応器をそれぞれの触媒反応により適した温度に設定することができる。異なる伝熱性能を有する伝熱壁を作製する方法としては、伝熱壁に熱伝導率の異なる材料を用いる方法、伝熱壁に断熱材を設置する方法、伝熱壁に熱伝達を促進するフィンなどを設置する方法、冷却器９中の冷却媒体を冷却器のＣＯシフト反応器側とＣＯ選択メタン化反応器側とで異なる流速となるように流す方法、異なる伝熱面積とする方法などがある。
【００２２】
燃料予熱器５は、炭化水素系の原燃料ガスと水蒸気が混合された燃料ガスが流れる燃料予熱器低温流路５ｂと、改質器３を出た水素リッチな改質ガスが流れる燃料予熱器高温流路５ａで構成される。水蒸気発生器６は、改質水を保持する水蒸気発生器水室６ｂと、改質器バーナ４から出る燃焼排ガスが流れる水蒸気発生器排ガス流路６ａで構成される。
【００２３】
原燃料供給系２６は、原燃料Ｆを、原燃料供給装置２１から起動用燃料供給系２７および改質用燃料供給系２８に供給する。原燃料の供給は、原燃料元弁２２および原燃料供給ブロワ２３により制御する。起動用燃料供給系２７は、起動用燃料遮断弁２５を介して、改質器バーナ４に起動用燃料を供給する。改質用燃料供給系２８は、改質用燃料遮断弁２４を介して、改質用燃料を脱硫器２、燃料予熱器低温流路５ｂの順に流し、改質器３に供給する。改質水供給系３３は、改質水供給装置３１からの改質水Ｗを、改質水ポンプ３２などにより水蒸気発生器水室６ｂに供給する。水蒸気供給系３４は、水蒸気発生器水室６ｂにて発生する水蒸気を、改質用燃料供給系２８の脱硫器２下流へ合流させる。改質ガス系２９は、改質器３で生成した改質ガスを、燃料予熱器高温流路５ａ、ＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択メタン化反応器８の順に流し、燃料電池５０に供給する。アノードオフガス系５１は、燃料電池５０で未反応となったアノードオフガスを改質器バーナ４に供給する。バーナ空気供給系４３は、バーナ用空気Ａを、バーナ空気ブロワ４２などにより空気供給装置４１から改質器バーナ４に供給する。バーナ排ガス系４５は、改質器バーナ４からのバーナ排ガスを、水蒸気発生器排ガス流路６ａ、冷却器９の順に流し、燃料電池発電システム１の外に排出する。
【００２４】
次に、上記のように構成された燃料電池発電システム１における燃料改質装置１０の作用について述べる。
【００２５】
燃料電池発電システム１の起動運転時は、原燃料遮断弁２２および起動用燃料遮断弁２５を開き、原燃料供給ブロワ２３を駆動することにより、炭化水素系の原燃料Ｆを起動用燃料として起動用燃料供給系２７に流通させる。それと共に、バーナ空気ブロワ４２を駆動して、バーナ用空気Ａをバーナ空気供給系２７に流通させる。起動用燃料およびバーナ用空気は、改質器バーナ４で燃焼され、１１００〜１４００℃の燃焼火炎および燃焼ガスとなり、改質器３の改質触媒を３００〜７００℃程度まで昇温させる。
【００２６】
改質触媒が所定の温度まで加熱されたら、改質用燃料遮断弁２４を開き、改質水ポンプ３２を駆動させて、原燃料Ｆおよび改質水Ｗの燃料改質装置１０への供給を開始する。原燃料Ｆを脱硫器２に導入し、原燃料Ｆに含まれる硫黄化合物を脱硫器２に充填された脱硫触媒で脱硫した後、水蒸気発生器６からの１２０〜２００℃の過熱水蒸気と混合する。水蒸気と原燃料Ｆが混合された燃料ガスは、燃料予熱器低温流路５ｂへ入る。そこで、燃料ガスは、隣接する燃料予熱器高温流路５ａを流れる改質器３からの４００〜５００℃の水素リッチな改質ガスから熱を受け取り、３００〜４００℃に加熱されて改質器３に供給される。改質器３では、燃料ガスが改質器バーナ４に存在する高温の燃焼ガスから熱を受け取って６００〜７００℃に昇温されながら、改質触媒の作用で、以下に反応式Ａとして示すメタン水蒸気改質反応に代表される水素生成反応を生じる。水素生成反応の結果、モル分率７０％程度の水素およびモル分率１０％程度の一酸化炭素が生成する。
【００２７】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２（反応式Ａ）
その後、改質器３に設けた折り返し流路（図示せず）において、温度が４００〜５００℃まで低下した水素リッチな改質ガスは、燃料予熱器高温流路５ａに入り、さらに温度が低下し、２００〜３００℃程度になる。その後、改質ガスはＣＯシフト反応器７に入り、ＣＯシフト触媒の作用により以下の反応式Ｂで示すＣＯシフト反応を生じる。
【００２８】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２（反応式Ｂ）
上記反応の結果、改質ガスにおけるＣＯ濃度が低下する。ＣＯシフト反応器７の出口における改質ガス中のＣＯモル分率が、０．５％程度以下となることが好ましい。上記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。しかし、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、さらにＣＯモル分率を下げることができなくなる。そのため、ＣＯシフト反応器７に隣接する冷却器９に冷却媒体を流通させることにより、ＣＯシフト反応器７を冷却する。冷却媒体としては、例えば、水蒸気発生器排ガス流路６ａから出た１００〜１５０℃のバーナ排ガスを使用することができる。一方、ＣＯシフト反応器７の温度が低いとＣＯシフト反応速度が遅くなるため、ＣＯシフト触媒の必要量が多くなる。従って、ＣＯシフト反応器７を冷却すると共に、温度が下がりすぎないように温度調節することが好ましい。例えば、ＣＯシフト反応器７と冷却器９の間に、適切な材料で形成された伝熱壁１１ａを設置することにより、ＣＯシフト反応器７の温度が下がりすぎるのを防ぐことができる。
【００２９】
ＣＯシフト反応器７の温度を１７０〜３００℃に維持することにより、ＣＯシフト触媒量を過大に大きくすること無しに、ＣＯシフト反応器７の出口における改質ガス中のＣＯモル分率を０．５％程度以下まで減少させることができる。実際に駆動する際には、ＣＯシフト反応器７の入口温度の方がより高く（例えば、２００〜３００℃）、ＣＯシフト反応器７の出口温度の方がより低い（例えば、１７０〜２００℃）ことが好ましい。
【００３０】
ＣＯシフト反応器７を出た改質ガスは、ＣＯ選択メタン化反応器８に入る。ＣＯ選択メタン化反応器８では、ＣＯ選択メタン化触媒の作用により、以下に反応式Ｃとして示すメタン化反応を生じる。
【００３１】
ＣＯ＋３Ｈ２→ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ（反応式Ｃ）
上記反応の結果、改質ガス中のＣＯガス濃度がさらに低下する。このメタン化反応も発熱反応であるため、ＣＯ選択メタン化反応器８もＣＯシフト反応器７と同様、隣接する冷却器９により冷却する必要がある。また、ＣＯシフト反応器７と同様、温度が下がりすぎるとメタン化反応の反応速度が遅くなるため、ＣＯ選択メタン化反応器８の温度が下がりすぎないように調節することが好ましい。例えば、ＣＯ選択メタン化反応器８の温度を１５０〜２７０℃に維持することにより、ＣＯ選択メタン化触媒量を過大に大きくすること無しに、ＣＯ選択メタン化反応器８の出口における改質ガス中のＣＯモル分率を１０ｐｐｍ以下まで低下させることができる。
【００３２】
ＣＯシフト反応器７とＣＯ選択メタン化反応器８の好ましい温度はそれぞれ異なるが、ＣＯシフト反応器７と冷却器９の間に位置する伝熱壁１１ａと、ＣＯ選択メタン化反応器８と冷却器９の間に位置する伝熱壁１１ｃを異なる伝熱性能を有するように構成することにより、同一の冷却器９を使用した場合であっても、ＣＯシフト反応器７とＣＯ選択メタン化反応器８をそれぞれ異なる温度に維持することが可能である。また、伝熱壁１１ａおよび１１ｃのいずれか一方のみを設置してもよい。
【００３３】
ＣＯ選択メタン化反応器８を出た水素リッチな改質ガスは、燃料電池５０のアノード極で水素を消費して発電する。その後、残りの水素および改質しなかったメタンが、アノードオフガスとなって改質器バーナ４へと導入され、起動用燃料とともに燃焼される。燃焼ガスの熱は、改質器３における改質反応で使用され、そのガスが改質器バーナ４を出るときには、４００〜５５０℃のバーナ排ガスとなる。バーナ排ガスは、水蒸気発生器６の水蒸気発生器排ガス流路６ａに入る。水蒸気発生器排ガス流路６ａに入ったバーナ排ガスは、水蒸気発生器水室６ｂの改質水に熱を与えることにより、１００〜１５０℃程度まで温度が低下する。水蒸気発生器６を出たバーナ排ガスは、冷却器９でＣＯシフト反応器７およびＣＯ選択メタン化反応器８から熱を受け取り、温度が１５０〜２００℃程度に上昇する。冷却器９を出たバーナ排ガスは、燃料改質装置１０または燃料電池発電システム１の水および熱回収装置（図示せず）を経て、燃料電池発電システム１の外部へ排気される。
【００３４】
改質水ポンプ３２を介して供給される改質水Ｗは、水蒸気発生器水室６ｂに入る。改質水は、水蒸気発生器水室６ｂを流れる間に、水蒸気発生器排ガス流路６ａのバーナ排ガスと熱交換して蒸発し、水蒸気発生器水室６ｂの出口で１２０〜２００℃の過熱水蒸気となり、水蒸気発生器６より出る。水蒸気発生器６を出た水蒸気は、脱硫器２を通った原燃料ガスと合流し、燃料予熱器低温流路５ｂに入る。
【００３５】
＜第２の実施形態＞
図２は、第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。以下の実施形態においては、第１の実施形態と異なる点についてのみ説明し、同一又は類似の点については説明を省略する。
【００３６】
第２の実施形態において、ＣＯシフト反応器７は、第１のＣＯシフト反応器７ａおよび第２のＣＯシフト反応器７ｂからなり、それぞれにＣＯシフト触媒が充填される。第１のＣＯシフト反応器７ａ、第２のＣＯシフト反応器７ｂ、およびＣＯ選択メタン化反応器８は、この順に改質ガスが流れるように、且つこれらの各々が冷却器９と接するように配置する。例えば、図２に示すように、第１のＣＯシフト反応器７ａ、第２のＣＯシフト反応器７ｂ、およびＣＯ選択メタン化反応器８をそれぞれ矩形状容器とし、冷却器９の一側面に第１のＣＯシフト反応器７ａの一側面が接し、冷却器９の対向する側面に第２のＣＯシフト反応器７ｂおよびＣＯ選択メタン化反応器８を設置することが、コンパクト化の観点から好ましい。第２のシフト反応器７ｂは、第１のシフト反応器７ａと同じ側に設置されてもよい。
【００３７】
第２のシフト反応器７ｂでは、第１のシフト反応器７ａにおいてシフト反応を受けた改質ガス中のＣＯ濃度をさらに低減させる。第１のＣＯシフト反応器７ａの出口での改質ガス中のＣＯモル分率は、１．５〜２．０％であることが好ましく、第２のＣＯシフト反応器７ｂの出口での改質ガス中のＣＯモル分率は０．２〜０．５％であることが好ましい。
【００３８】
反応器をより適切な温度に維持するために、第１のＣＯシフト反応器７ａと冷却器９の間、第２のＣＯシフト反応器７ｂと冷却器９の間、およびＣＯ選択メタン化反応器８と冷却器９の間には、それぞれ伝熱壁１１ａ、１１ｂ、１１ｃを設置してもよい。伝熱壁を設置することによる効果は、上記第１の実施形態で述べた通りである。第１の実施形態で述べたように、伝熱壁１１ａ、１１ｂ、１１ｃをそれぞれ異なる伝熱性能を有するように構成することが、安定運転の観点から好ましい。触媒反応をより効率的に行うためには、第１のＣＯシフト反応器７ａの温度を２００〜３００℃、第２のＣＯシフト反応器７ｂの温度を１７０〜２００℃、ＣＯ選択メタン化反応器８の温度を１５０〜２７０℃の範囲に維持することが好ましい。
【００３９】
第１のＣＯシフト反応器７ａ、第２のＣＯシフト反応器７ｂ、ＣＯ選択メタン化反応器８、および冷却器９は、図３に示すように、隣接して形成される中空円筒状の容器であり、各々が内側面または外側面で接するように入れ子式に配置されてもよい。図３（ａ）は、第２の実施形態の変形例を示す上面図であり、図３（ｂ）は、その断面図である。必ずしも、図３（ａ）に示すような同心円状である必要はない。この構成では、スペース部１５を中心に、内側から第１のＣＯシフト反応器７ａ、冷却器９、第２のＣＯシフト反応器７ｂおよびＣＯ選択メタン化反応器８ｂを配置する。第２のＣＯシフト反応器７ｂは、第１のＣＯシフト反応器７ａと同じ側に配置されてもよい。また、冷却器９の両側に位置する反応器は、図３に示した位置と逆であってもよい。スペース部１５には、脱硫器２、改質器４、水蒸気発生器６、燃料予熱器５などを配置することができる。
【００４０】
このような形状にすることにより、スペース部１５に脱硫器２、改質器４、水蒸気発生器６および燃料予熱器５などを配置できるため、燃料改質装置１０をよりコンパクトにすることが可能である。その他の効果および伝熱壁を配置可能であることは、上記第１の実施形態と同様である。また、上記第１の実施形態および以下に示す第３〜第６の実施形態についても、反応容器の形状を図３に示すような中空円筒状にすることが可能である。
【００４１】
＜第３の実施形態＞
図４は、第３の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【００４２】
本実施形態でも、前記第２の実施形態と同様、改質ガスが流れる順に、第１のＣＯシフト反応器７ａ、第２のＣＯシフト反応器７ｂ、およびＣＯ選択メタン化反応器８が配置される。第２の実施形態と異なる点は、第１のＣＯシフト反応器７ａおよびＣＯ選択メタン化反応器７ｂは、冷却器９と接するように配置され、第２のＣＯシフト反応器８７ｂは、冷却器９と接せず、ＣＯ選択メタン化反応器８と接するように配置される点である。第１のＣＯシフト反応器７ａおよびＣＯ選択メタン化反応器８は冷却器９と熱交換し、第２のＣＯシフト反応器７ｂはＣＯ選択メタン化反応器８と対向流で熱交換する構造となっている。
【００４３】
本実施形態では、第１のＣＯシフト反応器７ａは、冷却器９で冷却することにより反応に好適な温度に保たれる。第２のＣＯシフト反応器は、ＣＯシフト反応の発熱量が小さく、放熱により温度が低下しすぎる可能性があるが、ＣＯ選択メタン化反応器８で加熱されることにより反応に好適な温度に保たれる。ＣＯ選択メタン化反応器８は、冷却器９および第２のＣＯシフト反応器７ｂで冷却することにより、反応に好適な温度に保たれる。
【００４４】
このように本発明の第３の実施形態では、第１の実施形態の効果に加えて、第２のＣＯシフト反応器７ｂの放熱による温度低下を防止できるので、燃料改質装置１０をさらに安定に運転させることができる。
【００４５】
各反応器をより適切な温度に維持するために、第１のＣＯシフト反応器７ａと冷却器９の間、第２のＣＯシフト反応器７ｂとＣＯ選択メタン化反応器８の間、およびＣＯ選択メタン化反応器８と冷却器９の間には、それぞれ伝熱壁１１ａ、１１ｂ、１１ｃを設置してもよい。伝熱壁を設置することによる効果は、上記第１の実施形態で述べた通りである。第１の実施形態で述べたように、伝熱壁１１ａ、１１ｂ、１１ｃをそれぞれ異なる伝熱性能を有するように構成することが、安定運転の観点から好ましい。触媒反応を効率よく行うための各反応器の温度は、上記第２の実施形態において述べた通りである。
【００４６】
＜第４の実施形態＞
図５は、第４の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【００４７】
前述した第１〜第３の実施形態では、冷却器９に流す冷却媒体として、改質器バーナ４から排出され、水蒸気発生器６の改質水に熱を与えた後に温度が１００〜１５０℃程度になったバーナ排ガスを用いる場合について述べた。しかし、図５に示すように、バーナ排ガスに代えて空気供給装置４１からのバーナ用空気Ａを冷却媒体として使用することもできる。バーナ用空気Ａを冷却器９に導入し、冷却器９から出た空気を改質器バーナ４に導入する。冷却器９に導入されるバーナ用空気Ａの温度は、４０℃〜６０℃であり、上記第１〜第３の実施形態と同様に各反応器を好適な温度に冷却することができる。
【００４８】
＜第５の実施形態＞
図６は、第５の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【００４９】
図６に示すように、冷却器９に流す冷却媒体として、改質水供給装置３１からの改質水Ｗを使用することもできる。改質水Ｗを冷却器９に導入し、冷却器９から出た改質水を水蒸気発生器水室６ｂに導入する。冷却器９に導入される改質水の温度は、４０〜６０℃程度であり、上記第１〜第４の実施形態と同様に各反応器を好適な温度に冷却することができる。
【００５０】
＜第６の実施形態＞
図７は、第６の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【００５１】
図６に示すように、冷却器９に流す冷却媒体として、貯湯槽６１より供給される燃料電池発電システム１の冷却水Ｃを使用することもできる。冷却器９に導入される冷却水の温度は、４０〜６０℃程度であり、上記第１〜第５の実施形態と同様に各反応器を好適な温度に冷却することができる。
【００５２】
第４〜第６の実施形態において、第１のＣＯシフト反応器７ａ、第２のＣＯシフト反応器７ｂ、ＣＯ選択メタン化反応器８および冷却器９の配置は、上記第１〜第３の実施形態において説明した配置のいずれであってもよい。
【００５３】
上記実施形態によれば、ＣＯシフト反応器７およびＣＯ選択メタン化反応器８を冷却器９と一体化し、冷却器９にＣＯシフト反応器７とＣＯ選択メタン化反応器８の双方を冷却する機能を持たせることができる。その結果、機器点数および接続配管等の部品点数を削減することができ、コストダウンを図ることができる。また、機器点数および接続配管等の部品点数が削減されることにより、機器および接続配管の表面積が減少し、機器および接続配管の表面からの放熱による熱効率の低下を抑制することができる。
【００５４】
また、伝熱壁を使用する場合には、ＣＯシフト反応器７およびＣＯ選択メタン化反応器８の温度をそれぞれより適切な温度に維持することが可能となる。その結果、燃料改質装置１０を常に安定に運転させることが可能となる。
【００５５】
以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、コンパクト且つ高効率であり、低コストで製造することができる。
【００５６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５７】
１…燃料電池発電システム、１ａ…燃料改質系、１ｂ…発電系、２…脱硫器、３…改質器、４…改質器バーナ、５…燃料予熱器、５ａ…燃料予熱器高温流路、５ｂ…燃料予熱器低温流路、６…水蒸気発生器、６ａ…水蒸気発生器排ガス流路、６ｂ…水蒸気発生器水室、７…ＣＯシフト反応器、７ａ…第１のＣＯシフト反応器、７ｂ…第２のＣＯシフト反応器、８…ＣＯ選択メタン化反応器、９…冷却器、１０…燃料改質装置、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ…伝熱壁、１５…スペース、２１…原燃料供給装置、２２…原燃料元弁、２３…原燃料供給ブロワ、２４…改質用燃料遮断弁、２５…起動用燃料遮断弁、２６…原燃料供給系、２７…起動用燃料供給系、２８…改質用燃料供給系、２９…改質ガス系、３１…改質水供給装置、３２…改質水ポンプ、３３…改質水供給系、３４…水蒸気供給系、４１…空気供給装置、４２…バーナ空気ブロワ、４３…バーナ空気供給系、４５…バーナ排ガス系、５０…燃料電池本体、５１…アノードオフガス系、６１…貯湯槽。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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