(57)【要約】【課題】過渡的な水蒸気量の増加に対応可能な燃料改質装置を得る。【解決手段】負荷上昇時に空気導入手段９を作動させて熱交換器３に導入する改質ガスに空気を混合させ、改質ガスに含まれる酸化可能物を酸化触媒により酸化反応させ、その反応熱により改質反応器２に供給する水蒸気およびまたは空気を加熱する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質反応器からの改質ガスの顕熱により改質反応器に原料として供給する水およびまたは空気を加熱する熱交換器を備えた燃料改質装置において、
熱交換器の改質ガス通路に酸化触媒を配置し、
熱交換器に導入する改質ガスに空気を混合させる空気導入手段を設け、
負荷上昇時に空気導入手段により改質ガスに空気を混合させ、改質ガスに含まれる酸化可能物の酸化触媒による酸化反応の反応熱により、改質反応器に供給する水蒸気およびまたは空気を加熱するようにしたことを特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】
前記改質ガスに含まれる酸化可能物は、改質により分離された水素と一酸化炭素であ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】
前記燃料改質装置は、改質ガス中に含まれる一酸化炭素を選択酸化させて低減し、選択酸化反応による反応熱により水を蒸発気化させる蒸発器を具備する一酸化炭素選択酸化反応器を備え、前記蒸発器で蒸発気化した水蒸気を前記熱交換器に供給することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料改質装置。
【請求項４】
前記熱交換器は、原料としての水およびまたは空気の通路に水を直接噴霧する水噴霧装置を備え、負荷上昇時には水噴霧装置により噴霧されて通路内で気化した水蒸気を改質反応器に供給するようにしたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料改質装置に関し、特に、炭化水素燃料から水素を含有する改質ガスを発生する燃料改質装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から炭化水素系燃料、水蒸気、および酸化剤を含む混合ガスを改質して水素を含有する改質ガスを生成する一方、生成された改質ガスの熱を熱交換器により水に伝熱して改質原料である水蒸気に蒸発・気化させる燃料改質装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
これは、燃料改質装置における改質触媒を通過することで得られる改質ガスの通路と熱交換可能に水流路を配置し、改質ガスから熱を吸収することにより水蒸気を生成し、改質原料として利用している。このため、水蒸気の生成と改質ガスの温調とが同時に可能となり、熱の利用率を向上させてシステムの効率を向上させている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−３７６０３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、運転を低負荷状態から高負荷状態に移行させる場合等において、大量の水蒸気を必要とするが、改質ガスの熱量の不足により改質反応器に必要な水蒸気を十分供給できないという不具合を生ずる虞があった。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、過渡的な水蒸気量の増加に対応可能な燃料改質装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、改質反応器に原料として供給する水およびまたは空気を加熱する熱交換器の改質ガス通路に酸化触媒を配置し、負荷上昇時に空気導入手段を作動させて熱交換器に導入する改質ガスに空気を混合させ、改質ガスに含まれる酸化可能物の酸化触媒による酸化反応の反応熱により、改質反応器に供給する水およびまたは空気を加熱するようにした。
【０００８】
【発明の効果】
したがって、本発明では、負荷上昇時に空気導入手段を作動させて熱交換器に導入する改質ガスに空気を混合させ、改質ガスに含まれる酸化可能物を酸化触媒により酸化反応させ、その反応熱により改質反応器に供給する水蒸気およびまたは空気を加熱するため、負荷上昇時に速やかに大量の水蒸気を発生させることができ、過渡応答性を向上させることが可能になった。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料改質装置を各実施形態に基づいて説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本発明を適用した燃料改質装置の第１実施形態の概要図である。
【００１１】
図１において、燃料改質装置１は、炭化水素系燃料、水蒸気、空気の原料から水素リッチな改質ガスを生成する改質反応器２と、改質反応器２からの改質ガスの熱を改質反応器２へ原料として導入する水蒸気および空気と熱交換する熱交換器３と、熱交換器３を経由した改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ、以下、ＣＯという）を低減するシフト反応器４と、シフト反応器４によりＣＯを低減した水素リッチな改質ガス中のＣＯをさらに低減するＣＯの選択酸化反応器５とで構成している。
【００１２】
この燃料改質装置１には、原料の一つである炭化水素系燃料を改質反応器２に導入し、原料である水を水供給経路６から選択酸化反応器５および熱交換器３を経由させて改質反応器２に導入する。水は選択酸化反応器５で蒸発され、熱交換器３により加熱されて水蒸気の原料となって改質反応器２に供給される。原料である空気は空気供給経路８から、選択酸化反応器５により蒸発された水蒸気と混合され、水蒸気と共に熱交換器３により加熱して改質反応器２に導入する。空気供給経路８の空気は、また、選択酸化反応器５へ供給される一方、バルブ９を介して熱交換器３の上流の改質ガスに供給可能としている。バルブ６およびバルブ６を備えて改質ガスの通路と連通する空気通路１０は空気導入手段を構成している。
【００１３】
前記改質反応器２は、改質原料として、炭化水素系燃料、および、前記熱交換器３で加熱された水蒸気と空気の供給を受けて、原料をＣＯを含む水素リッチな改質ガスに改質し、前記熱交換器３に供給する。
【００１４】
前記熱交換器３は、改質ガスの顕熱を、通路１１を通過する水蒸気および空気に熱交換により供給するよう構成され、改質反応器２へ供給する水蒸気および空気を十分に加熱するよう機能する。熱交換器３の改質ガスが通過する通路１２の壁面には、酸化触媒Ｃをコーティングして備える。酸化触媒Ｃは、供給される改質ガスに空気（酸素）が含まれている場合に、改質ガスに含まれる水素やＣＯを、水素は水に、ＣＯは二酸化炭素（ＣＯ2、以下、ＣＯ2という）に夫々酸化反応させて、改質ガス中のＣＯを低減するよう機能する一方、発生する反応熱を熱交換器３の通路１１を介して、原料である水蒸気および空気の加熱に利用可能としている。改質ガスに混合させる空気は、通常運転時には閉じ、負荷上昇時には開くバルブ９を経由して供給する。
【００１５】
前記シフト反応器４は、前記熱交換器３を通過後に水が加えられた改質ガスの供給を受け、内蔵する水性シフト触媒層での反応により改質ガス中のＣＯを低減して選択酸化反応器５へ供給する。改質ガス中のＣＯは、別に供給される水と反応させて、水素と不活性なＣＯ2とに変換する。
【００１６】
前記選択酸化反応器５は、前記シフト反応器４通過後に空気が加えられた改質ガスの供給を受け、内蔵するＣＯ選択酸化触媒層での反応により改質ガス中のＣＯをさらに低減し、ＣＯが低減された改質ガスを、例えば、燃料電池スタックに供給する。選択酸化反応器５は蒸発器１３を備え、水供給経路６から供給された水を、改質ガスの顕熱と酸化反応熱とを与えることにより水蒸気に生成し、この水蒸気を熱交換器３に供給する。この水蒸気は熱交換器３において改質ガスの顕熱によりさらに加熱されて改質原料として改質反応器２に導入される。
【００１７】
以上の構成になる燃料改質装置１は、以下に記載するよう作動する。
【００１８】
通常の運転時には、水供給経路６から導入された水は、選択酸化反応器５で発生した熱により蒸発・気化され、空気供給経路８からの空気と混ぜられて熱交換器３にて再加熱され、改質反応器２へ炭化水素系燃料と一緒に導入される。
【００１９】
改質反応器２は、導入した炭化水素系燃料、水蒸気および空気は、改質触媒の作用により水素を含有する改質ガスを生成し、熱交換器３に供給する。
【００２０】
熱交換器３に導入される改質ガスは、空気供給経路８からの空気が通常運転時には閉じているバルブ９を経由して供給されないため、改質反応器２からの改質ガスがそのまま導入される。導入された改質ガスは、原料である水蒸気および空気との熱交換により、ガス温度を低下させてシフト反応器４に供給する。
【００２１】
シフト反応器４は、導入した改質ガス中のＣＯをシフト触媒により、別に供給された水と反応させて水素とＣＯ2を生成することでＣＯを低減して、改質ガスを選択酸化反応器５に供給する。選択酸化反応器５は、シフト反応器４からの改質ガスと空気供給経路８からの空気との混合ガスを導入して、改質ガス中に残留したＣＯを数ｐｐｍレベルまで低減し、燃料電池へ供給する。
【００２２】
大量の水蒸気を必要とする負荷上昇時には、バルブ９が開放されて空気供給経路８の空気が改質反応器２から供給される改質ガスに混合される。また、燃料改質に必要な大量の水を選択酸化反応器５の蒸発器１３に供給する。
【００２３】
選択酸化反応器５は、完全気化させるために必要とする熱量が選択酸化反応器５の蒸発器１３から供給できないため、燃料改質に必要な大量の水を供給されるも完全にはガス化できず、一部液体で存在する水の液・ガス混合流体を熱交換器３へ供給する。
【００２４】
熱交換器３では、改質ガスとバルブ９を経由した空気との混合ガスが改質ガスの通路に供給され、水蒸気および空気の通路１１には一部液体で存在する水の液・ガス混合流体の供給される。改質ガスと空気との混合ガスは、改質ガスが通過する通路１２の壁面にコーティングした酸化触媒Ｃによって、改質ガス中の水素およびＣＯと空気が、下記の式１および式２の
Ｈ2＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ  ・・・式１
ＣＯ＋＋１／２Ｏ2→ＣＯ2  ・・・式２
酸化反応により酸化反応熱を発生し、水と不活性なＣＯ2に変換される。酸化反応熱は熱交換器３を通過する水の液・ガス混合流体と熱交換して気化および加熱を促進して大量の水蒸気を生成させる。
【００２５】
このようにして、大量の水蒸気を速やかに発生させることが可能になり、過渡応答性を向上させることができる。また、この構成においては、負荷変動のために追加の蒸発器１３や加熱器を必要とせず、装置のコンパクト化が可能となる。
【００２６】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００２７】
（ア）改質反応器２に原料として供給する水蒸気およびまたは空気を加熱する熱交換器３の改質ガス通路１２に酸化触媒Ｃを配置し、負荷上昇時に空気導入手段としてのバルブ９を作動させて熱交換器３に導入する改質ガスに空気を混合させ、改質ガスに含まれる酸化可能物の酸化触媒Ｃによる酸化反応の反応熱により改質反応器２に供給する水蒸気およびまたは空気を加熱するようにした。このため、負荷上昇時に速やかに大量の水蒸気を発生させることができ、過渡応答性を向上させることが可能になった。
【００２８】
（イ）また、負荷上昇時に空気導入手段としてのバルブ９を作動させて熱交換器３に導入する改質ガスに空気を混合させ、改質ガスに含まれる酸化可能物の酸化触媒Ｃによる酸化反応の反応熱により改質反応器２に供給する水蒸気およびまたは空気を加熱するため、過渡応答のために新たな蒸発装置を設置することなく燃料改質装置１を小型化ができる。
【００２９】
（ウ）改質ガスに含まれる酸化可能物として、改質により分離された水素とＣＯを酸化反応させるため、新たに熱源を必要とすることなく、大量の水蒸気を発生させることができる。
【００３０】
（エ）燃料改質装置１は、改質ガス中に含まれるＣＯを選択酸化させて低減し、選択酸化反応による反応熱により水を蒸発気化させる蒸発器１３を具備する選択酸化反応器５を備え、前記蒸発器１３で蒸発気化した水蒸気を前記熱交換器３に供給するため、定常運転時は蒸発器１３より水が完全に気化された状態で熱交換器３に供給され、改質ガスと熱交換を行って再加熱された後、改質反応器２へ供給できる。また、負荷上昇時など大量の水蒸気が必要な時には、蒸発器１３での熱量が足りず一部液体で存在する水の液ガス混合流体を前記熱交換器３へ供給するも、液体の水の気化に必要な熱は、改質ガス中の酸化可能物と空気との酸化反応により発生する熱により補われ、大量の水蒸気を速やかに発生させることが可能になり、過渡応答性を向上させることができた。
【００３１】
（第２実施形態）
図２は、本発明を適用した燃料改質装置の第２実施形態を示すシステム構成図である。本実施形態においては、第１実施形態に加えて、負荷上昇時に熱交換器の水蒸気および空気の通路内に水を噴霧するようにしたものである。なお、図１と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【００３２】
図２において、熱交換器３には、水蒸気および空気が通過する通路１１途中に、通路容積を拡大した空間部１４を形成し、空間部１４はその壁面の外周側に改質ガスが流れるよう形成している。空間部１４には、水噴霧装置１５の図示しないノズルが露出し、負荷上昇時に開放するバルブ１６を経由して、選択酸化反応器５の蒸発器１３の上流から、供給される水を前記ノズルより空間部１４の内部に噴霧するよう構成している。
【００３３】
通常の運転時には、水供給系統６のバルブ１６および空気供給系統８のバルブ９は、何れも閉じられており、改質ガスへの空気供給および空間１４内への水噴霧のいずれも停止している。このため、第１実施形態の通常運転と同様に作動する。
【００３４】
大量な水蒸気が必要となる負荷上昇時には、空気供給経路８のバルブ９を開いて改質ガス中に空気を混合して熱交換器３に供給する一方、負荷上昇分に見合って必要となる水を水供給経路６のバルブ１６を開くことにより水噴霧装置１５に供給し、ノズルから空間部１４内に噴霧する。
【００３５】
熱交換器３内では、改質ガス中の水素およびＣＯと空気が酸化触媒Ｃの作用により反応し酸化反応熱を発生し、水蒸気および空気の通路１１および空間部１４を外部から加熱する。水蒸気および空気の通路１１を通過する水蒸気および空気が加熱される一方、空間部１４に水噴霧装置１５により噴霧された霧状の水滴も外部から加熱され、水蒸気にガス化され、改質反応器２に供給される。
【００３６】
このようにして大量の水蒸気を速やかに発生させることが可能になり、過渡応答性を向上させることができる。
【００３７】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）〜（エ）に加えて以下に記載した効果を奏することができる。
【００３８】
（オ）熱交換器３に、原料としての水およびまたは空気の通路１１内に水を直接噴霧する水噴霧装置１５を設け、負荷上昇時には水噴霧装置１５により噴霧されて通路１１、１４内で気化した水蒸気を改質反応器２に供給するため、噴霧と同時に気化して水蒸気を応答遅れなく大量に発生でき、過渡応答性をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料改質装置の概略構成図。
【図２】本発明の第２実施形態を示す燃料改質装置の概略構成図。
【符号の説明】
１  燃料改質装置
２  改質反応器
３  熱交換器
４  シフト反応器
５  選択酸化反応器
６  水供給経路
８  空気供給経路
９  空気導入手段としてのバルブ
１１  水およびまたは空気の通路（水蒸気およびまたは空気の通路）
１２  改質ガス通路
１３  蒸発器
１５  水噴霧装置
１６  バルブ
【図１】
2004196629.tif 000003
【図２】
2004196629.tif 000004