(57)【要約】【課題】燃料処理システム全体をコンパクト化が可能で、かつ一層コスト低減可能な燃料処理装置と燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】改質ガス原料を通流可能で改質触媒を充填した改質部１と、この改質部１の側壁を形成する伝熱隔壁から所定距離だけ離間して隣接する燃焼部２とを備える。燃焼部２が、耐熱性の多孔質隔壁２ａを有し内部に燃焼触媒を充填していて燃料導入口から導入された燃料を燃焼可能になっており、改質部１と燃焼部２とが互いに上下方向に対向配置されて立設されている。改質部１から改質ガスを送給される前部シフト反応器５が改質部１に隣接して設けられていると共に、前部シフト反応器５の下流側に後部シフト反応器７が配置され、これら前部シフト反応器５と後部シフト反応器７とが上下方向に立設されている。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質ガス原料を通流可能で改質触媒を充填した改質部と、この改質部の側壁を形成する伝熱隔壁から所定距離だけ離間して隣接する燃焼部とを備え、この燃焼部が、耐熱性の多孔質隔壁を有し内部に燃焼触媒を充填していて燃料導入口から導入された燃料を燃焼可能になっており、前記改質部と燃焼部とが互いに上下方向に対向配置されて立設されている燃料処理装置であって、
前記改質部から改質ガスを送給される前部シフト反応器が前記改質部に隣接して設けられていると共に、前記前部シフト反応器の下流側に後部シフト反応器が配置され、これら前部シフト反応器と後部シフト反応器とが上下方向に立設されていることを特徴とする燃料処理装置。
【請求項２】
前記改質部が平板状になっていると共に、この改質部に隣接する前記前部シフト反応器が平板状の側面を有していて、両者が互いに面接触している請求項１の燃料処理装置。
【請求項３】
前記後部シフト反応器の下流側に一段目ＣＯ除去器が接続されていると共に、この一段目ＣＯ除去器の下流側に二段目ＣＯ除去器が接続されていて、これら各ＣＯ除去器も上下方向に立設されている請求項１又は２の燃料処理装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１の燃料処理装置から改質された改質ガスを受け入れる燃料電池を備え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】
本発明は燃料処理装置と燃料電池発電システムに関し、詳しくは、改質ガス原料を通流可能で改質触媒を充填した改質部と、この改質部の側壁を形成する伝熱隔壁から所定距離だけ離間して隣接する燃焼部とを備え、この燃焼部が、耐熱性の多孔質隔壁を有し内部に燃焼触媒を充填していて燃料導入口から導入された燃料を燃焼可能になっており、前記改質部と燃焼部とが互いに上下方向に対向配置されて立設されている燃料電池に改質ガスを供給する燃料処理装置とこれを備える燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、燃料電池のアノード側に供給する燃料である都市ガス等を触媒反応により改質して生成ガスを得る改質器（リフォーマ）として、種々な形式のものが開発されているが、特にコンパクトで単位面積当たりの伝熱面を大きくできる改質器の開発が要求されている。
【０００３】
そこで、本発明者は、従来の横形の改質器に対して、改質触媒を充填した改質部と燃焼部とを互いに上下方向に対向配置して立設した縦形とし、広いスペースを要することなく全体をコンパクトにできる改質器を発明した（特願２００１−２５５９６８号）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池に改質ガスを供給する燃料処理システム全体としては、生成ガスを改質する改質器、生成ガス中に含まれるＣＯを低減する変成器（シフト反応器）、およびＣＯを燃料電池に悪影響を及ぼさないよう１０ｐｐｍ以下にするＣＯ除去器が、それぞれ反応温度がかなり異なることから、配管関係の接続系統が複雑になる等のため、コンパクト化にはなお改良の余地があった。
【０００５】
そこで、本発明は、従来技術を改良し、燃料処理システム全体をコンパクト化が可能で、かつ一層コスト低減可能な燃料処理装置と燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は各請求項記載の発明により達成される。すなわち、本発明に係る燃料処理装置の特徴構成は、改質ガス原料を通流可能で改質触媒を充填した改質部と、この改質部の側壁を形成する伝熱隔壁から所定距離だけ離間して隣接する燃焼部とを備え、この燃焼部が、耐熱性の多孔質隔壁を有し内部に燃焼触媒を充填していて燃料導入口から導入された燃料を燃焼可能になっており、前記改質部と燃焼部とが互いに上下方向に対向配置されて立設されていて、
前記改質部から改質ガスを送給される前部シフト反応器が前記改質部に隣接して設けられていると共に、前記前部シフト反応器の下流側に後部シフト反応器が配置され、これら前部シフト反応器と後部シフト反応器とが上下方向に立設されていることにある。
【０００７】
この構成によれば、改質部から送給される改質ガス中のＣＯを更に低減するための前部シフト反応器が改質部と隣接していることから、改質部からの熱を有効に前部シフト反応器に伝熱可能となって熱利用が効率的となり、しかも前部シフト反応器および後部シフト反応器とが上下方向に立設して設けてあるので、改質器の全体がコンパクトになり、各部の制御がし易くなる。更に、改質部の伝熱隔壁に対して燃焼部から発生する高温の熱が放射され、伝熱隔壁が略均等に熱せられるので、局部的に高温の箇所が生じるということがない。従って、改質部あるいは装置全体を構成するのに高価な耐熱性特殊鋼を用いる必要がなく、安価なステンレス鋼などを使用可能になる。又、燃焼部に燃焼ガスを導入するのに大きな圧損が生じないので、燃焼ガスを送給するのに大動力を要しないという利点もある。
【０００８】
その結果、燃料処理システム全体をコンパクト化が可能で、かつ一層コスト低減可能な燃料処理装置を提供することができた。
【０００９】
前記改質部が平板状になっていると共に、この改質部に隣接する前記前部シフト反応器が平板状の側面を有していて、両者が互いに面接触していることが好ましい。
【００１０】
この構成によれば、改質部からの熱を一層有効に前部シフト反応器に伝熱可能となって、熱利用が一層効率的となる。
【００１１】
前記後部シフト反応器の下流側に一段目ＣＯ除去器が接続されていると共に、この一段目ＣＯ除去器の下流側に二段目ＣＯ除去器が接続されていて、これら各ＣＯ除去器も上下方向に立設されていることが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、燃料処理装置の全体をコンパクトにできて、しかも燃料電池に送給される改質ガス中のＣＯを一層低減できる。このようにした改質ガスは、固体高分子形の燃料電池に使用できる。
【００１３】
前記改質部、前部シフト反応器、後部シフト反応器、一段目ＣＯ除去器、二段目ＣＯ除去器の触媒量は、夫々略４：２：２：１：１の割合であることが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、改質ガス中のＣＯを効果的に低減できる適正な触媒量とすることができ、無駄のない安定な操業が可能になり、かつ燃料処理装置の構成全体をコンパクトにできる。その場合、各触媒層の厚みは１０〜３０ｍｍ程度が好ましく、２０ｍｍ前後がより好ましい。
【００１５】
又、本発明に係る燃料電池発電システムの特徴構成は、請求項１〜３のいずれか１の燃料処理装置から改質された改質ガスを受け入れる燃料電池を備えることにある。
【００１６】
この構成によれば、燃料処理システム全体をコンパクト化が可能で、かつ一層コスト低減可能な燃料電池発電システムを提供することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る燃料処理装置を組み入れた燃料電池発電システムの概略全体構造を示す。この燃料電池発電システムは、改質器Ａと、この改質器Ａに燃焼ガスを送給する燃焼ボックスＢと、改質器Ａから改質されたガスが送られる固体高分子形燃料電池（以下、単に燃料電池ということがある）Ｃと、この燃料電池Ｃから所定の電力を取り出すインバータＤとから構成されている。
【００１８】
改質器Ａは、図示はしないが外郭に断熱材を備えていると共に、全体が縦形平板状に構成されていて、伝熱隔壁を備えて内部に改質触媒１ａが充填された改質部１と、燃焼触媒２ｂが充填された燃焼部２と、蒸気発生器３と、更に、改質部１からの改質ガスを送給される前部シフト反応器５と、その下流側に配置されている後部シフト反応器７とが互いに上下方向に対向配置して立設して構成されている。
【００１９】
燃焼部２に対しては、燃料電池での未利用の水素を含む改質ガスを燃料として送給することが好ましい。燃料電池に送給されて利用された後の改質ガスには、未だ少なくない水素（３０％程度含まれている場合がある）が残存しているので、これを利用することにより燃料電池発電システム全体の効率を一層高めることができるからである。つまり、配管１０を通して燃料電池Ｃでの未利用のＨ２　を含む改質ガスが燃料として送給され、これと燃焼ボックスＢの送風機能付きバーナー４から送風される燃焼用空気とが、多孔板あるいは発泡体からなる隔壁２ａを通して内部に充填されている燃焼触媒２ｂに送給される。燃焼部２の隔壁２ａは、金属（Ｎｉ−Ｃｒ系金属発泡体など）あるいはセラミックス（アルミナ、窒化炭素、窒化珪素製多孔質焼結体など）等の耐熱材料から構成される。
【００２０】
バーナー４は、送風機能のみならず、システム起動時のバーナーとしても使用される。触媒燃焼により発せられる放射熱は、改質部１の表面を６５０〜７５０℃に加熱し、改質部１に送給される原料の水蒸気改質に必要な温度に高める。尚、燃焼触媒としては、例えばＰｔ系の触媒を使用することが好ましい。
【００２１】
改質部１には、その下方の入口から、メタンを主成分とする原料である天然ガス（都市ガス１３Ａ）と、蒸気発生器３から配管１１を通して送られてくる過熱蒸気とが導入される。改質部１内に充填される改質触媒としては、Ｒｕ系やＮｉ系のもの等を使用できるが、Ｎｉ系触媒を使用するとコスト低減に寄与し得、Ｒｕ系触媒を使用するとＮｉ系触媒に比べて約１／２量の使用で済むので、使用目的、用途などによって適宜選択することができる。改質ガス原料として使用する都市ガスには、Ｓ分を主成分とする付臭剤が含まれているので、改質部１の上流側に脱硫器を設置して、脱硫を行うことが好ましい。
【００２２】
水蒸気あるいは過熱蒸気の供給を受けて、メタンを主成分とする改質ガス原料は、下記式（１），（２）を経て（３）となり、水素濃度の高いガスに改質される。この段階でのガス成分は、例えば、約Ｈ２　７５％，ＣＯ２　１５％，ＣＯ１０％程度になっている。
ＣＨ４　＋Ｈ２　Ｏ　→３Ｈ２　＋ＣＯ　（１）
ＣＯ　＋Ｈ２　Ｏ　→　Ｈ２　＋ＣＯ２　（２）
ＣＨ４　＋２Ｈ２　Ｏ→４Ｈ２　＋ＣＯ２　（３）
改質部１の外部表面には、縦方向に沿って平板形状をした前部シフト反応器（高温型）５が面接触して設けられていて、改質部１からの熱伝導により伝熱されて４５０〜５００℃に加熱される。改質部１から原料ガスが送給されて、改質ガス中のＣＯが更に低減される。前部シフト反応器５内部には、例えばＦｅ−Ｃｒ系触媒５ａが充填されており、ＣＯを３％以下程度にまで低減する。この場合、前部シフト反応器５では、ＣＯ＋Ｈ２　Ｏ→ＣＯ２　＋Ｈ２　の反応が生じる。
【００２３】
前部シフト反応器５内を通流してＣＯを低減された改質ガスは、更に、後部シフト反応器（低温型）７に送給される。この後部シフト反応器７は、内部に、例えばＣｕ−Ｚｎ系触媒が充填されており、前部シフト反応器５と同様に上下方向に立設されている。後部シフト反応器７を通過した改質ガスのＣＯ濃度は、５０００ｐｐｍ以下程度にまで低減される。
【００２４】
更に、後部シフト反応器７の下流側に、これと隣接して一段目ＣＯ除去器８が設けられており、一段目ＣＯ除去器８の下流側にこれと隣接して二段目ＣＯ除去器９が接続されている。一段目ＣＯ除去器には、例えばＰｔ系触媒が充填されており、二段目ＣＯ除去器９には、例えばＲｕ系触媒が充填されている。各ＣＯ除去器８，９に対して、夫々外部から新鮮空気が導入されるようになっていて、ここでＣＯ＋１／２・Ｏ２　→ＣＯ２　に変換する反応が進行し、一段目ＣＯ除去器８を通過した改質ガス濃度は、１５０ｐｐｍ以下程度にまで低減され、更に二段目ＣＯ除去器９を通過して、改質ガス中のＣＯが一層低減され、１０ｐｐｍ以下にされる。このようにすることにより、固体高分子形燃料電池Ｃの電極に用いられる触媒への悪影響を確実に低減できる。
【００２５】
上記して改質部、前部シフト反応器、後部シフト反応器、一段目ＣＯ除去器、二段目ＣＯ除去器の各触媒層の厚みを２０ｍｍ程度とすると共に、各触媒量を、夫々略４：２：２：１：１の割合とすることが好ましく、このようにすることによりシステム全体をコンパクトにして、効果的に原料ガスを所定成分に改質できる。
【００２６】
二段目ＣＯ除去器９を通流した改質ガスは、図示はしないが、熱交換器などからなる排熱回収装置に導入されて８０℃程度になり、次いで燃料電池Ｃに燃料極側に供給され、生じた電力はインバータＤを経由して電力利用される。更に、改質ガスは、給湯、暖房などに熱利用されるようになっていてもよい。燃料電池Ｃの空気極には、別に外部から空気が導入される。生成された水分、および空気は外部に排出される。
【００２７】
又、上流側の多孔質隔壁２ａから燃焼触媒２ｂ層を通過した燃料ガスは、燃焼部２の下流側の多孔質隔壁２ａを加熱しつつ通過することになり、下流側の多孔質隔壁２ａから放射される温度は幾分低下している（１００〜５００℃程度）ものの、蒸気発生部３を通流する水を水蒸気あるいは過熱蒸気にするには十分な熱を放射する。もとより、蒸気発生部３を通流する水は、下流側の多孔質隔壁２ａを通過して排出口６から排出される燃料ガスによる対流熱によっても加熱される。
【００２８】
蒸気発生部３の内部に、送給される水の滞留時間を長くするセラミック・ボール、シリンダー等の充填物が充填されていることが好ましい。これにより、蒸気発生部３内を通過する水を十分に加熱して、効率よく水蒸気あるいは過熱蒸気を発生させることができるからである。もっとも、通流する水の滞留時間を長くできれば、この構成に限定されるものではない。
【００２９】
燃焼排ガスは、蒸気発生部３を通流する水を過熱した後、下流側に設けられた排出口６から改質器Ａ外に排出される。この排出ガスは、燃焼部２に送給される空気を加熱したり、その他の熱利用に用いることができる。
【００３０】
〔別実施の形態〕
（１）上記実施形態の燃料処理装置が適用される燃料電池として、固体高分子形燃料電池を例に挙げたが、本発明が適用される燃料電池はこれに限定されるものではなく、リン酸形燃料電池などでもよい。この場合は、上記燃料処理装置において、前記ＣＯ除去器８，９を省略してもよい。
【００３１】
（２）上記実施形態では、天然ガスを改質ガス原料とする燃料電池システムの例を挙げて説明したが、本発明に係る燃料処理装置は、ガソリン、エタノール等のアルコール、ナフサ、灯油などを改質ガス原料とする燃料電池システムに対しても適用できる。
【００３２】
（３）上記実施形態では、蒸気発生部３に送給される水を上方より下方に向けて落下させるようにしたが、ポンプを設ける等して下方から上方に向けて水を送給する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料処理装置を用いた燃料電池発電システムの概略断面構成図
【符号の説明】
１　　　　　　改質部
２　　　　　　燃焼部
２ａ　　　　　多孔質隔壁
５　　　　　　前部シフト反応器
７　　　　　　後部シフト反応器
【図１】
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