(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが供給される管状流路と、
管状流路内に充填された改質用触媒と、
管状流路の周囲を取り囲むダクトと、
を有する改質器と、
改質器に接続され、改質された燃料ガスを燃焼させるガスタービンと、
ガスタービンの排ガスをダクト内に供給する排ガス管と、
を備え、
前記管状流路の途中に、水蒸気が加えられる水蒸気入口が設けられている
ことを特徴とするガスタービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン排熱を用いてガスタービン燃料を水素含有ガスに変換する改質器及び当該改質器を備えるガスタービンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化水素から水素リッチなガスを生成するための水蒸気改質反応は、従来より良く知られている。例えば、天然ガスの主成分であるメタンは、式（１）及び式（２）の反応により、水素を含むガスに転換され得る。
【０００３】
【数１】
0004837064.tif 000002
式（１）の反応は、水蒸気改質反応と呼ばれる吸熱反応であり、数気圧程度の低い圧力であれば、６００℃程度の温度でも５０％程度が転化する。一方、式（２）の反応は、水性ガスシフト反応と呼ばれる反応である。
【０００４】
例えば特許文献１に開示されているように、式（１）及び式（２）の反応を利用すると、図１５に示すようなガスタービン排熱回収発電システムを構成することができる。図１５のシステムにおいて、水１は、蒸発器１０２によって水蒸気３とされた後、ガスタービン燃料４と混合されて、改質器１０５へ導入される。改質器１０５では、タービン排ガス６の熱によって式（１）及び式（２）の反応が発生し、改質されたガス１０ｂ（水素含有ガス）が燃焼器１０７へ導入される。
【０００５】
ここで、式（１）及び式（２）の反応は、吸熱反応であるが、タービン排ガス６の熱が利用される。このため、システムの効率が向上されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−８０９２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
改質反応のために排熱を利用する従来のシステムにおいては、以下のような技術的課題がある。
まず、ガスタービンの排熱利用の効率についての課題である。この課題は、最も優先すべき課題である。排熱の利用（回収）は、一般に、タービン排ガスと燃料ガス（改質前のガスタービン燃料と水蒸気との混合ガス、あるいは、改質後の水素含有ガス）との熱交換によってなされる。ここで、排熱回収量は、ガスと隔壁との間の熱伝達の程度や、改質用触媒との接触熱抵抗等によって影響される。例えば、改質用触媒との接触熱抵抗が小さいほど排熱回収量が多くなり、改質器自体もコンパクトにできる。
【０００８】
また、ガスと隔壁の間の熱伝達は、タービン排ガスの流速に大きく影響を受ける。例えば、流速が大きいほど伝熱係数は大きくなる。しかし、流速が大きいと圧力損失も同時に大きくなる。圧力損失が大きいと、タービンの膨張に影響を与え、システムの効率を下げる。従って、伝熱係数と圧力損失とのバランスについて留意すべきである。
【０００９】
また、ガスと隔壁の間の熱伝達は、燃料ガスの圧力にも影響を受ける。従って、必要に応じて燃料ガスを昇圧すべきであるが、その場合にも、伝熱係数と圧力損失とのバランスについて留意すべきである。
【００１０】
また、タービン排ガスと燃料ガスとを区画する熱交換のための隔壁は、燃焼器の圧力（燃料ガスの圧力）とタービン出口の圧力（タービン排ガスの圧力）との圧力差に耐える必要がある。
【００１１】
さらに、触媒の活性および耐熱性の両立も課題である。多くの水蒸気改質用の触媒は、ニッケルをアルミナなどに担持させたものが多いが、一般的に低温での活性を高くするためには、ニッケル量を多くする必要がある。しかし、５００℃を超えるような温度域では、ニッケル量の多い触媒は、シンタリングなどの粒成長が進行し、耐熱性及び耐久性に問題が生じる。
【００１２】
従来のシステムは、以上の各課題について未だに十分な解決策を提示していない。本発明は、このような点を考慮し、安価で、効率を最大限に引き出すガスタービンシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、燃料ガスが供給される管状流路と、管状流路内に充填された改質用触媒と、管状流路の周囲を取り囲むダクトと、を有する改質器と、改質器に接続され、改質された燃料ガスを燃焼させるガスタービンと、ガスタービンの排ガスをダクト内に供給する排ガス管と、を備え、前記管状流路の途中に、水蒸気が加えられる水蒸気入口が設けられていることを特徴とするガスタービンシステムである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料ガスが供給される管状流路の途中に、水蒸気が加えられる水蒸気入口を設け、Ｓ／Ｃを可変とすることで、圧力損失を押さえつつ反応速度を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施の形態のガスタービンシステムを示す図。
【図２】本発明の第２の実施の形態の改質器を示す図。
【図３】本発明の第３の実施の形態の改質器を示す図。
【図４】改質器の変形例を示す図。
【図５】改質器の変形例を示す図。
【図６】本発明の第４の実施の形態の改質器を示す図。
【図７】タービン排気ガス温度等の推移を示す図。
【図８】管と触媒粒とを略同縮尺比で示す図。
【図９】空隙率と触媒粒径の関係を示すグラフ。
【図１０】本発明の第５の実施の形態の改質器を示す図。
【図１１】Ｓ／Ｃと反応速度との関係を示す図。
【図１２】１行８段の改質器を示す図。
【図１３】図１２の改質器内でのメタン転化率の推移を示す図。
【図１４】本発明の第６の実施の形態の改質器を示す図。
【図１５】排熱を回収する従来のガスタービンシステムを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。  
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るガスタービンシステムを示す図である。図１に示すように、改質器５は、管８と、管８内に充填された触媒９と、管８の周囲を取り囲むダクト１１と、を有している。タービン排ガス６は、排ガス管５ａを介してダクト１１内に導入され、ダクト１１の中で、管８の外側を通過するようになっている。これにより、ガスタービン７からのタービン排ガス６は、管８の内部を触媒９に接触しながら通過する燃料ガス１０ａ、例えばガスタービン用燃料と水蒸気との混合ガス、に熱を与える。これにより、燃料ガス１０ａは、前記の式（１）及び式（２）の反応によって水素含有ガス１０ｂへと転化する。
なお、本実施の形態の改質前の燃料ガス１０ａは、例えば、従来と略同様に、水１が蒸発器２によって水蒸気３とされた後、ガスタービン燃料４と混合されて生成される。
【００１７】
タービン排ガス６は、流量が多く、圧力損失がタービン出力に顕著に影響する。従って、なるべく圧力損失（抵抗）を小さくする必要がある。しかし、圧力損失を低減させるためにタービン排ガス６の流速を落とすと、燃料ガス１０ａ（あるいは改質後の水素含有ガス１０ｂ）との熱抵抗が大きくなり、ガスタービンシステムの効率向上及び出力向上があまり望めなくなる。従って、改質器の構成は、タービン排ガス６の圧力損失と伝熱性とのバランスを最も考慮して設計される必要がある。
【００１８】
本実施の形態のような改質器５は、各部の設計自由度が高く、タービン排ガス６の圧力損失を許容範囲内としながら伝熱性を最大限に引き出すような設計が容易である。すなわち、本実施の形態の改質器５を具備するガスタービンシステムは、高効率化と高出力化を容易に実現することができる。
【００１９】
ここで、管８という形態は、燃焼器圧力とタービン排ガス圧力との差圧に対する強度を十分に確保できる形態である。なお、管８の断面は、図１では円形としたが、楕円や矩形でも効果に変わりはない。また、管の径や断面形状は１つの管において一定でなくてもよいし、管の外側にフィンがついていてもよい。また、管８は、図１では１本であるが、２本以上並置されても構わない。
【００２０】
なお、触媒９は、耐熱性と低温活性とを留意して選定されることが好ましい。例えば、触媒９の金属元素としては、ニッケル、クロム、マンガン、コバルト、鉄、銅、亜鉛、ルテニウム、パラジウム、白金が適当である。また、触媒９の担持体としては、マグネシア、シリカ、アルミナ、ジルコニアを用いることが適当である。
【００２１】
本実施の形態によれば、改質反応がスムーズに進行し、システムの効率や出力が向上するだけでなく、耐久性も向上したガスタービンシステムを提供することができる。
【００２２】
次に、本発明の第２の実施の形態について図２を用いて説明する。図２に示すように、本実施の形態の改質器５は、改質前燃料ガス１０ａあるいは改質後水素含有ガス１０ｂが流通する複数の管８ａ及び８ｂと、管８ａ及び８ｂの各両端部をそれぞれ束ねるヘッダ空間１２ａ及び１２ｂと、を備えている。
【００２３】
図２に示すように、上方のヘッダ空間１２ａは仕切板１３（水素透過膜等によって構成され得る）によって奥側と手前側とに分離されている。そして、管８ａ及び８ｂは、上下方向に平行に配置されており、仕切板１３に対して奥側に配置された管８ａには低温活性触媒９ａが充填されており、仕切板１３に対して手前側に配置された管８ｂには高温活性触媒９ｂが充填されている。また、ヘッダ空間１２ａの奥側には配管１４ａが接続され、ヘッダ空間１２ａの手前側には配管１４ｂが接続されている。配管１４ａは、改質前の燃料ガス１０ａが導入される管である。図２の場合、低温活性触媒９ａが、ヘッダ空間１２ａの奥側にも充填されている。
【００２４】
以上のような管配置によって、図２に示すように、改質前の燃料ガスについて、配管１４ａ→ヘッダ空間１２ａの奥側→管８ａ（下降する）→ヘッダ空間１２ｂ→管８ｂ（上昇する）→ヘッダ空間１２ａの手前側→配管１４ｂという流路が形成される。
【００２５】
タービン排ガス６は、図２の手前側からダクト１１内に案内されて管８ａ及び８ｂの周囲を通過し、燃料ガス１０ａとの間で熱交換を行う。具体的には、ダクト１１内に導入される時に６００℃程度の温度であるタービン排ガス６は、改質反応に熱を奪われて温度を下げ、５００℃程度になる。
【００２６】
一方、改質前の燃料ガス１０ａについては、前記流路を通過する間に改質反応が進行して水素や二酸化炭素が生成され、水素含有ガス１０ｂへと変化し、温度も徐々に上昇する。改質前燃料ガス１０ａのヘッダ１２ａの入口での温度が、例えば１５０℃である場合、ヘッダ１２ｂに到達する時には４５０℃程度に上昇している。この時、管８ａ内での触媒温度は、５００℃以下である。従って、低温活性触媒９ａが有効に作用し、５００℃以下の温度でも水素含有ガスへの転化が促進される。また、管８ｂ内での触媒温度は、配置の関係からタービン排ガス６の入口温度６００℃に近くなる。従って、高温用触媒９ｂが有効に作用する一方、耐熱性が向上されている。
【００２７】
本実施の形態によれば、低温活性を犠牲にすることなく、耐熱性も向上した改質器及びガスタービンシステムを提供することができる。
【００２８】
次に、本発明の第３の実施の形態について図３を用いて説明する。図３に示す改質器５では、平行に配置された管８の群が、奥側（右側）から手前側（左側）に３段に分離された構成となっている。各段を構成する管群１５は、３行×１２列となっている。
【００２９】
また、ヘッダ空間１２ａ及び１２ｂの各々が仕切板１３ａ及び１３ｂを有している。この場合、ヘッダ空間１２ａの仕切板１３ａは、最も奥側の管群１５と中間の管群１５との間に設けられており、ヘッダ空間１２ｂの仕切板１３ｂは、最も手前側の管群１５と中間の管群１５との間に設けられている。
【００３０】
そして、配管１４ｂが、ヘッダ空間１２ａではなく、ヘッダ空間１２ｂの仕切板１３ｂに対する手前側に設けられている。
【００３１】
以上のような管配置によって、図３に示すように、改質前の燃料ガス１０ａについて、配管１４ａ→ヘッダ空間１２ａの奥側→管８（下降する）→ヘッダ空間１２ｂの奥側及び中間側→管８（上昇する）→ヘッダ空間１２ａの中間側及び手前側→管８（下降する）→ヘッダ空間１２ｂの手前側→配管１４ｂという流路が形成される。
【００３２】
その他の構成は、図２を用いて説明した第２の実施の形態と略同様である。第２の実施の形態と同様の部材には同様の符号を付して、詳細な説明は省略する。
【００３３】
本実施の形態によっても、低温活性を犠牲にすることなく、耐熱性も向上した改質器及びガスタービンシステムを有効に提供することができる。
【００３４】
特に本実施の形態では、流路全般にわたって、加熱源のタービン排ガス６と燃料ガス１０ａの温度差を大きくとることができる。従って、交換熱量が多くなり、水素含有ガス１０ｂへの転化率が高い。なお、本実施の形態のように、タービン排ガス６と燃料ガス１０ａ（あるいは水蒸気水素含有ガス１０ｂ）との流通方向は、少なくとも部分的に対向していることが好ましい。
【００３５】
なお、管群１５は、例えば４行×１６列であってもよいし、管群の組合せは、例えば５段であってもよい。管群１５の配置態様は、自由に設計することができる。
【００３６】
ここで、管群１５の配置態様を設計するにあたって、水素含有ガス１０ｂの充填触媒層による圧力損失とタービン排ガスの圧力損失との両者を考慮する必要がある。充填層内での圧力損失Δｐは、Ｅｒｇｕｎによって式（３）によって与えられている。
【００３７】
【数２】
0004837064.tif 000003
ここで、ηは粘性、ｄp  は充填粒子の等価直径、εは空隙率、ρは密度、ｕは流速、Ｌは充填層長さ、をそれぞれ示す。式（３）によれば、圧力損失は、流速の影響を大きく受けることがわかる。
【００３８】
また、管壁を介して充填層内部に熱を伝えるのは、主に半径方向の熱伝導である。充填層内部の熱伝導率については、矢木、国井らによって、式（４）として与えられ得る。
【００３９】
【数３】
0004837064.tif 000004
ここで、λg  は気体の熱伝導率、λe0は流体静止時の有効熱伝導率、Ｐｒはプラントル数、Ｒｅp  は粒径を代表長さとするレイノルズ数、をそれぞれ示す。式（４）は、流速が大きければ伝熱性が向上することを示している。
【００４０】
一方、タービン排ガスの圧力損失も、式（５）に示すように、タービン排ガスの流速ｕの２乗及び管行数ｎに比例する。また、式（６）に示すように、タービン排ガスと管壁との熱伝達率は、タービン排ガスの通過流速に大きく依存し、流速が大きいと熱伝達率も大きくなる。
【００４１】
【数４】
0004837064.tif 000005
つまり、式（３）〜式（６）に示した水素含有ガス１０ｂ及びタービン排ガス６の伝熱及び圧力損失という４つの項目を、全て考慮に入れる必要がある。そのためには、本実施の形態のような構成が、設計の自由度やコスト等の観点から、有効な解決方法の１つであると言える。
【００４２】
なお、改質の反応速度を考慮し、改質器容積がなるべく小さく、かつ、出口での転化率ができるだけ高くなるように設定することがことが好ましい。
【００４３】
ここで、具体的な例として、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すような２タイプの８列構成の改質器を考える。ここで、改質前の燃料ガスの流量が同じであれば、１行の管束が８段である改質器（図４（ｂ））は、８行の管束が１段である改質器（図４（ａ））よりも、管内部の伝熱性について優る一方、圧力損失は格段に大きくなってしまう。
【００４４】
次に、図５を用いて、別の具体例について説明する。図５（ａ）の例は、管束３行の３段構成となっている。
【００４５】
ここで、図５（ａ）の構成において、水素含有ガス１０ｂへの転化率及び温度が低かったと仮定する。この場合、管内の流速を上げれば管内への入熱量が多くなるので、図５（ｃ）に示すように、管束２行の４段構成に変形し、ヘッダ１２ａの総断面積を小さくして、管内流速を大きくすることが有効となる。
【００４６】
一方、図５（ａ）の構成において、水素含有ガス１０ｂの圧力損失が大きかったと仮定する。この場合、図５（ｂ）に示すように、管束４行の２段構成に変形すれば、管内の流速が小さくなるので、圧力損失も小さくなる。
【００４７】
以上のように、管束の行数及び段数を変えることにより、あらゆる条件下において、圧力損失及び伝熱特性を適宜のバランスに調製した改質器を提供することができる。
【００４８】
次に、本発明の第４の実施の形態について図６及び図７を用いて説明する。図６は、２行４段で構成された改質器５を示している。この場合、タービン排ガス６は、図６の左方から右方へ流れ、水素含有ガス１０ｂ（あるいは改質前の燃料ガス１０ａ）は、ヘッダ１２ａと１２ｂを上下に往復しつつ、領域Ａ〜領域Ｄを順に流れる。
【００４９】
図７は、各領域Ａ〜Ｄについてのタービン排ガス６の温度、水素含有ガス１０ｂ（あるいは改質前の燃料ガス１０ａ）の温度及び改質の反応速度を示すグラフである。図７に示すように、水素含有ガス１０ｂの温度は、タービン排ガス６の温度との差が大きい領域Ａ及び領域Ｂにおいては急激に上昇するが、温度差が縮まる領域Ｃ及び領域Ｄにおいては上昇速度が鈍る。
【００５０】
一方、改質の反応速度については、水素含有ガス１０ｂの温度が低い領域Ａ及び領域Ｂのあたりでは比較的低く、水素含有ガス１０ｂの温度の上昇とともに領域Ｃ及び領域Ｄでは急激に上昇する。すなわち、入口から領域Ａまで、及び、領域Ａから領域Ｂまでの温度の低い触媒充填層は、反応に寄与せず、単なる予熱部としてしか機能していない。従って、これらの部分の触媒充填層について、触媒を省いたり、反応性は犠牲にしても圧損の少ない触媒を用いたり、充填密度を下げたり、あるいは、アルミナボール等のダミー触媒を充填したりすることで、圧力損失を小さくして全体のシステム効率を上昇させることが可能となる。
【００５１】
ここで、管８の径と触媒９の粒径との関係について説明する。図８（ａ）及び図８（ｂ）は、触媒９の粒径の一例と管８の径の一例とを略同尺比で示した図である。
【００５２】
管８には触媒９が充填される。この充填の空隙率が小さいほど、単位体積あたりの触媒量は多くなる。この場合、触媒９の反応寄与量は当然に増大するが、管８における触媒充填層による圧力損失が問題となり得る。
【００５３】
式（３）に示した充填層管内の圧力損失Δｐは、空隙率に大きく影響され、空隙率が大きくなると圧力損失は顕著に小さくなる。一方、式（４）に示した重点層内部の熱伝導率は、空隙率に大きく依存し、空隙率が大きくなると、有効率伝導率λｅ  は小さくなる。
【００５４】
図９は、６種類の様々な形状の触媒を外径２５．４ミリの管に充填し、空隙率と触媒の等価直径との関係を示したグラフである。図９に示すように、触媒粒径が小さくなると、空隙率は小さくなる。また、粒径が大きくなると、空隙率は大きくなるが、一定値に近づく。式（３）、式（４）及び図９から、以下のことがわかる。  
１．半径方向の伝熱を考慮すると、改質管径はあまり大きくできない。  
２．圧力損失が大きくなるので、粒径をあまり細かくできない。  
３．充填効率や反応速度に影響を与えるため、粒径をあまり大きくできない。
【００５５】
以上の３点を併せて考えると、改質管８の直径と触媒９の粒径との比ｄｔ／ｄｐ（図８参照）が、３以上５０以下程度である場合が好ましい。この場合に、前記の３点の問題が概ね許容範囲に収まって、改質器５が最適化され得る。
【００５６】
次に、タービン排ガス６の圧力損失について説明する。タービン排ガス６は、ダクト１１内に設置された改質管８の群を通過する際に圧力損失を生じる。管８間のピッチが狭いと、タービン排ガス６の流速は増大するが、式（５）に示すように、圧力損失も大きくなる。一方で、式（６）に示すように、タービン排ガス６と管８壁との熱伝達率は、流速が大きいほど大きくなる。
【００５７】
本件発明者は、管８の中心間距離を管８の代表直径の１．１倍から３．０倍とした場合に、伝熱と圧力損失とを適切なバランス範囲に収めることができることを知見した。
【００５８】
さらに、タービン排ガス６の圧力損失は、管８の行数ｎに比例して大きくなる。一方、改質前燃料ガス１０ａ（または改質後水素含有ガス１０ｂ）の充填層での圧力損失は、式（３）に示すように、流速と長さとに依存する。流速を下げて圧力損失を小さくするには、１管束あたりの管群の本数を増やして総断面積を大きくすればよい。しかしながら、同じ列数で管群の行数ｎを増加させると、タービン排ガスの圧力損失が増大してしまう。
【００５９】
管の列数は、タービン排ガス６の流路幅で決定される。従って、改質管８内の圧力損失及びタービン排ガス６側の圧力損失が燃料ガス１０ａの供給機器及びガスタービン７に与える負荷、更にはシステム効率に与える影響等から、管束の数は、１から２０の間であることが好ましいことが知見された。
【００６０】
次に、本発明の第５の実施の形態について図１０を用いて説明する。図１０は、第２の実施の形態の管８及び仕切板１３の配置等を変更した実施の形態を示すものである。図１０（ａ）は概略平面図、図１０（ｂ）は概略側断面図である。
【００６１】
図１０に示す改質器５では、平行に配置された管８の群が、右側から左側に３段に分離された構成となっている。各段を構成する管群１５ａ〜１５ｃは、それぞれ、２行×８列、３行×８列、４行×８列となっている。
【００６２】
また、ヘッダ空間１２ａ及び１２ｂの各々が仕切板１３ａ及び１３ｂを有している。この場合、ヘッダ空間１２ａの仕切板１３ａは、右側の管群１５ａと中間の管群１５ｂとの間に設けられており、ヘッダ空間１２ｂの仕切板１３ｂは、左側の管群１５ｃと中間の管群１５ｂとの間に設けられている。配管１４ｂは、ヘッダ空間１２ｂの仕切板１３ｂに対する左側に設けられている。
【００６３】
以上のような管配置によって、図１０に示すように、改質前の燃料ガスについて、配管１４ａ→ヘッダ空間１２ａの右側→管８（下降する）→ヘッダ空間１２ｂの右側及び中間側→管８（上昇する）→ヘッダ空間１２ａの中間側及び左側→管８（下降する）→ヘッダ空間１２ｂの左側→配管１４ｂという流路が形成される。
【００６４】
その他の構成は、図２を用いて説明した第２の実施の形態と略同様である。第２の実施の形態と同様の部材には同様の符号を付して、詳細な説明は省略する。
【００６５】
本実施の形態によれば、燃料ガス１０ａ（または１０ｂ）の温度が高くなって密度が小さくなることを考慮して、通過可能な管８の数が増えているため、流速が増大することなく、結果的に圧力損失があまり大きくならない。一方、温度を急速に上昇させたい低温域においては、ある程度の流速が確保されており、すなわち、管８内の熱伝達率が大きく保たれて伝熱性が確保されている。
【００６６】
なお、本実施の形態の各管群１５ａ〜１５ｃは、それぞれ８の倍数の本数の管８から構成されているが、本実施の形態の主旨は各管群を構成する管８の本数が変化していることであり、特に８の倍数で規則正しく整列している必要は無い。  さらに、図１０に示すように、本実施の形態の管８は円形断面で千鳥格子状に規則正しく配列されているが、管８の断面形状は不問であり、その配列も正方格子等であってよい。また、管８の中心間距離も、一定である必要はない。
【００６７】
ここで、ガスタービン燃料における炭素分と水蒸気のモル比（スチームカーボン比、以下Ｓ／Ｃ）について説明する。一般に、Ｓ／Ｃが大きいほど式（１）及び式（２）の反応は水素生成側へ進行し、また、式（７）に示すように、式（１）及び式（２）の反応式によって生成される一酸化炭素からカーボン固体が析出するような反応も、Ｓ／Ｃが大きいほど生じにくいことが知られている。
【００６８】
【数５】
0004837064.tif 000006
しかし、Ｓ／Ｃが大きい場合、流量が多くなり、管内の圧力損失が非常に大きくなる。管内の圧力損失の増大がシステム効率を下げる影響と、ガスタービン燃料の転化率が上昇して再生される熱量が増大することと、水蒸気分のタービン作動ガスの増加によるタービン出力の増大でシステム効率が上昇することと、をすべて考慮に入れ、あらゆるシステムを検討した結果、本件発明者は、Ｓ／Ｃは２から７が適当であることを知見した。
【００６９】
図１１は、触媒Ａを用い、温度４９０℃の条件下で、ガスタービン燃料をメタンとした場合で、メタン転化率が７．５％の時の反応速度の測定結果をＳ／Ｃとの関係で示したグラフである。図１１に示すように、Ｓ／Ｃが約３．８の時に反応速度は最大となり、Ｓ／Ｃが３．８以上の状態よりも、反応の経過途中で一時的に反応速度は増大しないことがわかる。
【００７０】
図１２は、代表的な改質器５の例として、８段構成の改質器５を示している。図１３は、Ｓ／Ｃ＝５．０の場合について、図１２における領域Ａ〜領域Ｈについてのメタン転化率の推移を示している。図１３によれば、入口に近い領域Ａ及び領域Ｂでは、転化率が１０％以下であり、入口のＳ／Ｃを３．８程度にしておけば、反応速度が大きくなって、転化率も高くなることが予想される。その後、領域Ｃ以後で水蒸気を加えることが好ましい。水蒸気を加えることによって、Ｓ／Ｃを変えることができる。
【００７１】
例えば、予めＳ／Ｃを低く設定されたガスタービン燃料と水蒸気との混合ガス１０ａが、入口１４ａから導入され、１段目の管束を通過して、わずかながら水素を含んだ水素含有ガス１０ｂに転化する。領域Ａに達した水素含有ガス１０ｂは、ヘッダ空間１２ｂの中間部等に接続された水蒸気入口１６（例えば図１４に示すような形態が考えられる）から加えられる水蒸気３と混合され、Ｓ／Ｃを高められて、さらに領域Ｂ、領域Ｃ…へと流れる。Ｓ／Ｃの高くなった水素含有ガス１０ｂは、更に反応速度が大きくなり、一気にガス温度の平衡転化率まで達する。この場合、水素含有ガスの１段目の流速は、蒸気が少ない分、２段目以降よりも小さいため、触媒充填層の圧力損失を小さくすることができる。
【符号の説明】
【００７２】
１  水
２  蒸発器
３  水蒸気
４  ガスタービン燃料
５  改質器
５ａ  排ガス管
６  タービン排ガス
７  燃焼器
８、８ａ、８ｂ  管
９  触媒
９ａ  低温活性触媒
９ｂ  高温用触媒
１０ａ  ガスタービン燃料および水蒸気混合ガス（改質前燃料ガス）
１０ｂ  水素含有ガス（改質後燃料ガス）
１１  ダクト
１２ａ、１２ｂ  ヘッダ空間
１３  仕切板（水素透過膜）
１４ａ  入口配管
１４ｂ  出口配管
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ  管束
１６  水蒸気追加口
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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