(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料を改質して水素リッチガスに変換する改質反応器と、前記改質反応器の下流側に設けられて、改質反応済の燃料ガス中のＣＯを選択的にＣＯ2 に酸化するＣＯ選択酸化反応器とを少なくとも備え、原燃料を改質してＣＯ濃度の低い水素リッチガスを製造する燃料改質システムにおいて、
原燃料が気体であって、前記改質反応器の下流側であって前記ＣＯ選択酸化反応器の上流側との間でかつ空気の注入口よりも上流側の改質反応済の燃料ガスの少なくとも一部のガスから水蒸気を凝縮分離する水蒸気凝縮分離手段と、
前記水蒸気凝縮分離手段で水蒸気が凝縮分離除去されたガスを、前記改質反応器に供給する原燃料にリサイクルガスとして混合するリサイクルラインとを備え、
かつ、前記改質反応器の上流側に原燃料を圧縮する原燃料圧縮機を設け、前記リサイクルラインを前記原燃料圧縮機の吸入側に接続したことを特徴とする燃料改質システム。
【請求項２】
原燃料を改質して水素リッチガスに変換する改質反応器と、前記改質反応器の下流側に設けられて、改質反応済の燃料ガス中のＣＯを選択的にＣＯ2 に酸化するＣＯ選択酸化反応器とを少なくとも備え、原燃料を改質してＣＯ濃度の低い水素リッチガスを製造する燃料改質システムにおいて、
前記改質反応器の下流側であって前記ＣＯ選択酸化反応器の上流側との間でかつ空気の注入口よりも上流側の改質反応済の燃料ガスの全量を通過させてそのガスから水蒸気を凝縮分離する水蒸気凝縮分離手段と、
前記水蒸気凝縮分離手段で水蒸気が凝縮分離除去されたガスを、前記改質反応器に供給する原燃料にリサイクルガスとして混合するリサイクルラインとを備えたことを特徴とする燃料改質システム。
【請求項３】
原燃料を改質して水素リッチガスに変換する改質反応器と、前記改質反応器の下流側に設けられて、改質反応済の燃料ガス中のＣＯを選択的にＣＯ2 に酸化するＣＯ選択酸化反応器とを少なくとも備え、原燃料を改質してＣＯ濃度の低い水素リッチガスを製造する燃料改質システムにおいて、
前記改質反応器の下流側であって前記ＣＯ選択酸化反応器の上流側との間でかつ空気の注入口よりも上流側の改質反応済の燃料ガスの少なくとも一部のガスから水蒸気を凝縮分離する水蒸気凝縮分離手段と、
前記水蒸気凝縮分離手段で水蒸気が凝縮分離除去されたガスを、前記改質反応器に供給する原燃料にリサイクルガスとして混合するリサイクルラインと、
原燃料とリサイクルガスの流量比を制御する流量比制御手段とを備えたことを特徴とする燃料改質システム。
【請求項４】
原燃料を改質して水素リッチガスに変換する改質反応器と、前記改質反応器の下流側に設けられて、改質反応済の燃料ガス中のＣＯを選択的にＣＯ2 に酸化するＣＯ選択酸化反応器とを少なくとも備え、原燃料を改質してＣＯ濃度の低い水素リッチガスを製造する燃料改質システムにおいて、
前記改質反応器の下流側であって前記ＣＯ選択酸化反応器の上流側との間でかつ空気の注入口よりも上流側の改質反応済の燃料ガスの少なくとも一部のガスから水蒸気を凝縮分離する水蒸気凝縮分離手段と、
前記水蒸気凝縮分離手段で水蒸気が凝縮分離除去されたガスを、前記改質反応器に供給する原燃料にリサイクルガスとして混合するリサイクルラインとを備え、
前記改質反応器および前記リサイクルラインを保温材で被覆してあることを特徴とする燃料改質システム。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料改質システムにおいて、
水蒸気凝縮分離手段を、ＣＯ選択酸化反応器の上流側で改質反応器からの改質反応済の燃料ガスが全量通過するように設けてある燃料改質システム。
【請求項６】
請求項１、２、５のいずれかに記載の燃料改質システムにおいて、
原燃料とリサイクルガスの流量比を制御する流量比制御手段を設けてある燃料改質システム。
【請求項７】
請求項１、２、３、５、６のいずれかに記載の燃料改質システムにおいて、
改質反応器およびリサイクルラインを保温材で被覆してある燃料改質システム。
【請求項８】
請求項１、２、３、４、５、６、７のいずれかに記載の燃料改質システムにおいて、
改質反応器の上流側に脱硫器を設け、前記改質反応器とＣＯ選択酸化反応器との間に改質反応済の燃料ガス中のＣＯを水素に変換するＣＯ変成器とを設け、水蒸気凝縮分離手段により前記ＣＯ変成器の下流側のガス中の水蒸気を凝縮分離し、その水蒸気が凝縮分離除去されたガスをリサイクルガスとしてリサイクルラインに流通させるとともに、前記リサイクルラインを前記脱硫器の上流側に接続してある燃料改質システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素などを原燃料として改質し、ＣＯ濃度の低い水素リッチガスを製造する燃料改質システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
家庭用コージェネレーションシステムや自動車用として用いられる固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）０１の場合、図９に示すように、燃料改質システム０２から電池スタック０３のアノード側に供給される水素リッチガス中の水素と、電池スタック０３のカソード側に供給される空気中の酸素とを電解質膜を介して反応させて電力を生じるように構成されている。
【０００３】
燃料改質システム０２では、原燃料を改質反応器０４で水蒸気改質反応により水素に変換してから、改質反応済ガスの燃料ガス中のＣＯ濃度が高い場合には、ＣＯ変成器０５で改質反応済の燃料ガス中のＣＯを水素に変換した後、さらにＣＯ変成済の燃料ガス中に残存するＣＯをＣＯ選択酸化反応器０６で選択酸化することによってＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下に低減した水素リッチガスを製造する。ＣＯ濃度が高いと電池スタック０３で発電できなくなるからである。
【０００４】
また、燃料改質システム０２において、入手容易な都市ガスやプロパンガスを原燃料として使う場合、都市ガスやプロパンガスでは付臭のためにイオウが添加されており、改質反応器０４へ原燃料を投入する前段で原燃料を予め脱硫処理して燃料改質システムでの被毒要因のイオウを除去する必要がある。このような燃料改質システム０２では、ガスの流れは一方向で、燃料ガスが原燃料に混合されることはない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、原燃料がナフサなど比較的高級な炭化水素であり、カーボンを析出させずに安定して改質し、水素リッチガスを製造する場合や、水素添加脱硫方式により原燃料を脱硫する場合には、原燃料に水素を添加する必要がある。大型の純水素製造プラントでは、通常、製品の純水素をリサイクルして原燃料に添加するが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）用の燃料改質システムなどでは、純水素を精製するプロセスがないので、そのまま同様にして純水素をリサイクルすることができなかった。
【０００６】
また、システムにリサイクルラインを設けて製造した水素リッチガスの一部を原燃料と混合しようとしても、水分がリサイクルラインで凝縮して閉塞し、安定した水素添加ができないという問題があった。特に、小型の燃料電池用燃料改質システムの場合、放熱が大きく、リサイクルラインの径が細くなりがちであり、リサイクルラインの閉塞を生じやすい欠点があった。
【０００７】
また、その水分を除去したとしても、ＣＯ選択酸化反応に必要な酸素を空気の添加で行う場合は、製造する水素リッチガスに窒素が含まれるので、水素リッチガスをリサイクルガスとして原燃料に添加すると改質反応器０４で燃料電池０１に有害なアンモニアが生成してしまうという問題点があり、改質ガスをリサイクルすることができなかった。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、請求項１に係る発明は、アンモニアを生成せず、小型でも安定した運転が可能となる、生成水素の一部をリサイクルして利用できるとともに構成を簡略化できる燃料改質システムを提供することを目的としている。さらに、請求項２に係る発明は、アンモニアを生成せず、小型でも安定した運転が可能となる、生成水素の一部をリサイクルして利用できるとともにＣＯ選択酸化反応をも安定して行える燃料改質システムを提供することを目的とし、請求項３に係る発明は、アンモニアを生成せず、小型でも安定した運転が可能となる、生成水素の一部をリサイクルして利用できるとともに負荷変動にも安定して運転できる燃料改質システムを提供することを目的とし、請求項４に係る発明は、アンモニアを生成せず、小型でも安定した運転が可能となる、生成水素の一部をリサイクルして利用できるとともに環境温度に左右されずに安定して運転できる燃料改質システムを提供することを目的とし、請求項５に係る発明は、ＣＯ選択酸化反応をも安定して行えるようにすることを目的とし、また、請求項６に係る発明は、負荷変動にも安定して運転できるようにすることを目的とし、また、請求項７に係る発明は、環境温度に左右されずに安定して運転できるようにすることを目的とし、そして、請求項８に係る発明は、硫黄を含む炭化水素を原燃料とする場合にも良好に適用できるようにすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、上述のような目的を達成するために、
原燃料を改質して水素リッチガスに変換する改質反応器と、前記改質反応器の下流側に設けられて、改質反応済の燃料ガス中のＣＯを選択的にＣＯ2 に酸化するＣＯ選択酸化反応器とを少なくとも備え、原燃料を改質してＣＯ濃度の低い水素リッチガスを製造する燃料改質システムにおいて、
原燃料が気体であって、前記改質反応器の下流側であって前記ＣＯ選択酸化反応器の上流側との間でかつ空気の注入口よりも上流側の改質反応済の燃料ガスの少なくとも一部のガスから水蒸気を凝縮分離する水蒸気凝縮分離手段と、
前記水蒸気凝縮分離手段で水蒸気が凝縮分離除去されたガスを、前記改質反応器に供給する原燃料にリサイクルガスとして混合するリサイクルラインとを備え、
かつ、前記改質反応器の上流側に原燃料を圧縮する原燃料圧縮機を設け、前記リサイクルラインを前記原燃料圧縮機の吸入側に接続して構成する。
【００１０】
また、請求項２に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
原燃料を改質して水素リッチガスに変換する改質反応器と、前記改質反応器の下流側に設けられて、改質反応済の燃料ガス中のＣＯを選択的にＣＯ2 に酸化するＣＯ選択酸化反応器とを少なくとも備え、原燃料を改質してＣＯ濃度の低い水素リッチガスを製造する燃料改質システムにおいて、
前記改質反応器の下流側であって前記ＣＯ選択酸化反応器の上流側との間でかつ空気の注入口よりも上流側の改質反応済の燃料ガスの全量を通過させてそのガスから水蒸気を凝縮分離する水蒸気凝縮分離手段と、
前記水蒸気凝縮分離手段で水蒸気が凝縮分離除去されたガスを、前記改質反応器に供給する原燃料にリサイクルガスとして混合するリサイクルラインとを備えて構成する。
【００１１】
また、請求項３に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
原燃料を改質して水素リッチガスに変換する改質反応器と、前記改質反応器の下流側に設けられて、改質反応済の燃料ガス中のＣＯを選択的にＣＯ2 に酸化するＣＯ選択酸化反応器とを少なくとも備え、原燃料を改質してＣＯ濃度の低い水素リッチガスを製造する燃料改質システムにおいて、
前記改質反応器の下流側であって前記ＣＯ選択酸化反応器の上流側との間でかつ空気の注入口よりも上流側の改質反応済の燃料ガスの少なくとも一部のガスから水蒸気を凝縮分離する水蒸気凝縮分離手段と、
前記水蒸気凝縮分離手段で水蒸気が凝縮分離除去されたガスを、前記改質反応器に供給する原燃料にリサイクルガスとして混合するリサイクルラインと、
原燃料とリサイクルガスの流量比を制御する流量比制御手段とを備えて構成する。
【００１２】
また、請求項４に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
原燃料を改質して水素リッチガスに変換する改質反応器と、前記改質反応器の下流側に設けられて、改質反応済の燃料ガス中のＣＯを選択的にＣＯ2 に酸化するＣＯ選択酸化反応器とを少なくとも備え、原燃料を改質してＣＯ濃度の低い水素リッチガスを製造する燃料改質システムにおいて、
前記改質反応器の下流側であって前記ＣＯ選択酸化反応器の上流側との間でかつ空気の注入口よりも上流側の改質反応済の燃料ガスの少なくとも一部のガスから水蒸気を凝縮分離する水蒸気凝縮分離手段と、
前記水蒸気凝縮分離手段で水蒸気が凝縮分離除去されたガスを、前記改質反応器に供給する原燃料にリサイクルガスとして混合するリサイクルラインとを備え、
前記改質反応器および前記リサイクルラインを保温材で被覆して構成する。
【００１３】
また、請求項５に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項１に記載の燃料改質システムにおいて、
水蒸気凝縮分離手段を、ＣＯ選択酸化反応器の上流側で改質反応器からの改質反応済の燃料ガスが全量通過するように設けて構成する。
【００１４】
また、請求項６に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項１、２、５のいずれかに記載の燃料改質システムにおいて、
原燃料とリサイクルガスの流量比を制御する流量比制御手段を設けて構成する。
また、請求項７に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項１、２、３、５、６のいずれかに記載の燃料改質システムにおいて、
改質反応器およびリサイクルラインを保温材で被覆して構成する。
また、請求項８に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項１、２、３、４、５、６、７のいずれかに記載の燃料改質システムにおいて、
改質反応器の上流側に脱硫器を設け、前記改質反応器とＣＯ選択酸化反応器との間に改質反応済の燃料ガス中のＣＯを水素に変換するＣＯ変成器とを設け、水蒸気凝縮分離手段により前記ＣＯ変成器の下流側のガス中の水蒸気を凝縮分離し、その水蒸気が凝縮分離除去されたガスをリサイクルガスとしてリサイクルラインに流通させるとともに、前記リサイクルラインを前記脱硫器の上流側に接続して構成する。
【００１５】
【作用】
請求項１に係る発明の燃料改質システムの構成によれば、改質反応器で原燃料ガスを水素に変換するように改質し、改質反応器の下流側に位置するＣＯ選択酸化反応器で改質反応済の燃料ガス中の残存ＣＯの選択酸化反応を行い水素リッチガスを製造できる。これと並行して、改質反応器の下流側であってＣＯ選択酸化反応器の上流側との間でかつ空気の注入口よりも上流側の改質反応済の燃料ガスの少なくとも一部を、水蒸気凝縮分離手段によってガス中の水蒸気を凝縮分離除去してからリサイクルガスとしてリサイクルラインに流し、原燃料に混合できる。このため、リサイクルラインで水分が凝縮して閉塞することもなく、リサイクルガス中に窒素が含まれていないので、水素リッチガス中にアンモニアが含まれることもない。
しかも、改質反応器の上流側の原燃料圧縮機の吸入側の原燃料にリサイクルガスをリサイクルラインを通じて混合でき、リサイクル動力を低減できる。
【００１６】
また、請求項２に係る発明の燃料改質システムの構成によれば、改質反応器で原燃料ガスを水素に変換するように改質し、改質反応器の下流側に位置するＣＯ選択酸化反応器で改質反応済の燃料ガス中の残存ＣＯの選択酸化反応を行い水素リッチガスを製造できる。これと並行して、改質反応器の下流側であってＣＯ選択酸化反応器の上流側との間でかつ空気の注入口よりも上流側の改質反応済の燃料ガスの全量を通過させ、水蒸気凝縮分離手段によってガス中の水蒸気を凝縮分離除去してからリサイクルガスとしてリサイクルラインに流し、原燃料に混合できる。このため、リサイクルラインで水分が凝縮して閉塞することもなく、リサイクルガス中に窒素が含まれていないので、水素リッチガス中にアンモニアが含まれることもない。
しかも、ＣＯ選択酸化反応器の上流側で、水蒸気凝縮分離手段により改質反応済の燃料ガスの全量に対して水蒸気を凝縮分離除去することにより、ＣＯ選択酸化反応を安定して行うことができる。
【００１７】
また、請求項３に係る発明の燃料改質システムの構成によれば、改質反応器で原燃料ガスを水素に変換するように改質し、改質反応器の下流側に位置するＣＯ選択酸化反応器で改質反応済の燃料ガス中の残存ＣＯの選択酸化反応を行い水素リッチガスを製造できる。これと並行して、改質反応器の下流側であってＣＯ選択酸化反応器の上流側との間でかつ空気の注入口よりも上流側の改質反応済の燃料ガスの少なくとも一部を、水蒸気凝縮分離手段によってガス中の水蒸気を凝縮分離除去してからリサイクルガスとしてリサイクルラインに流し、原燃料に混合できる。このため、リサイクルラインで水分が凝縮して閉塞することもなく、リサイクルガス中に窒素が含まれていないので、水素リッチガス中にアンモニアが含まれることもない。
しかも、リサイクルガスの流量を原燃料の流量に応じて制御することができる。
【００１８】
また、請求項４に係る発明の燃料改質システムの構成によれば、改質反応器で原燃料ガスを水素に変換するように改質し、改質反応器の下流側に位置するＣＯ選択酸化反応器で改質反応済の燃料ガス中の残存ＣＯの選択酸化反応を行い水素リッチガスを製造できる。これと並行して、改質反応器の下流側であってＣＯ選択酸化反応器の上流側との間でかつ空気の注入口よりも上流側の改質反応済の燃料ガスの少なくとも一部を、水蒸気凝縮分離手段によってガス中の水蒸気を凝縮分離除去してからリサイクルガスとしてリサイクルラインに流し、原燃料に混合できる。このため、リサイクルラインで水分が凝縮して閉塞することもなく、リサイクルガス中に窒素が含まれていないので、水素リッチガス中にアンモニアが含まれることもない。
しかも、水蒸気凝縮分離手段により水蒸気を凝縮分離除去した改質反応済の燃料ガスを流動するリサイクルラインを保温材で保温し、リサイクルライン中の改質反応済の燃料ガスが環境温度の影響を受けることを回避できる。
【００１９】
また、請求項５に係る発明の燃料改質システムの構成によれば、ＣＯ選択酸化反応器の上流側で、水蒸気凝縮分離手段により改質反応済の燃料ガスの全量に対して水蒸気を凝縮分離除去することにより、ＣＯ選択酸化反応を安定して行うことができる。
【００２０】
また、請求項６に係る発明の燃料改質システムの構成によれば、リサイクルガスの流量を原燃料の流量に応じて制御することができる。
また、請求項７に係る発明の燃料改質システムの構成によれば、水蒸気凝縮分離手段により水蒸気を凝縮分離除去した改質反応済の燃料ガスを流動するリサイクルラインを保温材で保温し、リサイクルライン中の改質反応済の燃料ガスが環境温度の影響を受けることを回避できる。
また、請求項８に係る発明の燃料改質システムの構成によれば、ＣＯ変成済の燃料ガスの一部を、水蒸気凝縮分離手段によりガス中の水蒸気を凝縮分離除去してから、リサイクルガスとしてリサイクルラインに流し、脱硫器の上流側で原燃料と混合するとともに、脱硫器に水添脱硫を適用でき、イオウを除去できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳述する。
【００２２】
図１は本発明に係る燃料改質システムの前提の基本構成例を示すブロック図であり、燃料改質システム１が、化学反応により原燃料を水素に変換する原燃料の改質反応を行う改質反応器２の下流側に、改質反応済の燃料ガス中のＣＯの選択酸化反応を行うＣＯ選択酸化反応器３を設けて構成され、改質反応器２で原燃料を水素に変換した後、ＣＯ選択酸化反応器３で改質反応済の燃料ガス中の残存ＣＯを選択酸化により酸化して水素リッチガスを製造するようになっている。
【００２３】
上記燃料改質システム１に用いられる原燃料としては、特定のものに限られるものではなく、例えば都市ガスやプロパンガスなどの炭化水素系ガスやアルコールなどが用いられる。
改質反応器２における改質反応は、炭化水素やアルコールなどの原燃料を水蒸気あるいは酸素と反応させて水素に変換して原燃料を水素リッチの混合ガス（合成ガス）にするものであり、改質反応器２内には改質反応を起こすための改質触媒が充填されている。
【００２４】
炭化水素と水蒸気を反応させて改質する場合は、例えば式（１）で示す吸熱タイプの水蒸気改質反応が行われる。例えば、図１に示すように、原燃料に水蒸気を添加して改質反応器２へ送り込んで処理することになる。
また、炭化水素と酸素を反応させて改質する場合は、例えば式（２）で示す発熱タイプの部分燃焼改質反応が行われる。
Ｃn Ｈn ＋ｘＨ2 Ｏ→Ｈ2 ＋ＣＯ＋ＣＯ2 ＋ＣＨ4 ＋Ｈ2 Ｏ  ・・・（１）
Ｃn Ｈn ＋ｙＯ2   →Ｈ2 ＋ＣＯ＋ＣＯ2 ＋ＣＨ4 ＋Ｈ2 Ｏ  ・・・（２）
さらに、改質反応器２での改質反応が、式（１）の水蒸気改質反応と式（２）の部分燃焼改質反応の双方を併せた中間的なオートサマル式改質反応である場合もある。
【００２５】
ＣＯ選択酸化反応器３での選択酸化反応は、水素が主成分の改質反応済の燃料ガス中に少量含まれるＣＯをＣＯ選択酸化触媒を使い酸素で選択的に酸化してＣＯ2 に変換させるものである。通常、図１に示すように、改質反応済の燃料ガスに空気を添加してＣＯ選択酸化反応器３で処理する。
【００２６】
改質反応器２の下流側で、かつ、ＣＯ選択酸化反応器の上流側に、改質反応済の燃料ガスの一部のガス中の水蒸気を凝縮分離する水蒸気凝縮分離器４が接続されるとともに、その水蒸気凝縮分離器４に、水蒸気が凝縮分離除去されたガスをリサイクルガスとして流通させて原燃料ガスに混合するリサイクルライン５が接続され、更に、リサイクルライン５が改質反応器２の上流側に接続されている。このとき、ＣＯ選択酸化に必要な空気の注入口は、リサイクルライン５の分岐点よりも下流側に設置されている必要がある。
【００２７】
上記構成により、改質反応器２とＣＯ選択酸化反応器３の間の分岐点から改質反応済の燃料ガスの一部が水蒸気凝縮分離器４に送られて水蒸気が凝縮分離除去される。その水蒸気が凝縮分離除去されたガスを、リサイクルライン５を経て改質反応器２の上流側でリサイクルガスとして原燃料ガスに混合するようになっている。
【００２８】
水蒸気凝縮分離器４としては、リサイクルライン５で水蒸気が凝縮しないようにできるものであればよく、水冷式と気液分離式を組み合わせた構成のものなど、各種のものが適用できる。システムの運転中、水蒸気凝縮分離器４によってガスから凝縮分離除去された水は、ドレン管４ａから適宜排出されるように構成されている。
上記燃料改質システム１では、図示しないが、必要に応じて原燃料ラインやリサイクルラインに、遮断弁、調節弁、逆止弁、送気用ブロアー、定量ポンプなどが適宜付設される。
【００２９】
以上に詳述した基本構成例の燃料改質システム１の場合、リサイクルライン５を経由して原燃料と混合されるリサイクルガスは、改質反応済の燃料ガスの一部であるために水素を十分に含んでいるだけでなく、水蒸気を凝縮分離除去してからリサイクルライン５に流すから、水蒸気でリサイクルライン５を閉塞することが無い。また、リサイクルガスがＣＯ選択酸化反応器３の上流側からのガスであるから、有害なアンモニア生成原因の窒素の混入を回避でき、生成水素の一部をリサイクルして利用することができる。
【００３０】
図２は、本発明に係る燃料改質システムの第１実施例を示すブロック図であり、基本構成例と異なるところは次の通りである。
すなわち、第１実施例の燃料改質システム６は、原燃料が気体であって、改質反応器２の上流側に原燃料を圧縮する原燃料圧縮機７が設けられ、リサイクルライン５の出口が原燃料圧縮機７の吸入側に接続されている。他の構成は、基本構成例と同じであり、同一図番を付すことにより、その説明は省略する。
【００３１】
この第１実施例の燃料改質システム６によれば、改質反応器２の上流側の原燃料圧縮機７の吸入側でリサイクルガスをリサイクルライン５を通して原燃料の気体に混合でき、リサイクルガス供給用のブロアーなどを省略できて構成を簡略化できる利点がある。
【００３２】
図３は、硫黄を含む気体状炭化水素を改質する場合に好適な本発明に係る燃料改質システムの第２実施例を示すブロック図であり、第１実施例と異なるところは次の通りである。
すなわち、第２実施例の燃料改質システム８は、改質反応器２の上流側に水素添加脱硫方式の脱硫器９を設けるとともに、改質反応器２とＣＯ選択酸化反応器３の間に改質反応済の燃料ガス中のＣＯを燃料ガス中の水蒸気と反応させることにより水素に変換するＣＯ変成器１０を設けて構成されている。
【００３３】
ＣＯ変成器１０の下流側の分岐点からＣＯ変成済のガスの一部が、水蒸気凝縮分離器４へ送られてガス中の水蒸気が凝縮分離除去された後にリサイクルガスとしてリサイクルライン５に流されるように構成され、そのリサイクルライン５の出口が脱硫器９の上流側に設けられた燃料圧縮機７の吸入側に接続されている。他の構成は、第１実施例と同じであり、同一図番を付すことにより、その説明は省略する。
【００３４】
この第２実施例の燃料改質システム８によれば、改質反応器２による改質反応を済ませた燃料ガス中のＣＯをＣＯ変成器１０により水素に変換するとともに、ＣＯ変成済のガスの一部が水蒸気凝縮分離器４で水蒸気が除去された後、リサイクルガスとしてリサイクルライン５に流されて脱硫器９の上流側で原燃料と混合され、脱硫器９により原燃料の水添脱硫処理が行われる。
【００３５】
脱硫器９による水添脱硫の場合、有機イオウ（Ｒ−Ｓ−Ｒ’）を水素化して硫化水素（Ｈ2Ｓ）とし、このＨ2ＳをＺｎＯなどの吸着脱硫剤で吸着除去することにより燃料改質システムでの被毒要因のイオウを除去する。
またＣＯ変成器１０では、ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2 という化学反応によりＣＯを水素に変換する。
【００３６】
したがって、リサイクルガスとして水素濃度がより高いＣＯ変成済のガスを用いるので、リサイクルガス流量を減少させることができる。また、リサイクルガスを脱硫器９の上流側で原燃料と混合してから脱硫器９で脱硫効果の高い水添脱硫処理を行うから、原燃料に含まれるイオウを十分に除去できるうえに、脱硫器９の小型化や、脱硫触媒の交換頻度減少を図れる。
【００３７】
また、例えば、第２実施例の燃料改質システム８は、図４のブロック図に示すように、家庭用コージェネレーションシステムや自動車として用いられる固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）１１における電池スタック１２のアノード側に水素リッチガスを供給するシステムとして用いることが出来る。固体高分子型燃料電池１１の場合、燃料改質システム８から電池スタック１２のアノード側に供給される水素リッチガス（改質完了ガス）中の水素と、電池スタック１２のカソード側に供給される空気中の酸素とを電解質膜を介して反応させることにより電力を発生させる。
【００３８】
電池スタック１２に供給する水素リッチガスはＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下程度に低くする必要があるため、燃料改質システム８では、原燃料ガスを改質反応器２で水蒸気改質反応により水素に変換してからＣＯ変成器１０で改質反応済の燃料ガス中のＣＯを水素に変換した後、さらにＣＯ変成済の燃料ガス中の残存ＣＯをＣＯ選択酸化反応器３で選択酸化することによってＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下に低減させる構成となっている。
【００３９】
図５は、本発明に係る燃料改質システムの第３実施例を示すブロック図であり、第２実施例と異なるところは次の通りである。
すなわち、第３実施例の燃料改質システム１３は、水蒸気凝縮分離器４をＣＯ変成器１０とＣＯ選択酸化反応器３の間にＣＯ変成済のガスの全量を通過するようにライン中に直列に設け、水蒸気凝縮分離器４の下流側であってＣＯ選択酸化反応器３の上流側の分岐点にリサイクルライン５の入口を接続して構成されている。他の構成は、第２実施例と同じであり、同一図番を付すことにより、その説明は省略する。
【００４０】
この第３実施例の燃料改質システム１３によれば、ＣＯ変成器１０から出てくるＣＯ変成済のガスの全量を水蒸気凝縮分離器４を経由させ、ガス中の水蒸気を凝縮分離除去するから、リサイクルライン５のみならず、ＣＯ選択酸化反応器３へも水蒸気が除かれたＣＯ変成済のガスを送ることができる。このため、ＣＯ選択酸化反応が低温で行え、ＣＯ選択酸化反応の制御性が向上し、運転が安定するというメリットがある。
この第３実施例の燃料改質システム１３も、他の実施例の場合と同様、固体高分子型燃料電池の水素リッチガスの供給源として用いることができる。
【００４１】
図６は、本発明に係る燃料改質システムの第４実施例を示すブロック図であり、第１実施例と異なるところは、次の通りである。
すなわち、第５実施例の燃料改質システム１４は、原燃料圧縮機として定量ポンプ１５を用いるとともに、リサイクルライン５に定量ポンプ１６を設けて、リサイクルガス用定量ポンプ１６の流量制御目標値を原燃料ガス用定量ポンプ１５の流量制御目標値と連動させることにより、原燃料とリサイクルガスの流量比を一定に制御するための流量比制御手段としての定量ポンプ制御装置１７を設ける構成となっている。他の構成は、第１実施例と同じであり、同一図番を付すことにより、その説明は省略する。
【００４２】
この第４実施例の燃料改質システム１４によれば、原燃料とリサイクルガスの流量比が一定になるように制御されているので、負荷変動などで原燃料の流量が変化した場合にも、それに応じてリサイクルガスの流量が変化するので、各部のガス組成が一定に保たれ、安定した運転を行うことができる。
【００４３】
図７は、本発明に係る燃料改質システムの第５実施例を示すブロック図であり、第３実施例（図５参照）と異なるところは、次の通りである。
すなわち、この第５実施例の燃料改質システム１８では、脱硫器９、改質反応器２、ＣＯ選択酸化反応器３およびＣＯ変成器１０ならびにそれらを接続する配管が、セラミックファイバーなどの保温材１９で被覆されている。更に、水蒸気凝縮分離器４からＣＯ選択酸化反応器３に至る配管の途中と原燃料圧縮機７の吸入側に至るリサイクルライン５が、保温材１９内に通されている。
【００４４】
通常、燃料改質システムにおける各反応器は高温で使用されるため、それらの反応器と、付帯する配管は保温材で被覆されている。しかし、水蒸気凝縮分離器４は、ガスを冷却して水蒸気を分離することが多いために保温されない。したがって、リサイクルライン５も特に保温されていなかった。
【００４５】
しかしながら、排熱回収が重要視されてくるに伴い、水蒸気凝縮分離器４に供給される冷却水を貯湯槽との間で循環させるように構成した場合、冷却水の温度が４０℃を超えることもあり、このような冷却水で水蒸気を凝縮処理した後の改質反応済みの燃料ガスは、その温度も高くなる。そのような場合、燃料改質システムを設置した屋外の気温などの環境温度が改質反応済みの燃料ガスの露点よりも低くなり、リサイクルライン５内で水分の凝縮を生じる。この現象を知見するに至り、この第６実施例では、リサイクルライン５を保温材１９で保温し、環境温度が環境温度が改質反応済みの燃料ガスの露点より低い場合でも、水分の凝縮を防止できるように構成されている。他の構成は、第３実施例と同じであり、同一図番を付すことにより、その説明は省略する。
【００４６】
図８は、本発明に係る燃料改質システムの第６実施例を示す詳細図であり、水蒸気発生器２０を内蔵する以外、図５に示した第３実施例と同じである。
改質反応器２、脱硫器９、ＣＯ変成器１０およびＣＯ選択酸化反応器３、ならびに、水蒸気凝縮分離器４の水蒸気凝縮分離用熱交換器２１を除いた熱交換器が同一形状のプレート型エレメントで構成され、それらのプレート型エレメントを積層して燃料改質システムが作製されている。
【００４７】
ＣＯ変成器１０を出たガスが全量水冷式の水蒸気凝縮分離器４に導入されて水蒸気を凝縮分離した後、一部はリサイクルガスとして、リサイクルライン５を通じて原燃料圧縮機７の吸入側に添加し、残りには、空気を添加し、ＣＯ選択酸化反応器３でのＣＯ選択酸化反応に供した。リサイクルライン５には、流量調節弁２２が設けられ、リサイクルするガスの流量を、原燃料圧縮機７に供給される原燃料の供給流量に応じて調節できるように構成されている。図中２３は気水分離器である。
【００４８】
ここで、都市ガス４．２Ｎｌ／ｍｉｎに、水蒸気を凝縮分離して露点が約２４℃となったリサイクルガスを、流量調節弁２２を調節して６０ｍｌ／ｍｉｎになるように加えて、原燃料圧縮機７で１４．３ｋＰａ−Ｇに昇圧し、熱交換の後、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ−Ｎｉ系水添吸着脱硫剤を充填した脱硫器9で約２５０℃で脱硫した。脱硫後の原燃料をＳ／Ｃ＝３．０で水蒸気改質した後、ＣＯ変成を行い、水蒸気を凝縮分離後、空気０．８ｌ／ｍｉｎを加えてＣＯ選択酸化反応に供した。
【００４９】
このとき、リサイクルガス中の水素濃度は約７５％、得られた水素リッチガス中のメタン濃度は１．５％、ＣＯ濃度は１ｐｐｍ未満であった。また、リサイクルガスを水蒸気凝縮分離器４から分岐している点での圧力は８．６ｋＰａ−Ｇであり、リサイクルガス中に窒素Ｎ2や酸素Ｏ2は検出されなかった。なお、室温は約２５℃であった。
【００５０】
更に、起動停止１０回を含めて、約１００時間にわたり、このシステムを運転し続けたが、得られた水素リッチガス中のメタン濃度、ＣＯ濃度に変化が無く、流量調節弁２２や原燃料圧縮機７での水によるリサイクルラインの閉塞は見られず、安定した燃料改質を行うことができた。
【００５１】
また、原燃料の流量を６０％および３０％に減らせて燃料改質試験を行った。このときのリサイクルガスの流量は、３７ｍｌ／ｍｉｎおよび２０ｍｌ／ｍｉｎであり、リサイクルガスの流量は、流量調節弁２２でコントロールされ、必要十分なリサイクル水素流量を確保した。また、この場合も、リサイクルラインの閉塞は見られず、安定して運転することができた。
【００５２】
このとき、原燃料圧縮機７出口の圧力は８．８ｋＰａ−Ｇおよび５．５ｋＰａ−Ｇであり、一方、リサイクルガスの分岐点での圧力は６．０ｋＰａ−Ｇおよび４．３ｋＰａ−Ｇであり、リサイクルガス中に窒素Ｎ2や酸素Ｏ2は検出されなかった。
【００５３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１に係る発明の燃料改質システムによれば、改質反応器で原燃料ガスを水素に変換するように改質した改質反応済の燃料ガスの一部を、ＣＯ選択酸化反応器の上流側から、しかも、ガス中の水蒸気を凝縮分離除去してリサイクルガスとしてリサイクルラインに流すから、小規模のシステムでも水蒸気が凝縮してリサイクルラインを閉塞することなく、生成した水素をリサイクルして原燃料に混合することができる。
しかも、ＣＯ選択酸化反応器の上流側でかつ空気の注入口よりも上流側からリサイクルするから、有害なアンモニアの生成原因となる窒素の混入を避けることができ、改質反応器の下流側に位置するＣＯ選択酸化反応器で改質反応済の燃料ガス中の残存ＣＯの選択酸化反応を行って水素リッチガスを製造しながら、生成した水素の一部をリサイクルして利用できる燃料改質システムを提供できる。
そのうえ、リサイクルガスを原燃料圧縮機の吸入側で原燃料に混合するから、リサイクルガスを供給するための専用のブロアーなどを不要にでき、構成を簡略化できて安価である。
【００５４】
また、請求項２に係る発明の燃料改質システムによれば、改質反応器で原燃料ガスを水素に変換するように改質した改質反応済の燃料ガスの全量を、ＣＯ選択酸化反応器の上流側から、しかも、ガス中の水蒸気を凝縮分離除去してリサイクルガスとしてリサイクルラインに流すから、小規模のシステムでも水蒸気が凝縮してリサイクルラインを閉塞することなく、生成した水素をリサイクルして原燃料に混合することができる。
しかも、ＣＯ選択酸化反応器の上流側でかつ空気の注入口よりも上流側からリサイクルするから、有害なアンモニアの生成原因となる窒素の混入を避けることができ、改質反応器の下流側に位置するＣＯ選択酸化反応器で改質反応済の燃料ガス中の残存ＣＯの選択酸化反応を行って水素リッチガスを製造しながら、生成した水素の一部をリサイクルして利用できる燃料改質システムを提供できる。
更に、ＣＯ選択酸化反応器の上流側で、改質反応済の燃料ガスの全量に対して水蒸気を凝縮分離除去するから、ＣＯ選択酸化反応器へも水蒸気が除かれた状態で改質反応済の燃料ガスを流すことができ、ＣＯ選択酸化反応を安定に行える。
【００５５】
また、請求項３に係る発明の燃料改質システムによれば、改質反応器で原燃料ガスを水素に変換するように改質した改質反応済の燃料ガスの一部を、ＣＯ選択酸化反応器の上流側から、しかも、ガス中の水蒸気を凝縮分離除去してリサイクルガスとしてリサイクルラインに流すから、小規模のシステムでも水蒸気が凝縮してリサイクルラインを閉塞することなく、生成した水素をリサイクルして原燃料に混合することができる。
しかも、ＣＯ選択酸化反応器の上流側でかつ空気の注入口よりも上流側からリサイクルするから、有害なアンモニアの生成原因となる窒素の混入を避けることができ、改質反応器の下流側に位置するＣＯ選択酸化反応器で改質反応済の燃料ガス中の残存ＣＯの選択酸化反応を行って水素リッチガスを製造しながら、生成した水素の一部をリサイクルして利用できる燃料改質システムを提供できる。
そのうえ、原燃料とリサイクルガスの流量比を一定に制御しているので、負荷変動などで原燃料の流量が変化した場合にも、システムを安定して運転することができる。
【００５６】
また、請求項４に係る発明の燃料改質システムによれば、改質反応器で原燃料ガスを水素に変換するように改質した改質反応済の燃料ガスの一部を、ＣＯ選択酸化反応器の上流側から、しかも、ガス中の水蒸気を凝縮分離除去してリサイクルガスとしてリサイクルラインに流すから、小規模のシステムでも水蒸気が凝縮してリサイクルラインを閉塞することなく、生成した水素をリサイクルして原燃料に混合することができる。
しかも、ＣＯ選択酸化反応器の上流側でかつ空気の注入口よりも上流側からリサイクルするから、有害なアンモニアの生成原因となる窒素の混入を避けることができ、改質反応器の下流側に位置するＣＯ選択酸化反応器で改質反応済の燃料ガス中の残存ＣＯの選択酸化反応を行って水素リッチガスを製造しながら、生成した水素の一部をリサイクルして利用できる燃料改質システムを提供できる。
そのうえ、リサイクルライン中の改質反応済の燃料ガスが環境温度の影響を受けることを回避できるから、水蒸気凝縮分離手段により水蒸気を凝縮分離除去した改質反応済の燃料ガスの露点よりも環境温度が低い場合でも、リサイクルラインで水分が凝縮することを防ぐことができ、環境温度に左右されずにシステムを安定して運転することができる。
【００５７】
また、請求項５に係る発明の燃料改質システムによれば、ＣＯ選択酸化反応器の上流側で、改質反応済の燃料ガスの全量に対して水蒸気を凝縮分離除去するから、ＣＯ選択酸化反応器へも水蒸気が除かれた状態で改質反応済の燃料ガスを流すことができ、ＣＯ選択酸化反応を安定に行える。
【００５８】
また、請求項６に係る発明の燃料改質システムによれば、原燃料とリサイクルガスの流量比を一定に制御しているので、負荷変動などで原燃料の流量が変化した場合にも、システムを安定して運転することができる。
また、請求項７に係る発明の燃料改質システムによれば、リサイクルライン中の改質反応済の燃料ガスが環境温度の影響を受けることを回避できるから、水蒸気凝縮分離手段により水蒸気を凝縮分離除去した改質反応済の燃料ガスの露点よりも環境温度が低い場合でも、リサイクルラインで水分が凝縮することを防ぐことができ、環境温度に左右されずにシステムを安定して運転することができる。
また、請求項８に係る発明の燃料改質システムによれば、ＣＯ変成済の水素濃度の高い燃料ガスの一部を、ガス中の水蒸気を凝縮分離除去してから、脱硫器の上流側で原燃料と混合し、脱硫器により原燃料の水添脱硫処理を行い、イオウを除去するから、従来採用できなかった水添脱硫触媒を利用でき、脱硫器の小型化や、脱硫触媒の交換頻度の大幅な減少を達成でき、硫黄を含む原料ガスを使用する場合にも良好に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る燃料改質システムの前提の基本構成例を示すブロック図である。
【図２】  本発明に係る燃料改質システムの第１実施例を示すブロック図である。
【図３】  本発明に係る燃料改質システムの第２実施例を示すブロック図である。
【図４】  第２実施例の燃料改質システムを用いた固体高分子型燃料電池の構成を示すブロック図である。
【図５】  本発明に係る燃料改質システムの第３実施例を示すブロック図である。
【図６】  本発明に係る燃料改質システムの第４実施例を示すブロック図である。
【図７】  本発明に係る燃料改質システムの第５実施例を示すブロック図である。
【図８】  本発明に係る燃料改質システムの第６実施例を示す詳細図である。
【図９】  従来例の燃料改質システムを用いた固体高分子型燃料電池の構成を示すブロック図である。
【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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