(57)【要約】【課題】燃料処理装置と燃料電池を有する燃料電池発電システムにおいて、起動時間の短縮と発電効率の向上を両立させる。【解決手段】改質触媒を有する燃料処理装置と燃料電池によって構成される発電システムにおいて、起動時は被改質燃料の一部を酸化して改質熱源とする内熱方式により燃料処理装置を運転し、定常時は改質触媒を外部の熱源により加熱する外熱方式により燃料処理装置を運転する。起動時間は早いが効率が低い内熱式燃料処理装置と、起動時間は遅いが効率が高い外熱式燃料処理装置の双方の長所を発揮させることができる。起動時に内熱バーナと外熱バーナの両方を使用すれば、内熱バーナのみの場合よりも起動時間を短縮できる。内熱バーナに燃焼触媒、外熱バーナにクラスタバーナを用いると、必要以上にメタル温度を加熱しないため低コストのメタルで実現でき、起動時間が早く、効率が高く、低コストのシステムを提供できる。【選択図】図１
2007123107.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料と水蒸気を含む被改質原料ガスを改質触媒によって改質して水素リッチの改質ガスを製造する燃料処理装置と、前記燃料処理装置で製造された改質ガスをアノードに供給して発電を行う燃料電池とを具備する燃料電池発電システムにおいて、起動時は被改質原料ガスに部分酸化用空気を添加し燃料改質系統に設けられた燃焼触媒により被改質原料ガスの一部を燃焼させて改質触媒を内部から加熱する内熱方式により前記燃料処理装置を運転し、定常時は前記燃料電池からの戻りガスを燃焼させて燃焼排ガスを発生させ該燃焼排ガスにより前記改質触媒を加熱する外熱方式により前記燃料処理装置を運転するようにしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
炭化水素系燃料と水蒸気を含む被改質原料ガスを改質触媒によって改質して水素リッチの改質ガスを製造する燃料処理装置と、前記燃料処理装置で製造された改質ガスをアノードに供給して発電を行う燃料電池とを具備する燃料電池発電システムにおいて、起動時は被改質原料ガスの一部を燃焼させて改質触媒を内部から加熱する内熱方式と改質触媒を外部から燃焼排ガスを用いて加熱する外熱方式により前記燃料処理装置を運転し、定常時は前記外熱方式により前記燃料処理装置を運転するようにしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項２において、前記外熱方式では前記燃料電池からの戻りガス或いは前記燃料処理装置で製造された改質ガスを燃焼させて燃焼排ガスを発生させ、その燃焼排ガスにより前記改質触媒を加熱するようにし、起動時には前記燃料処理装置で製造され前記燃料電池をバイパスさせた改質ガスを燃焼して燃焼排ガスを発生させ、定常時には前記燃料電池からの戻りガスを燃焼して燃焼排ガスを発生させるようにしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項４】
請求項３において、定常時には前記燃料電池からの戻りガスのほかに補助燃料を燃焼させて燃焼排ガスを発生させることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項２において、前記燃料処理装置に、被改質原料ガスに部分酸化用空気を添加して部分酸化燃焼を行う内熱燃焼器と、前記燃料処理装置で製造された改質ガス或いは前記燃料電池からの戻りガスを燃焼して燃焼排ガスを発生させる外熱燃焼器を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項６】
請求項５において、前記外熱燃焼器としてクラスタバーナを備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項７】
請求項５において、前記内熱燃焼器として点火栓と燃焼触媒を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項８】
請求項５において、起動時に、前記燃料処理装置で製造され前記燃料電池をバイパスさせた改質ガスが前記外熱燃焼器に戻るまでの間、前記外熱燃焼器で補助燃料を燃焼させて改質触媒加熱用の燃焼排ガスを生成することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項９】
請求項４において、前記改質触媒の出口の温度を監視しながら、所定の温度以上になるように前記補助燃料の供給量制御を行うことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１０】
炭化水素系燃料を水蒸気改質するための改質触媒層と、前記改質触媒層の加熱源として使用する燃焼排ガスを生成するための外熱燃焼器とを具備した燃料処理装置において、前記改質触媒層に供給される炭化水素系燃料の一部を燃焼して前記改質触媒層を内部から加熱するための内熱燃焼器を備えたことを特徴とする燃料処理装置。
【請求項１１】
請求項１０において、前記内熱燃焼器として点火栓と燃焼触媒を備えたことを特徴とする燃料処理装置。
【請求項１２】
請求項１０において、前記内熱燃焼器として着火時用のリング状クラスタバーナと燃焼触媒を備えたことを特徴とする燃料処理装置。
【請求項１３】
請求項１０において、前記外熱燃焼器としてクラスタバーナを備えたことを特徴とする燃料処理装置。
【請求項１４】
請求項１０において、前記外熱燃焼器で発生させた燃焼排ガスを流通させる燃焼排ガス流路と、前記炭化水素系燃料と水蒸気よりなる被改質原料ガスを前記改質触媒層に導き、改質後の改質ガスを出口まで案内する改質系ガス流路を、前記外熱燃焼器を取り囲むように設け、前記燃焼排ガス流路と前記改質系ガス流路が管壁を介して隣接するようにしたことを特徴とする燃料処理装置。
【請求項１５】
請求項１４において、前記改質系ガス流路の途中に前記改質触媒層が設置されていることを特徴とする燃料処理装置。
【請求項１６】
請求項１５において、前記改質系ガス流路の前記改質触媒層よりも上流側に被改質原料ガスに部分酸化用空気を添加して部分燃焼を行う燃焼触媒式の前記内熱燃焼器を設けたことを特徴とする燃料処理装置。
【請求項１７】
請求項１４において、前記改質系ガス流路の前記改質触媒層よりも下流側にCOシフト触媒層とCO選択酸化部が設けられていることを特徴とする燃料処理装置。
【請求項１８】
請求項１４において、前記外熱燃焼器で発生した燃焼排ガスを装置底部に導く下降流路と、装置底部に導かれた燃焼排ガスを上昇流に転換する折り返し流路とを備え、前記下降流路を形成する管壁に複数の孔を設けて前記下降流路を装置底部に向かって流れる燃焼排ガスの一部を前記折り返し流路に流出させるようにしたことを特徴とする燃料処理装置。
【請求項１９】
請求項１７において、前記COシフト触媒層と前記CO選択酸化部にて改質ガスから熱を回収することによって温度上昇した水又は水蒸気と、炭化水素系燃料を混合して被改質原料ガスとする混合部を前記改質系ガス流路に備えたことを特徴とする燃料処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を主電源及び主熱源とする発電システムに係り、特に家庭向けに好適な燃料電池発電システム及び燃料処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に家庭の電力需要は朝夕が多く、夜間は少ない。このため、家庭向けの燃料電池は、電力需要に追随して部分負荷運転するのが効率的且つ経済的であり、特に需要の少ない夜間は停止させるのが合理的である。
【０００３】
燃料改質系を備える固体高分子形燃料電池は、通常、外部からの熱源を利用して改質触媒層を加熱する外熱方式によって運転されている。外熱方式の場合、改質触媒層を、触媒層壁を介して間接加熱するため、朝の起動時に改質触媒層が改質反応に好適な温度に昇温するまでに、どうしても１時間ほど時間がかかり、需要の一部に答えられないという問題がある。起動時間短縮のために、空気を添加し、被改質燃料の一部を燃焼させて熱源とする内熱方式を採用すると、昇温速度は速くなるが、改質ガス中に酸化剤である空気中の窒素が残るために水素濃度が低くなり、発電効率の低下が生じる。また、内熱方式の場合、外熱方式に比べて水素流量は同じでも窒素が加わるため、改質ガス量が増え、補機動力が増えるという問題がある。
【０００４】
燃料電池に供給される燃料の処理装置として、外熱バーナを中心に一つ設けて、改質触媒層を、外熱バーナの燃焼排ガスにより、管壁を介して間接加熱する方式のものがあり、例えば、特許文献１，２に記載されている。この方式は、放熱損失の低減に非常に優れている。また、熱容量が最小化されて起動が早くなるという特長がある。
【０００５】
【特許文献１】特開2003−321206号公報(要約)
【特許文献２】特開2002−187705号公報(要約)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
外熱バーナを中心に設けて、バーナの燃焼排ガスにより改質触媒層を間接加熱する燃料処理装置は、前述の利点はあるものの、排ガス熱が管壁を介して改質触媒層に伝熱されて所定の温度になるため、起動時間の短縮には熱容量の面で限界がある。
【０００７】
本発明の目的は、急速起動が可能であり、且つ、高効率運転ができるようにした燃料電池発電システム及び燃料処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、燃料電池の起動時は被改質燃料の一部を燃焼させて改質触媒層の熱源とする内熱方式を採用し、それ以外の定常時は燃料電池からの戻りガスを燃焼させて高温の燃焼排ガスを発生させて改質触媒層を間接加熱する外熱方式を採用し、内熱方式と外熱方式のハイブリッドにより急速起動と高効率運転を実現したものである。
【０００９】
また、本発明の好ましい態様では、燃料電池の起動時に内熱方式と外熱方式を併用し、定常時に外熱方式を採用するようにした。この場合、総合のメリットとして、起動時に両方のバーナを使えるので、改質触媒層を内側と外側から昇温でき、起動時間をより一層短縮することができる。
【００１０】
本発明では、前述の内熱方式と外熱方式を備えた燃料電池発電システム並びに燃料処理装置を提供する。本発明の燃料処理装置は、炭化水素系燃料を水蒸気改質するための改質触媒層と、前記改質触媒層の加熱源として使用する燃焼排ガスを生成するための外熱燃焼器と、前記改質触媒層に供給される炭化水素系燃料の一部を燃焼して前記改質触媒層を内部から加熱するための内熱燃焼器を備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、燃料電池の起動時には急速起動が可能であり、起動時以外の定常運転時に高効率運転ができる燃料電池発電システムが提供できた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明において、内熱方式とは、被改質燃料を改質触媒層に供給する途中で、その一部を酸化して改質熱源として、残りの被改質燃料を改質する方式のことを云う。また、外熱方式とは、改質触媒が設けられた部分に供給した被改質燃料を、外部から高温のガスを基いて加熱する方式のことを云う。
【００１３】
本発明において、燃料電池の起動時には、内熱方式と外熱方式の両方を採用するのが急速起動のために最も望ましい。しかし、両方式ともバーナを用いると、温度が急速に上がり過ぎて、改質触媒層が改質に必要な温度に上昇する前に燃料処理装置を構成しているメタルが耐久温度以上に加熱されてしまう心配がある。そこで、内熱方式では、主として着火を除き低温で燃焼する燃焼触媒を用いて燃焼させることが望ましい。燃焼触媒とリング状のクラスタバーナを組み合わせは、内熱方式の燃焼器を構成する上で非常に好ましい。
【００１４】
本発明の燃料処理装置には、内熱燃焼器と外熱燃焼器が備えられる。内熱燃焼器は前述の燃焼触媒とリング状クラスタバーナの組み合わせが好適であり、外熱燃焼器はクラスタバーナが好適である。発電出力１ｋｗ級の家庭向け燃料電池の燃料処理装置では、外熱燃焼器のガス流量が極めて少なく失火しやすいので、低流量での安定燃焼性が優れているクラスタバーナを用いることが望ましい。また、外熱の場合は、アノード戻りガスのほかに補助燃料を加えて燃焼し、これにより改質温度を６３０℃以上にキープして燃料電池の燃料利用率を上げれば、発電効率向上が図れる。このために、燃焼安定空気比領域の広いクラスタバーナはきわめて有効である。
【００１５】
以上の改善策を盛り込んだ燃料電池発電システムの燃料処理装置として、外熱燃焼器にフラシール付のクラスタバーナと、内熱燃焼器に燃焼触媒を用いたシステム構成を推奨する。ただし、内熱燃焼器は、初期にリング状クラスタバーナで着火する。従来は、内熱式か外熱式のいずれかであり、両方を合わせたものはなかった。
【００１６】
また、定常時に燃料電池の燃料利用率を高くして発電効率を上げようとするときには、アノード戻りガスのみでは高い水素変換効率を維持できないし、燃料利用率の変動により、アノード戻りガス中の水素流量が変動する。アノード戻りガスの水素流量が変動すると、それがまた、燃料利用率の変動を招く。この問題を解決するためには、補助燃料を加えて改質触媒層温度を一定に保つようにして、安定高効率を図ることが有効である。
【００１７】
本発明の極めて好適な例では、外熱燃焼器にクラスタバーナ、内熱燃焼器にリング状クラスタバーナと燃焼触媒を採用し、起動時には、外熱のクラスタバーナにより高温排ガスを作り出して主要部を安定加熱しつつ、内熱燃焼器でリング状バーナを着火して燃焼触媒で燃焼しうる温度に加熱する。燃焼触媒で燃焼しうる温度まで被改質燃料が加熱されたならば、リング状クラスタバーナを消して、以後は燃焼触媒で燃焼させてメタルに負担をかけない範囲で急速起動を行う。
【００１８】
また、他の好適な例では、外熱燃焼排ガス系統に蒸発器を設け、改質ガス系統にCOシフト触媒及びCOガス冷却部を設けて、それぞれ独立に制御性を損なわず、かつ、２相流でない水蒸気を作り出すようにする。
【００１９】
家庭用燃料電池発電システムにおいて、需要の少ない深夜は運転を停止し、その他の時間帯に運転する、いわゆるDSS（Daily Start and Shutdown）が合理的なため、普通の運転形態になりつつある。この場合、早朝の起動に１時間程度もかかったのでは、早朝の短時間の電力及び給湯需要に答え難い。急速起動をメインにして内熱式燃料処理装置を採用すると、起動が早くなり、１５分以下にすることも可能であるが、定常運転時の効率が下がる。本発明により、急速起動可能で、且つ、高効率な運転を両立させることができた。
【００２０】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。但し、これらの実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２１】
燃料処理装置内部を中心とした燃料電池発電システムの構成を図１に示す。図１の発電システムは、外熱燃焼器を有する燃焼排ガス系統、内熱燃焼器と改質触媒を有する改質ガス系統により構成されている。外熱燃焼器の燃焼排ガス系統及び改質ガス系統の順番で説明する。
【００２２】
外熱燃焼器の燃焼排ガス系統には、都市ガス等の補助燃料1-1と、燃料電池33又は改質ガス系統からの戻りガス3を、熱交換部34で昇温された空気10を用いて燃焼させて熱を発生させる外熱燃焼器2が配備されている。また、外熱燃焼器2からの燃焼排ガス25によって改質触媒層36に熱を与える改質触媒層熱交換部9と、改質触媒層熱交換部9で改質触媒層36に熱を与えたあとの燃焼排ガス26を都市ガス等の炭化水素系燃料と水蒸気の混合ガス43と熱交換して混合ガス43を加熱する熱交換部24が備えられている。更に、熱交換部24を出た燃焼排ガス27によって水11-1を蒸発・過熱させる蒸発部38と、蒸発部38を出た燃焼排ガス28によって空気4-1を加熱する熱交換部34が備えられている。
【００２３】
改質ガス系統には、外熱燃焼器2の燃焼排ガス系統の熱交換部24で昇温された炭化水素系燃料と水蒸気の混合ガスよりなる被改質原料ガス7を、部分酸化用空気4-2で部分酸化させる内熱燃焼器6が備えられている。また、内熱燃焼器6で部分酸化され昇温された部分燃焼改質原料ガス35を、外熱燃焼器2の燃焼排ガス系統の改質触媒層熱交換部9からの熱により改質反応させて、改質ガスを生成する改質触媒層36が備えられている。さらに、改質触媒層36で改質され水素リッチになった改質ガス8から熱を回収し、混合部22からの混合ガス23を加熱する熱交換部5、熱交換部5からの改質ガス16をCOシフト反応させるCOシフト触媒層17が備えられている。COシフト触媒層17内には、水11-2でCOシフト触媒の温度をシフト反応に適した温度範囲に維持するCOシフト冷却部42が備えられている。また、COシフト触媒層17からの改質ガス18を冷却して、下流の１段目CO選択酸化部に適した温度にするため水11-3を用いる熱交換部19が備えられている。また、熱交換部19からの改質ガス20に空気4-3と水11-4を供給して選択酸化反応と冷却を行う１段目CO選択酸化部15と、１段目CO選択酸化部15からの改質ガス30に空気4-4と水11-5を供給して選択酸化反応と冷却を行う２段目CO選択酸化部31が備えられている。
【００２４】
２段目CO選択酸化部31からの改質ガス32を利用して、燃料電池33で発電が行われる。外熱燃焼器の燃焼排ガス系統と改質ガス系統を結ぶものとしては、すでに説明済みの改質触媒層熱交換部9と混合部22がある。混合部22では、熱交換部19からの水又は水蒸気12と、COシフト冷却部42からの水又は水蒸気21と、蒸発器38からの水蒸気39と、加熱しない都市ガス等の炭化水素系燃料1-2が混合される。これらにより本発明の燃料電池発電システムが構成される。
【００２５】
以上のように構成された燃料電池発電システムについて、まず、定常時、次に起動時の順番で、動作を説明する。なお、定常時とは、起動後の燃料電池運転時のことを云う。
【００２６】
定常時は、外熱燃焼器2において、補助燃料1-1と燃料電池33からの戻りガス3を、熱交換部34で昇温した空気10を用いて燃焼させて断熱火炎温度を1,200℃以上として、900〜1,000℃の高温の燃焼排ガス25を発生させる。この高温の燃焼排ガス25を用いて、改質触媒層熱交換部9にて改質触媒層36に輻射を含む熱伝達を行い、改質前の部分燃焼改質原料ガス35に改質反応に必要な熱の注入を行い、改質温度を630℃以上に確保する。改質触媒層36に改質触媒層熱交換部9にて熱を与えて800℃程度になった燃焼排ガス26は、熱交換部24、蒸発器38及び熱交換部34により、それぞれ炭化水素系燃料と水蒸気の混合ガス23、水11-1及び空気4-1に熱を与えて熱を回収して、最終的に130℃程度の燃焼排ガス29となって排出される。予熱された被改質原料ガス7は、定常時の場合、部分酸化用空気4-2を供給しないので、内熱燃焼器6を通過して改質触媒層36で改質触媒層熱交換部9の熱を受けて、改質触媒により下記の(１)式に示す改質反応と（２）式に示すCOシフト反応を起こす。そして、水素リッチな改質ガス8を生成する。
【００２７】
ＣｍＨｎ＋ｍＨ２Ｏ⇔ｍＣＯ＋（ｍ＋ｎ/２）Ｈ２      …（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ⇔ＣＯ２＋Ｈ２                          …（２）
改質ガス8は熱交換部5で混合ガス23により熱を回収しつつ、熱回収後の改質ガス16をCOシフト触媒層17に供給できる280℃前後にする。この改質ガス16をCOシフト触媒層17で前記（２）式によりCOシフト反応させる。このとき、COシフト反応の適正温度範囲に保つため、COシフト冷却部42で水冷しつつ熱回収する。この後、COシフト反応後の改質ガス18を１段目CO選択酸化部15及び２段目CO選択酸化部31に送るのに適した改質ガス温度にするために、熱交換部19で水11-3により改質ガス18の熱を回収する。そして、１段目CO選択酸化部15と２段目CO選択酸化部31よりなる２段式のCO選択酸化部において、空気4-3，4-4を用いてCOを減少させ、最終的にはCO濃度を10ｐｐｍ以下にする。この際に、CO選択酸化部に水11-4,11-5を供給して、CO及び水素と（３）式及び（４）式に示す酸化反応を進行させ、発熱を除去する。
【００２８】
２ＣＯ＋Ｏ２⇒２ＣＯ２                            …（３）
２Ｈ２＋Ｏ２⇒２Ｈ２Ｏ                            …（４）
なお、320℃以上になると、下記（５）式に示すメタン化反応が生じるので、温度の維持は重要である。
【００２９】
ＣＯ＋３Ｈ２⇔ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ                      …（５）
得られた改質ガス32を燃料電池33のアノードに供給して発電を行い、改質ガス中の水素を消費する。水素成分が電流分消費されたあとの戻りガス3は、外熱燃焼器2に向かい改質反応の熱源となる。
【００３０】
定常時において発電効率を高めるには、燃料電池で電流を増やす必要があるが、そうすると、改質ガス中の水素がより多く消費されるので、燃料電池を出て行く戻りガス中の水素濃度は低くなる。水素濃度が低くなった戻りガスを外熱燃焼器で燃焼させると、発熱量が減り、改質触媒層で適正改質温度を維持できなくなり、発生水素濃度が低下する。水素濃度が低い状態で燃料電池に供給すると、燃料電池内で水素欠乏が発生して燃料電池にダメージを与える。このようなことから、定常時に都市ガス等の補助燃料1-1を供給して、この補助燃料1-1と戻りガス3を外熱燃焼器２で燃焼することは有効であり、改質触媒層熱交換部9から改質触媒層36に入る熱量を増大して発生水素量を増大させることができる。これにより、燃料利用率を増大させて補助燃料1-1の供給量を上回る改質プロセス効率が得られる。
【００３１】
起動時には、外熱燃焼器2を起動すると同時に、部分酸化用空気4-2を注入することにより改質原料の一部を部分酸化させる内熱燃焼器6をも作動させて、これにより、改質触媒層36を中から加熱するとともに、改質触媒層熱交換部9により外からも加熱する。この両者の加熱により、起動時間が短縮できる。なお、起動時には改質ガス32は燃料電池33をバイパスさせる。
【００３２】
図２は、改質温度を630℃に設定したときの改質プロセス効率を示す。これを見ると分かるように燃料利用率を向上させると改質プロセス効率が向上する。燃料利用率70％と75％の間で、戻りガス3と補助燃料1-1である都市ガスの燃焼による外熱バーナ断熱火炎温度が1200℃、1320℃及び1400℃別に枝分かれしているのは、この枝分かれした時点で戻りガス3に補助燃料1-1を注入しているからである。従来は補助燃料1-1を加えると、次の（６）式に示す関係式から分母が増えて効率が低下すると考えられていた。
【００３３】
改質プロセス効率＝（改質ガス32の発熱量−戻りガス3の発熱量）/（補助燃料1-1＋炭化水素系燃料1-2）        …（６）
このため、補助燃料1-1を加えずに戻りガス3のみで燃料処理装置を加熱して水素を発生させようとしてきた。戻りガス3のみでは、燃料利用率70％付近が固体高分子形燃料電池（PEFC）発電システムの熱物質収支を維持できる限界となる。しかし、実際には、補助燃料1-1を加えても改質温度と熱物質収支が維持でき、かつ、水素製造量が増加させられるので、図２に示すように改質プロセス効率、ひいては、発電効率を向上させることが可能となる。ここで分かることは、このシステムでは断熱火炎温度が変わっても改質プロセスの変動が小さい、すなわち、ロバスト性があることである。これは、燃料処理装置にとって極めて重要な効果である。
【００３４】
図３は、改質温度を６３０℃に設定したときの燃料利用率と供給都市ガス中の補助燃料1-1の割合を示す。図２と対照すると分かるように、改質プロセス効率と補助燃料1-1は、燃料利用率を媒体にして比例関係にある。この図３からは、外熱バーナすなわち外熱燃焼器の断熱火炎温度を上げないと補助燃料1-1の量を減らせない、つまり、改質プロセス効率が上げられないことが分かる。しかし、断熱火炎温度を上げると、周囲のメタル温度が上がるため、メタルに低コストのステンレス鋼を使うには、メタル温度が850℃以下になるように選定せざるを得ない。また、燃料利用率を上げていくと改質プロセス効率は上がるが、その反面、補助燃料の供給および燃料電池のカソードへの空気供給に係る補機動力が増えるため、実際には、85％前後が最適運転点である。
【００３５】
図４は、起動時の特性を通常のバーナで検討した結果であり、着火から５分後の改質触媒層内の温度分布を示す。横軸が改質触媒層の入口から出口までの位置を示し、縦軸がその位置での着火５分後の改質触媒層内温度を示している。通常のバーナを内熱燃焼器と外熱燃焼器に用いた場合には、温度上昇は早いものの、上流で850℃を超える部分が発生する。このため、メタルにステンレス鋼が使えない。
【００３６】
外熱燃焼器に通常のバーナを採用し、内熱燃焼器に燃焼触媒（着火時のみ通常バーナ）を採用した場合の改質触媒層内の温度分布を図５に示す。最高温度が850℃で下流の温度も上がり、図４における問題を解決できた。
【００３７】
図１の燃料電池発電システムを実施するための円筒形燃料処理装置の構成を図６に示す。空気導管53を介して昇温された空気10と、ガス用導管55を通して供給された戻りガス3又は戻りガス3と補助燃料1-1を、装置中心に設けられた、クラスタバーナにより構成された外熱燃焼器2で燃焼させる。外熱燃焼器2での着火は点火栓用導管54の点火栓49により行われる。外熱燃焼器2で発生した高温の燃焼排ガス25は、燃焼排ガスを装置底部に導く下降流路56を通して折り返し流路60に導く。また、下降流路の管壁には複数の孔58を設けておき、燃焼排ガス25の一部を流速の早い折り返し流路60へ流出させ、折り返し流路60を流れる燃焼排ガスの温度が低下するのを防止する。折り返し流路60を流れる燃焼排ガスにより、管壁を介して隣接するハニカム構造の改質触媒層36に熱を与える。改質触媒層36はハニカム構造に限定されるものではないが、起動時間を早めるためにはハニカム構造とするのが良い。その後、燃焼排ガスは、改質原料予熱層52、蒸発器38の回りを通り、改質用の燃料ガス及び水11-1に熱を与えて燃焼排ガス排出管59から排出される。なお、改質原料予熱層52はスチールウールの充填層等により形成可能である。空気導管53、点火栓用導管54及びガス用導管55の周囲には断熱材61を設けて、燃焼排ガスの熱で改質原料予熱層52を十分に加熱できるようにしている。
【００３８】
空気4-1は、底部から燃料処理装置に供給され、装置表面を回って熱を回収し、昇温された空気10を作る。昇温された空気10は、空気導管53を通ってクラスタバーナよりなる外熱燃焼器2に送られて高温の燃焼排ガス25を作り出す。
【００３９】
被改質原料ガス7に含まれている水は、3箇所から供給される。水11-1は、円筒の上部から蒸気供給管64を通して蒸発器38に送り込まれる。水11-2は、COシフト触媒層17に隣接するCOシフト冷却部42に送られ、改質ガスから熱を回収して水及び湿り蒸気を生成する。COシフト冷却部42の上部の熱交換部5には水11-3が供給され、改質ガスから熱を回収して水及び湿り蒸気を生成する。COシフト冷却部42及び熱交換部5で、それぞれ改質ガスから熱を回収するとともに、COシフト反応に適した温度になるように水量を調整して制御する。水11-2及び水11-3から生じた蒸気は、混合部22のある区画に複数の孔65を通して送り込まれる。また、蒸発器38で生成した蒸気も蒸気供給管66により混合部22に供給される。これらの蒸気は混合部22で炭化水素系燃料1-2と混合され、被改質原料ガス7となる。
【００４０】
起動時であれば、被改質原料ガス7は、内熱燃焼器6においてリング状クラスタバーナ50で部分酸化用空気4-2と混合され、点火栓51で着火して、酸素不足の条件で部分酸化燃焼する。部分酸化燃焼したガスの温度が300℃を超えれば、内熱燃焼器6の燃焼触媒により部分酸化反応が進行するようになる。この時点になれば、点火栓51を止めて、燃焼触媒のみで部分酸化燃焼を行う。このとき、リング状クラスタバーナ50は性能の良い混合器として働く。内熱燃焼器6を出る改質前ガスの温度は300〜800℃になる。
【００４１】
定常運転になり部分酸化用空気4-2が供給されなくなると、内熱燃焼器6での燃焼が停止し、燃焼触媒は高性能の整流装置として機能する。これにより、被改質原料ガスの流量分布の偏りが補正される。その後、改質用原料ガスは改質原料予熱層52に流入し、折り返し流路60を流れる燃焼排ガスにより加熱される。その後、被改質原料ガスは改質触媒層36に入り、同じく折り返し流路60を流れる燃焼排ガスにより加熱されて改質反応を起こし、水素リッチな改質ガス8を発生する。このとき、改質ガスの温度は出口で温度検出器72により監視され、所定の温度以上になるように補助燃料1-1の供給量が調節される。改質ガス8は、二度折り返して水11-3により適正な温度に調整されてCOシフト触媒層17に入る。COシフト触媒層17も、COシフト反応が進む適性温度を保つために、外側から水11-2によって反応熱が吸収される。COシフト反応によって、改質ガス8は更に水素リッチな改質ガスとなる。この改質ガスは、１段目CO選択酸化部15に入り、空気4-3によりCO濃度が低減される。その際に発生する熱は水11-4で吸収する。その後、改質ガスは、２段目CO選択酸化部31に入り、CO濃度を空気4-4により低減させて、その際に発生する熱を水11-５で吸収して最終的にCO濃度が10ｐｐｍ以下の改質ガス32となる。
【００４２】
なお、本実施例では、断熱材62をCOシフト触媒層17、１段目CO選択酸化部15及び２段目CO選択酸化部31の内側に設けて、改質触媒層36を冷却し過ぎないようにしている。また、外熱燃焼器2として、複数の小バーナを面上に配置したクラスタバーナを配置し、１ｋＷシステムのような極小流での着火性及び保炎性を向上させている。これにより自然対流に近いガス流速の場にも拘わらず、燃料及び空気の偏流が発生して、いずれかの小バーナが失火しても、他の小バーナにより再着火できるので、安定運転ができるという効果がある。
【００４３】
内熱燃焼器6に燃焼触媒を用いて、起動時に300〜500℃程度で燃焼させ、クラスタバーナで構成される外熱燃焼器2と同時に作動させることにより、メタル温度を850℃以上に高めることなく、低コストのステンレス鋼を使用して、起動時間の短縮ができるという効果が得られる。本実施例では、改質原料ガスを燃焼触媒が反応できる温度に加熱するためのバーナとしてリング状クラスタバーナ50を用いている。このリング状クラスタバーナ50は、燃焼時以外は蒸気と炭化水素系燃料の混合器として有効に働いて改質効率向上に寄与する。
【００４４】
クラスタバーナで構成された外熱燃焼器2の燃焼排ガスの熱が改質触媒層36に入熱する折り返し流路60は、そのまま折り返したのでは、中央部に低温部ができ、改質触媒層での温度が低下して水素変換効率が落ち易くなる。また、周方向に伝熱むらが発生しやすくなる。このため、本実施例では折り返し流路に孔58を複数個設けて、内部の高温ガスと輻射光を外側に取り出して効率向上を図っている。また、折り返し流路に流路の幅を一定に保つスペーサ71-1,71-2,71-3を入れて、流れの均一化を図っている。更に、改質触媒、燃焼触媒及びCOシフト触媒には、ハニカム構造の触媒を用いて起動時間短縮を図っている。また、空気4-1を燃料処理装置の底部から入れて、装置表面からの放熱損失を回収するようにしている。なお、本実施例では説明しなかったが、起動時に、改質ガス32が外熱燃焼器2に戻るまでの間は、補助燃料1-1を外熱燃焼器で燃焼させて、改質触媒層36を加熱するための熱源を得るようにしてもよい。また、外熱燃焼器2は、改質触媒層36の入口と同じ高さレベルか、或いは、それ以下の高さのところに設けることが、燃焼排ガスで改質触媒層を効果的に加熱するために望ましい。
【実施例２】
【００４５】
図７に燃料処理装置の他の実施例を示す。図６と異なるのは、下部に水11-6の注入口を設けて下部の熱を回収して蒸気を発生させ、その蒸気を孔70によって、水11-2，11-3が蒸気になったものと合流させている点である。これにより、水素変換効率が上げられるという効果がある。
【００４６】
又、図７では、改質触媒層36が改質ガスの折り返し流路にも設けられている。これにより、燃焼排ガス25の輻射熱により加熱された底板の熱を回収して改質反応を促進し、水素変換率を向上させることができる。また、このような構成により、改質触媒層の高さを小さくすることができる。
【実施例３】
【００４７】
図８に、本発明による燃料電池発電システムの他の実施例を示す。図１と異なる点は、熱交換部5で空気4-1を加熱している点と、炭化水素系燃料1-2を熱交換部34で加熱している点である。この構成は、相変化のない空気量によりCOシフト温度を制御するためロバスト性がある。本実施例により、起動時間の短縮を図ることができ、しかも、発電効率及び制御性の高いシステムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の燃料電池発電システムの一実施例を示すシステム構成図。
【図２】燃料利用率と改質プロセス効率との関係を示した図。
【図３】燃料利用率と供給都市ガス中の補助燃料ガスの割合を示した図。
【図４】従来例による起動時の温度分布を示した図。
【図５】起動時の、外熱クラスタバーナと内熱燃焼触媒の温度分布を示した図。
【図６】本発明に係る燃料処理装置の一実施例を示した構成図。
【図７】本発明に係る燃料処理装置の他の実施例を示した構成図。
【図８】本発明に係る燃料電池発電システムの他の実施例を示したシステム構成図。
【符号の説明】
【００４９】
1-1…補助燃料、1-2…炭化水素系改質燃料、2…外熱燃焼器、3…戻りガス、4-1…空気、4-2…部分酸化用空気、4-3…空気、4-4…空気、5…熱交換部、6…内熱燃焼器、7…改質用原料ガス、8…改質ガス、9…改質触媒層熱交換部、10…空気、11-1…水、11-2…水、11-3…水、11-4…水、11-5…水、11-6…水、12…水又は水蒸気、15…１段目CO選択酸化部、16…改質ガス、17…COシフト触媒層、18…改質ガス、19…熱交換部、20…改質ガス、21…水又は蒸気、22…混合部、23…混合ガス、24…熱交換部、25…燃焼排ガス、26…燃焼排ガス、27…燃焼排ガス、28…燃焼排ガス、29…燃焼排ガス、30…改質ガス、31…２段目CO選択酸化部、32…改質ガス、33…燃料電池、34…熱交換部、35…部分燃焼改質原料ガス、36…改質触媒層、38…蒸発器、39…水蒸気、42…COシフト冷却部、43…混合ガス、49…点火栓、50…リング状クラスタバーナ、51…点火栓、52…改質原料予熱層、53…空気導管、54…点火栓用導管、55…ガス用導管、56…下降流路、58…孔、59…燃焼排ガス排出管、60…折り返し流路、61…断熱材、62…断熱材、64…蒸気供給管、65…孔、66…蒸気供給管、70…孔、71-1…スペーサ、71-2…スペーサ、71-3…スペーサ、72…温度検出器。
【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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