(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料ガスを水素リッチなガスに改質する改質装置が、脱硫器と改質器とＣＯ変成器とＣＯ除去器とから構成され、前記改質器とＣＯ変成器との間であって、熱交換器の出口側に接続して分岐し、前記改質器で改質されたガスの一部をリサイクルガスとして前記脱硫器の入口側に導入するための戻りラインが設けられ、この戻りラインの途中に熱交換器からなる水分除去手段が設けられ、この水分除去手段の熱交換器は冷媒として改質用水が用いられ、当該水分除去手段により前記リサイクルガス中の水分が除去され、ドレンとして排出されることを特徴とする燃料ガス改質装置。
【請求項２】
炭化水素系燃料ガスを水素リッチなガスに改質する改質装置が、脱硫器と改質器とＣＯ変成器とＣＯ除去器とから構成され、前記ＣＯ変成器とＣＯ除去器との間であって、熱交換器より上流のＣＯ変成器の出口側に接続して分岐し、前記ＣＯ変成器で変成されたガスの一部をリサイクルガスとして前記脱硫器の入口側に戻すための戻りラインが設けられ、この戻りラインの途中に熱交換器からなる水分除去手段が設けられ、この水分除去手段の熱交換器は冷媒として改質用水が用いられ、当該水分除去手段により前記リサイクルガス中の水分が除去され、ドレンとして排出されることを特徴とする燃料ガス改質装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料ガス改質装置を含む燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素系燃料ガスを改質し、水素リッチなガスを得る燃料ガス改質装置に係り、水添脱硫器入り口への改質ガス戻りライン中に水分除去手段を設け、改質ガス中の水分を除去することで脱硫触媒の性能維持及び長寿命化を図った燃料改質装置及び燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムにおいては、例えば図３のように都市ガスやプロパンガス等の炭化水素系燃料ガスに含まれる硫黄分を除去する脱硫器１と、この脱硫器１により硫黄分が除去された燃料ガスを水素リッチなガスに改質する改質器２と、この改質器２で改質された改質ガス中に含まれる一酸化炭素を低減するＣＯ変成器３と、更にＣＯ変成器３で変成された改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化して除去するＣＯ除去器４とから燃料ガス改質装置が構成されている。
【０００３】
前記脱硫器１で硫黄分を除去するのは、都市ガスやプロパンガス等には付臭剤として有機硫黄分（通常都市ガス中には２〜３ｐｐｍ）が添加されており、この有機硫黄分が改質器２の触媒に付着すると、硫黄被毒のために改質器２の改質性能が低減するためである。又、前記ＣＯ変成器３及びＣＯ除去器４で改質ガス中の一酸化炭素を減少・除去するのは、燃料電池５の電極触媒が一酸化炭素により被毒されて発電能力が低下するためである。
【０００４】
脱硫器１に用いられる脱硫触媒は、例えば燃料ガスに水素を加えて有機硫黄化合物を硫化水素に分解する水添脱硫触媒と、発生した硫化水素や未分解の有機硫黄化合物を吸着する吸着触媒とにより構成されている。又はこのような機能を備えた１種類の触媒によって構成される場合もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記脱硫器１内の水添脱硫反応及び吸着反応には、触媒の耐熱性や活性の面で好適な温度範囲が存在する。このため、図３のように通常脱硫器１に供給される燃料ガスは、改質器２の下流で分岐された戻りライン６を介して戻される水素リッチのリサイクルガスと合流した後に脱硫器１に供給される。しかしながら、戻りライン６を介して戻されるリサイクルガス中には多くの水分（水蒸気）が含まれており、この水分が戻りライン６の配管内で凝縮すると配管詰まりを起こし、脱硫器１の触媒に付着すると触媒の温度を下げて脱硫性能を低下させ、又は吸着剤の孔を塞いで吸着性能を低下させる等の不具合が発生する。
【０００６】
そこで、本発明は、脱硫器１へ戻す改質ガス中の水分を除去することにより、上記従来の不具合を解消できるようにした燃料ガス改質装置及び燃料電池システム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】
上記の目的を達成するための具体的手段として、本発明の請求項１は、炭化水素系燃料ガスを水素リッチなガスに改質する改質装置が、脱硫器と改質器とＣＯ変成器とＣＯ除去器とから構成され、前記改質器とＣＯ変成器との間であって、熱交換器の出口側に接続して分岐し、前記改質器で改質されたガスの一部をリサイクルガスとして前記脱硫器の入口側に導入するための戻りラインが設けられ、この戻りラインの途中に熱交換器からなる水分除去手段が設けられ、この水分除去手段の熱交換器は冷媒として改質用水が用いられ、当該水分除去手段により前記リサイクルガス中の水分が除去され、ドレンとして排出されることを特徴とする燃料ガス改質装置を要旨とする。
又、本発明の請求項２は、炭化水素系燃料ガスを水素リッチなガスに改質する改質装置が、脱硫器と改質器とＣＯ変成器とＣＯ除去器とから構成され、前記ＣＯ変成器とＣＯ除去器との間であって、熱交換器より上流のＣＯ変成器の出口側に接続して分岐し、前記ＣＯ変成器で変成されたガスの一部をリサイクルガスとして前記脱硫器の入口側に戻すための戻りラインが設けられ、この戻りラインの途中に熱交換器からなる水分除去手段が設けられ、この水分除去手段の熱交換器は冷媒として改質用水が用いられ、当該水分除去手段により前記リサイクルガス中の水分が除去され、ドレンとして排出されることを特徴とする燃料ガス改質装置を要旨とする。
更に、本発明の請求項３は、請求項１又は請求項２に記載の燃料ガス改質装置を含む燃料電池システムを要旨とする。
【０００８】
本発明では、脱硫器へ戻す改質ガス中の水分を除去することから、戻りラインの配管内で凝縮して配管詰まりを生じることがなく、又脱硫触媒に付着して脱硫性能及び吸着性能の低下を来たすことがなくなる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る実施形態を添付図面に基づいて（従来例に相当する部材は同一符号で）説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示す構成図であり、都市ガス等の燃料ガスを水素リッチなガスに改質する改質装置は、脱硫器１と改質器２とＣＯ変成器３とＣＯ除去器４とから構成されている。
【００１０】
６は水素リッチなガスの一部をリサイクルガスとして脱硫器１に戻すための戻りラインであり、ＣＯ変成器３の上流側即ち改質器２とＣＯ変成器３との間であって、熱交換器７の出口側に接続して分岐し、前記脱硫器１の入口側に導入するように設けられている。８は戻りライン６の途中の要所に配設された水分除去手段であり、この場合は熱交換器が用いられている。
【００１１】
都市ガス等の燃料ガスは、前記戻りライン６を介して戻されるリサイクルガスと合流して脱硫器１に供給される。脱硫器１は水添脱硫方式であって、供給された燃料ガスと、通常その燃料ガスの１０ｖｏｌ％の量のＨ２ガスを含むリサイクルガスとの合流ガスを脱硫する。水添脱硫触媒としてはＣｏ−Ｍｏ系やＮｉ−Ｍｏ系が用いられ、吸着剤としては酸化亜鉛系触媒が用いられ、この水添・吸着脱硫反応（ＲＣＨ２ＳＨ＋Ｈ２→ＲＣＨ３＋Ｈ２Ｓ  ＺｎＯ＋Ｈ２Ｓ→ＺｎＳ＋Ｈ２Ｏ）によって２０〜５０ｐｐｂ程度に脱硫することが可能である。又、有機硫黄のうちＲＳＨやＣＯＳは、条件によっては酸化亜鉛系触媒でも吸着されるが、一般にはＣｏ−Ｍｏ或はＮｉ−Ｍｏ系の水添触媒上で一旦Ｈ２Ｓに添加した後にＺｎＯで吸着されるのが普通である。脱硫器１での脱硫反応温度は３５０℃〜４００℃である。
【００１２】
前記改質器２で改質された改質ガスの１０％程度がリサイクルガスとして戻されるが、そのリサイクルガス中には水分（水蒸気）が約３０〜４０ｖｏｌ％含まれており、これが戻りライン６の配管内で凝縮すると配管詰まりが生じ、脱硫器１内に流入すると脱硫性能を阻害する。本発明では、前記のように戻りライン６の途中に熱交換器からなる水分除去手段８を設けてあるため、この水分除去手段８によってリサイクルガス中の水分が除去され、ドレンとして排出される。従って、リサイクルガス中の水分に起因する上記弊害を防止することができる。
【００１３】
この場合、水分除去手段８である熱交換器の冷媒としては改質用水が用いられる。即ち、水タンク９の水を配水路１０を介して水分除去手段８に導いて冷媒として使用し、更にその水を改質器２に供給して改質用水として使用する。従来においては、図３のように水タンク９の水をそのまま改質器２に導入し、改質器２のバーナ２ａにより加熱して水蒸気に変えていた。本発明の場合には、水分除去手段８での熱交換により熱せられた改質用水を改質器２に導入するため、改質器２のバーナ２ａで速やかに水蒸気に変えることができる。従って、従来に比してバーナ２ａの加熱量は少なくて済み、極めて効率的である。これにより、省エネが可能となって経済的である。
【００１４】
前記脱硫器１で脱硫された燃料ガスは、従来と同様に改質器２で水蒸気改質された後にＣＯ変成器３に送り込まれ、改質ガス中の一酸化炭素が二酸化炭素に変成される。この時、前記のようにＣＯ変成器３に送り込まれる改質ガスの一部が、リサイクルガスとして戻りライン６により脱硫器１の入口側に戻される。
【００１５】
ＣＯ変成器３でＣＯ濃度が１％以下に変成された改質ガスは、ＣＯ除去器４に送り込まれ、エアポンプ１１により取り込まれた空気が供給されて選択酸化され、ＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下に調整される。
【００１６】
この改質ガスは燃料電池５の燃料極に供給され、燃料電池５の空気極にはエアポンプ１２により取り込まれると共に、加湿器１３で加湿された空気が供給され、この空気中の酸素ガスと改質ガス中の水素ガスとがイオン交換膜（例えば固体高分子電解質膜）を介して化学反応して起電力を生じ、同時に水が生成される。この燃料電池５の運転時に、前記水タンク９から水ポンプ１４を介して燃料電池５に冷却用水が供給され、燃料電池５を冷却した後に水タンク９に戻される。水タンク９には、純水装置１５を介して純水化された市水が適宜補充される。又、空気極での未反応の空気は系外に排出され、燃料極での未反応改質ガスは前記改質器２のバーナ２ａに送り込まれて燃焼される。
【００１７】
図２は、本発明の他の実施形態を示す構成図であり、基本的構成は上記の実施形態と同じであり、都市ガス等の燃料ガスを水素リッチなガスに改質する改質装置は、脱硫器１と改質器２とＣＯ変成器３とＣＯ除去器４とから構成されている。この場合、戻りライン６が、ＣＯ変成器３の下流側に設けられている点で上記の実施形態と相違している。
【００１８】
即ち、戻りライン６はＣＯ変成器３の出口側に接続されて分岐し、ＣＯ変成器３で変成された改質ガスの一部をリサイクルガスとして脱硫器１の入口側に戻すようにしてある。この戻りライン６の途中要所には、前記と同様に熱交換器からなる水分除去手段８が設けられ、この水分除去手段８には冷媒として水タンク９から改質用水が導入され、水分除去手段８を通過した後に改質器２の入口側に供給される。戻りライン６により戻されるリサイクルガスは、燃料ガスと合流して脱硫器１に供給される。
【００１９】
この場合も、リサイクルガス中に含まれる水分（水蒸気）が水分除去手段８で冷媒により凝縮されドレンとして排出されるため、戻りライン６の配管内で凝縮することはなく、配管詰まりを未然に防止すると共に、脱硫器１内に流入しないため脱硫機能を阻害することがない。従って、脱硫器１での脱硫性能及び吸着性能の低下を未然に防止することができる。
【００２０】
又、水分除去手段８で熱交換された高温の改質用水が改質器２の入口側に導入されることから、これを水蒸気にするための改質器２のバーナ２ａの熱量が少なくて済み、且つ速やかに蒸気化することから改質器２での水蒸気改質を効率良く行うことができる。
【００２１】
脱硫器１、改質器２、ＣＯ変成器３及びＣＯ除去器４を経て改質された水素リッチなガスは、前記と同様に燃料電池５の燃料極に供給され、燃料電池５の空気極にはエアポンプ１２により取り込まれると共に、加湿器１３で加湿された空気が供給され、この空気中の酸素ガスと改質ガス中の水素ガスとがイオン交換膜（例えば固体高分子電解質膜）を介して化学反応して起電力を生じ、同時に水が生成される。燃料電池５の運転時には、前記水タンク９から水ポンプ１４を介して燃料電池５に冷却用水が供給され、燃料電池５を冷却した後に水タンク９に戻される。水タンク９には、純水装置１５を介して市水が純水化されて適宜補充される。又、空気極での未反応の空気は系外に排出され、燃料極での未反応改質ガスは前記改質器２のバーナ２ａに送り込まれて燃焼される。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、燃料電池システムの燃料ガス改質装置において、炭化水素系燃料ガスを改質して得たガスの一部を、リサイクルガスとして水添脱硫触媒を充填した脱硫器の入口に戻す場合、その戻りラインの要所に改質ガス中に含まれる水分（水蒸気）を除去する水分除去手段を設けたので、戻りラインの配管内で凝縮して配管詰まりが生じることはなく、又脱硫器内の触媒に付着して脱硫性能及び吸着性能を阻害することもなく、長寿命化が図れる。
更に、水分除去手段の熱交換器の冷媒として改質用水を使用するので、別途に冷媒を用意する必要がなく、構成を簡素なものとすることができると共に経済的である。この改質用水は、熱交換器で加熱されるため改質器に供給する際に蒸気化するための改質器のバーナの加熱量を減らすことができ、これにより省エネが図れて経済的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料ガス改質装置を含む燃料電池システムの一実施形態を示す構成図
【図２】本発明に係る燃料ガス改質装置を含む燃料電池システムの他の実施形態を示す構成図
【図３】従来の燃料電池システムを示す構成図
【符号の説明】
１…脱硫器
２…改質器
３…ＣＯ変成器
４…ＣＯ除去器
５…燃料電池
６…戻りライン
７…熱交換器
８…水分除去手段
９…水タンク
１０…配水路
１１，１２…エアポンプ
１３…加湿器
１４…水ポンプ
１５…純水装置
【図１】
0004036607.tif 000002
【図２】
0004036607.tif 000003
【図３】
0004036607.tif 000004