(57)【要約】【課題】比較的簡単な構造をなすと共にコンパクト化を図ることができ、更に脱硫部を所定温度に確実に加熱保持することができる改質装置を提供する。【解決手段】この改質装置１は、筒状の燃焼器１０の内側にバーナ１４が配置され、同燃焼器１０の外周に内筒２０及び外筒３０を配置された多重筒体を備え、該多重筒体に、原燃料中の硫黄分を除去する脱硫部５０と、水蒸気を発生させる蒸発部３０と、脱硫処理された原燃料及び水蒸気を水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する改質反応部３５と、改質ガス中のＣＯを低減するＣＯ変成器４５及びＣＯ除去器５０とが配置され、複数の筒状空間の一つが、バーナ１４によって加熱された燃焼排ガスの燃焼排ガス流路２１をなし、脱硫部５０は燃焼排ガス流路２１の内側に配置されていて、燃焼排ガス及びバーナ１４によって脱硫部５０が熱されるように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側に燃焼器のバーナが配置された筒体を有し、該筒体の外側に、同心状に径の異なる複数の他の筒体が配置されて、前記各筒体によって複数の筒状空間が形成されている多重筒体を備えており、該多重筒体に、原燃料中の硫黄分を除去する脱硫部と、水蒸気改質反応用の水蒸気を発生させる蒸発部と、前記脱硫部で脱硫処理された原燃料及び前記蒸発部で発生した水蒸気とを水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する改質反応部と、前記改質ガス中のＣＯを低減するＣＯ変成器及び／又はＣＯ除去器とが配置された改質装置であって、
前記複数の筒状空間の少なくとも一つは、前記燃焼器のバーナによって加熱されて排出される燃焼排ガスの流路をなし、
前記脱硫部は、燃焼排ガスの流路をなす筒状空間よりも内側の、筒体内側に配置されており、
前記燃焼排ガス、又は、同燃焼排ガス及び前記燃焼器によって前記脱硫部が加熱されるように構成されていることを特徴とする改質装置。
【請求項２】
前記脱硫部に供給される原燃料の導入路は、該脱硫部の内側又は外側に隣接して形成されている、請求項１に記載の改質装置。
【請求項３】
内側に燃焼器のバーナが配置された筒体は、バーナを有する燃焼筒と、該バーナに燃焼用空気を供給する燃焼用空気の流路が形成された燃焼空気筒とが軸方向に配列されて構成され、
前記脱硫部が、前記燃焼空気筒の内側に形成されている、請求項１又は２に記載の改質装置。
【請求項４】
内側に燃焼器のバーナが配置された筒体は、バーナが同軸上に配置された燃焼筒と、前記脱硫部が配置された脱硫筒とが軸方向に配置されて構成され、
前記燃焼筒と前記脱硫筒との間には断熱層が配設されている、請求項１又は２に記載の改質装置。
【請求項５】
前記脱硫部に供給される原燃料の導入路が、前記燃焼器から排出される燃焼排ガスの流路をなす前記筒状空間と、該脱硫部の間に形成されている、請求項４に記載の改質装置。
【請求項６】
前記ＣＯ除去器及び／又は前記ＣＯ変成器が、前記多重筒体の最外周の筒状空間に配置され、かつ、前記ＣＯ除去器及び／又は前記ＣＯ変成器に隣接して、もう一つの脱硫部が配置されている、請求項１〜５のいずれか一つに記載の改質装置。
【請求項７】
前記脱硫部は、原燃料中の硫黄分を吸着して硫黄分を除去する吸着剤が充填されている、請求項１〜６のいずれか一つに記載の改質装置。
【請求項８】
前記脱硫部は、原燃料中の硫黄分を、水素と反応して硫化物にする水素添加脱硫触媒と、発生した硫化物を吸着する吸着剤とが充填されている、請求項１〜６のいずれか一つに記載の改質装置。
【請求項９】
前記脱硫部は、原燃料中の硫黄分を、水素と反応して硫化物にする水素添加脱硫触媒と、発生した硫化物を吸着する吸着剤と、燃料中の硫黄分を吸着して硫黄分を除去する吸着剤とが充填されている、請求項１〜６のいずれか一つに記載の改質装置
【請求項１０】
前記脱硫部の出口側の流路が、切替機構を介して、前記燃焼器に連通する燃焼ガス導入口と、前記改質反応部及び／又は前記蒸発部に連通する脱硫原燃料導入口とに接続され、
前記切替機構は、改質装置の起動から所定時間経過するまでは、前記脱硫部の出口側の流路を前記燃焼ガス導入口に連通させ、前記脱硫部の温度が所定温度に達した後、前記脱硫部の出口側の流路を前記脱硫原燃料導入口に連通させるように構成されている、請求項１〜９のいずれか一つに記載の改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天然ガス等の炭化水素を改質して、水素を製造する改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素はクリーンエネルギーとして期待されており、工業上様々な分野で利用が検討されている。例えば、燃料電池は、電解質を挟んで一対の電極を配置し、一方の電極（アノード側）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに他方の電極（カソード側）に酸素を含有する酸化ガスを供給し、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る発電システムであって、高いエネルギー効率が実現可能である。
【０００３】
通常これらの燃料電池では、天然ガス等の炭化水素を水蒸気改質して得られる水素を含むガスを燃料ガスとして用いている。そのため、燃料電池発電装置には、改質装置が設けられており、炭化水素を水蒸気改質して、水素を主成分とした改質ガスを得ている。
【０００４】
通常これらの燃料電池では、空気を酸化ガスとして用い、天然ガス等の炭化水素類の原燃料を水蒸気改質して得られる水素を含むガスを燃料ガスとして用いている。そのため、この燃料電池発電装置には、改質装置が設けられており、天然ガス等の炭化水素を、連設した脱硫器、改質器で、脱硫、水蒸気改質して、水素を主成分とした改質ガスを得ている。
【０００５】
また、改質反応により得られる改質ガスには、水素のほかに、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）などが含まれているので、りん酸形燃料電池の場合には、改質器で生成した改質ガスを、ＣＯ変成器によってＣＯ濃度を１％以下にまで低減した後、燃料電池に供給している。また、動作温度が更に低い６０〜８０℃の固体高分子形燃料電池では、ＣＯ変成器にてＣＯ濃度を1％以下に低減した後、更にＣＯ除去器にてＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下まで低減した後、燃料電池に供給している。
【０００６】
一方、近年、燃料電池発電装置は、家庭用として開発されることが多く、小型化が求められている。そのため、上記のような複数の反応器が必要となる改質装置においては、上記反応工程（脱硫反応、改質反応、ＣＯ変成反応、ＣＯ選択酸化反応など）を、それぞれ別々の反応器で行うこととなると、改質装置全体としては大型なものとなることから、各反応器を一体化させて改質装置を小型化する試みがなされている。
【０００７】
例えば、下記特許文献１には、内筒と、該内筒の外周に真空の断熱層を介して同心状に配設された外筒とからなる真空断熱容器を備えた改質装置が開示されている。前記内筒の内周には、ベース内筒と、該ベース内筒の上端外周に連結され、燃焼器から噴出される燃焼ガスが流通する炉筒とが配設されていて、この炉筒と前記内筒との間の隙間部分は、燃焼ガスの流路をなしていると共に、該流路には複数本の改質管が配置されている。更に、ベース内筒と前記内筒との間の筒状空間には、水蒸発器、原燃料気化器、脱硫器、低温シフトコンバータ、選択酸化ＣＯ除去器が配設されている。また、前記改質管は、その下端部が前記ベース内筒と内筒との間の筒状空間に至るまで伸びていて、同改質管の下部の外側部分に前記脱硫器が連結されている。
【特許文献１】特開２００３−３２７４０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１の場合、改質管の下部外側に脱硫器が連結された構造をなしているので、同脱硫器は、ベース内筒と内筒との間の筒状空間の外周寄りに配設されている。そのため、内筒が大型化する傾向があり、装置全体のコンパクト化を図ることは難しい。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、比較的簡単な構造をなすと共にコンパクト化を図ることができ、更に脱硫部を所定温度に確実に加熱保持することができる改質装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の改質装置は、内側に燃焼器のバーナが配置された筒体を有し、該筒体の外側に、同心状に径の異なる複数の他の筒体が配置されて、前記各筒体によって複数の筒状空間が形成されている多重筒体を備えており、該多重筒体に、原燃料中の硫黄分を除去する脱硫部と、水蒸気改質反応用の水蒸気を発生させる蒸発部と、前記脱硫部で脱硫処理された原燃料及び前記蒸発部で発生した水蒸気とを水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する改質反応部と、前記改質ガス中のＣＯを低減するＣＯ変成器及び／又はＣＯ除去器とが配置された改質装置であって、前記複数の筒状空間の少なくとも一つは、前記燃焼器のバーナによって加熱されて排出される燃焼排ガスの流路をなし、前記脱硫部は、前記脱硫部は、燃焼排ガスの流路をなす筒状空間よりも内側の、筒体内側に配置されており、前記燃焼排ガス、又は、同燃焼排ガス及び前記燃焼器によって前記脱硫部が加熱されるように構成されていることを特徴とする。
【００１１】
上記発明によれば、脱硫部により硫黄が除去された原燃料と、蒸発部により発生した水蒸気とが、改質反応部によって水蒸気改質されて、水素を含む改質ガスが生成される。このとき、内側に燃焼器のバーナが配置された筒体を有していると共に、燃焼排ガスの流路をなす筒状空間の内側の、筒体内側に脱硫部が配置されているので、脱硫部が配置された筒体の外側を燃焼排ガスが流動するようになっており、それにより脱硫部が加熱保持される。また、脱硫部が燃焼器のバーナが脱硫部に近接した位置に配置されている場合には、燃焼器のバーナによっても脱硫部が加熱保持される。その結果、脱硫部は、燃焼排ガス、又は、同燃焼排ガス及び前記燃焼器によって加熱されるので、脱硫部を所定温度でもって確実に加熱保持することができる。また、脱硫部は、燃焼排ガスの流路をなす筒状空間の内側の、筒体内側に配置されているので、燃焼排ガスからの熱が外部に逃げにくく、効率よく伝熱させることができる。更に、燃焼排ガスの流路内側の筒体内側に、脱硫部が配置されていることにより、脱硫器を加熱する部分を別途設ける必要がなく、改質装置の構造を比較的簡単にすることができると共に、脱硫器が配置された筒体の大型化が防止されて、改質装置全体を比較的コンパクトにすることができる。
【００１２】
本発明の改質装置においては、前記脱硫部に供給される原燃料の導入路は、該脱硫部の内側又は外側に隣接して形成されていることが好ましい。これによれば、脱硫部に供給される原燃料の導入路は、該脱硫部の内側又は外側に隣接して形成されていることにより、原燃料を予め加熱して、脱硫部の導入することができ、脱硫部の温度低下を防止できる。
【００１３】
本発明の改質装置においては、内側に燃焼器のバーナが配置された筒体は、バーナを有する燃焼筒と、該バーナに燃焼用空気を供給する燃焼用空気の流路が形成された燃焼空気筒とが軸方向に配列されて構成され、前記脱硫部が、前記燃焼空気筒の内側に形成されていることが好ましい。これによれば、燃焼用空気の流路が形成された燃料空気筒の内側に脱硫部が形成されているので、燃焼排ガスの流路をなす筒状空間と脱硫部との間に燃焼用空気の流路が介在することとなり、その結果、燃焼排ガスによって脱硫部が加熱されるときに、前記燃焼用空気の流路が断熱層として作用して、脱硫部が過度に加熱されることを防止することができる。
【００１４】
本発明の改質装置においては、内側に燃焼器のバーナが配置された筒体は、バーナが同軸上に配置された燃焼筒と、前記脱硫部が配置された脱硫筒とが軸方向に配置されて構成され、前記燃焼筒と前記脱硫筒との間には断熱層が配設されていることが好ましい。これによれば、燃焼筒と脱硫筒との間には断熱層が配設されているので、燃焼排ガスによる脱硫部の加熱時に、脱硫部が過度に加熱されることを防止することができる。
【００１５】
本発明の改質装置においては、前記脱硫部に供給される原燃料の導入路が、前記燃焼器から排出される燃焼排ガスの流路をなす前記筒状空間と、該脱硫部の間に形成されていることが好ましい。これによれば、脱硫部に供給される原燃料の導入路が、燃焼器から排出される燃焼排ガスの流路をなす前記筒状空間と、該脱硫部の間に形成されているので、燃焼排ガスによって、脱硫部に供給される原燃料が予備加熱されるとともに、脱硫部が加熱されるときに、前記原燃料の導入路が断熱層として作用し、脱硫部が過度に加熱されることを防止することができる。
【００１６】
本発明の改質装置においては、前記ＣＯ除去器及び／又は前記ＣＯ変成器が、前記多重筒体の最外周の筒状空間に配置され、かつ、前記ＣＯ除去器及び／又は前記ＣＯ変成器に隣接して、もう一つの脱硫部が配置されていることが好ましい。これによれば、燃焼排ガスの流路をなす筒状空間の内側の、筒体内側に配置された一つの脱硫部に加えて、ＣＯ除去器及び／又はＣＯ変成器に隣接して配置されたもう一つの脱硫部によって、原燃料の硫黄を脱硫することができるので、脱硫効率をより向上させることができる。
【００１７】
本発明の改質装置の前記脱硫部は、原燃料中の硫黄分を吸着して硫黄分を除去する吸着剤が充填されていることが好ましい。
【００１８】
本発明の改質装置の前記脱硫部は、原燃料中の硫黄分を、水素と反応して硫化物にする水素添加脱硫触媒と、発生した硫化物を吸着する吸着剤とが充填されていることが好ましい。
【００１９】
本発明の改質装置の前記脱硫部は、原燃料中の硫黄分を、水素と反応して硫化物にする水素添加脱硫触媒と、発生した硫化物を吸着する吸着剤と、燃料中の硫黄分を吸着して硫黄分を除去する吸着剤とが充填されていることが好ましい。
【００２０】
本発明の改質装置においては、前記脱硫部の出口側の流路が、切替機構を介して、前記燃焼器に連通する燃焼ガス導入口と、前記改質反応部及び／又は前記蒸発部に連通する脱硫原燃料導入口とに接続され、前記切替機構は、改質装置の起動から所定時間経過するまでは、前記脱硫部の出口側の流路を前記燃焼ガス導入口に連通させ、前記脱硫部の温度が所定温度に達した後、前記脱硫部の出口側の流路を前記脱硫原燃料導入口に連通させるように構成されていることが好ましい。これによれば、改質装置が起動し始めて、改質反応部や脱硫部が所定温度に加熱保持されていないときには、原燃料の脱硫は不十分であるので、切替機構によって、脱硫部の出口側の流路を燃焼ガス導入口に連通させて、脱硫部を通過した原燃料ガスを燃焼ガス導入口から導入して、燃焼器のバーナの加熱用燃料とする。これにより改質反応部や脱硫部を所定温度までスムーズに加熱させることできるとともに、脱硫が不十分な原燃料ガスが改質反応部に流入することを防止して運転することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の改質装置によれば、内側に燃焼器のバーナが配置された筒体を有していると共に、燃焼排ガスの流路をなす筒状空間の内側の、筒体内側に脱硫部が配置されているので、脱硫部は、燃焼排ガス、又は、同燃焼排ガス及び前記燃焼器によって加熱されて、脱硫部を所定温度で確実に加熱保持することができ、更には、燃焼排ガスからの熱が外部に逃げにくく、効率よく伝熱させることができる。また、燃焼排ガスの流路内側の筒体内側に、脱硫部が配置されていることにより、脱硫器を加熱する部分を別途設ける必要がなく、改質装置の構造を比較的簡単にすることができると共に、脱硫器が配置された筒体の大型化が防止されて、改質装置全体を比較的コンパクトにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の改質装置の一実施形態について説明する。図１には、本発明の改質装置の第１の実施形態の実施概略構成図が示されている。
【００２３】
図１に示すように、この改質装置１は、径の異なる複数の筒体が同心状に配置されて、隣り合う各筒体によって複数の筒状空間が形成された、多重筒体を有している。具体的には、この改質装置１は、中心軸Ｃに沿って配置された筒状の燃焼器１０と、前記燃焼器１０の外側に同心状に配置された内筒２０と、該内筒２０の外側に同心状に配置された外筒３０とを有している。なお、この実施形態においては、前記燃焼器１０が本発明における、内側に燃焼器のバーナが配置された筒体を意味しており、内筒２０及び外筒３０が本発明における、他の筒体を意味している。
【００２４】
まず、燃焼器１０について説明すると、この燃焼器１０は、燃焼空気筒１１とその下方に配設された燃焼筒１２とが、一体に形成されて筒状をなしている。また、燃焼空気筒１１と燃焼筒１２との間には、中央に孔を設けた仕切板１３が配設されている。更に、燃焼空気筒１１の内側には、筒状の燃焼空気筒内筒１５が同心状に配設されている。
【００２５】
この燃焼空気筒内筒１５内周の中心軸Ｃ上には、例えばパイプ状の管が配設され、これによりバーナ燃料供給路１６が形成されており、その上流側はバーナ燃料供給口１６ａ（本発明における燃焼ガス導入口）をなし、その下端側には燃焼空気筒内筒１５の底面を貫通して、下向きに火炎を形成するバーナ１４が配設されている。
【００２６】
前記バーナ１４の燃焼空気筒内筒１５より突出した部分の外周には、複数の通孔を有し下方に向かって次第に拡径した台形筒状のバーナカップ１４ａが配設されている。また、燃焼空気筒１１と燃焼空気筒内筒１５との間の筒状空間は、燃焼空気供給路１７（本発明における燃焼用空気の流路）をなし、この燃焼空気供給路１７の下流側は、バーナカップ１４ａの通孔に連通している。更に、前記燃焼空気筒１１の上端部外周には、燃焼空気供給路１７に連通した燃焼空気供給口１７ａが設けられている。
【００２７】
上記燃焼器１０の外側には、燃焼器１０よりも径が大きな有底円筒状の内筒２０が同心状に配置され、この内筒２０と燃焼器１０との間の筒状空間が、燃焼器１０のバーナ１４により加熱されて、燃焼筒１２の下端開口部から排出される燃焼排ガスの流路となる、燃焼排ガス流路２１をなしている。また、内筒２０の上端部外周には、前記燃焼排ガス流路２１に連通した燃焼排ガス排出口２１ａが設けられている。内筒２０の底板と燃焼筒１２の下端との間は、燃焼排ガス中の水分が凝縮して底部に溜まっても、燃焼排ガスが燃焼筒１２の先端で折り返して燃焼排ガス流路２１に流入する際に、この凝縮水を巻き込んで流路が閉塞しない適度の距離が設けられている。なお、底部に溜まった凝縮水は、燃焼器１０が十分加熱されると、気化して燃焼排ガスとともに外部に排出される。
【００２８】
上述した燃焼器１０の燃焼空気筒１１、燃焼空気筒内筒１５及び内筒２０は、各々の上端付近に形成されたフランジ部２２にガスケットを挟んで重ねたのちボルトで固定されている。
【００２９】
前記内筒２０の外側には、内筒２０よりも径の大きな有底円筒状の外筒３０が、筒状空間を介して同心状に配置されている。そして、内筒２０と外筒３０との間には隔壁３１が設けられ、内筒２０と外筒３０との間が同心円状の２つの筒状空間に区分されていると共に、両筒状空間は外筒３０の底面と隔壁３１下端との間に設けられた間隙Ｓを介して連通している。隔壁３１は、燃焼空気筒１１外周に位置する上部仕切筒３１ａと、これよりも径が大きく燃焼筒１２外周に位置する下部仕切筒３１ｂと、上部仕切筒３１ａの下端部外周からフランジ状に突出し、下部仕切筒３１ｂの上端部内周に連結して、上部仕切筒３１ａ下端と下部仕切筒３１ｂ上端との隙間を閉塞する、環状の水平板３１ｃとからなる。また、上部仕切筒３１ａの上端外周には、その内周の筒状空間に連通した改質原料供給口３１ｄ（本発明の脱硫原燃料導入口）が設けられ、後述する蒸発部３３に改質原料が供給されるようになっている。
【００３０】
内筒２０と上部仕切筒３１ａとの間の筒状空間には、水蒸気改質反応用の水蒸気を発生させる蒸発部３３が配置されている。この蒸発部３３は、前記筒状空間の上部仕切筒３１ａに相対する内筒２０の外壁に螺旋状に配設された吸水性部材３３ａと、該吸水性部材３３ａにより画成された螺旋状のガス通路３３ｂと、更に内筒２０の外壁に螺旋状に溶接されて、前記吸水性部材３３ａの下面側に隣接配置された螺旋状ガイド３３ｃとからなる。
【００３１】
また、内筒２０と下部仕切筒３１ｂとの間の筒状空間には、下端に触媒が落ちないように触媒直径よりも小さく、かつガスが通過する際に過度の圧損とならない程度の径の孔が形成された板底を有しており、その上にルテニウム系やニッケル系等の改質触媒が充填されて改質反応部３５が形成されている。また、下部仕切筒３１ｂと外筒３０との間の筒状空間は、改質反応部３５にて生成された改質ガスの流路となる、改質ガス流路３８をなしている。
【００３２】
改質反応部３５の上部には、アルミナボールを充填したアルミナボール層３７が形成されている。アルミナボール層３７を通過する改質原料ガスは、その内側の燃焼排ガス流路２１を流動する燃焼排ガスと、外側の改質ガス流路３８を流動する改質ガスとからの熱を回収して昇温される。一方、改質ガスは、改質原料ガスとの熱交換により降温される。なお、蒸発部３３から未気化の改質水が流れ込んできた場合は、アルミナボール層３７での熱交換によって蒸発するので、水のまま改質反応部３５に流入することを防止できる。
【００３３】
上部仕切筒３１ａと外筒３０との間の筒状空間には、その上端部近傍に貴金属系触媒等よりなる一酸化炭素除去触媒が充填されたＣＯ除去器４０が配設され、その下方に貴金属系触媒または銅−亜鉛触媒等よりなる一酸化炭素変成触媒が充填されたＣＯ変成器４５が配設されている。ＣＯ変成器４５の下方には、アルミナボールを充填したアルミナボール層４７を介して、ＣＯ変成器入口マニホールド４５ａが設けられており、改質原料ガスと改質ガスとの熱交換によりＣＯ変成器４５の入口温度が一酸化炭素変成反応に適した３００〜３５０℃になるようにしている。
【００３４】
また、ＣＯ除去器４０とＣＯ変成器４５との間は、環状の水平板４３で仕切られており、ＣＯ変成器４５上方のＣＯ変成器出口マニホールド４５ｂに接続されたＣＯ変成ガス排出口４６から導出した一酸化炭素変成後の改質ガスに、図示しない狭い配管内で選択酸化用空気を混合した後、選択酸化空気混合ガス入口４８を介して、ＣＯ除去器４０下方に配設された選択酸化空気混合後マニホールド４０ａに戻すことによって、改質ガスに対し均一に空気を混合するよう構成されている。
【００３５】
ＣＯ除去器４０の上部のＣＯ除去器出口マニホールド４０ｂには、一酸化炭素除去後の改質ガスを改質装置１の外に取り出すための改質ガス排出口４１が接続されている。また、改質装置１の周囲は、改質装置１からの放熱を防ぐために図示しない断熱材で覆われている。
【００３６】
以上、改質装置１の構造について説明したが、本発明の改質装置の特徴としては、燃焼排ガスの流路をなす筒状空間よりも内側に配置された、筒体の更に内側に、原燃料ガスの硫黄分を脱硫する役割をなす脱硫部５０を配設することにより、燃焼排ガスによって脱硫部５０を脱硫に適した温度に加熱する点にある。
【００３７】
この実施形態においては、脱硫部５０は、燃焼空気筒１１の内側に配置された燃焼空気筒内筒１５の、更に内側に配置されている。すなわち、この実施形態の脱硫部５０は、燃焼空気筒１１と燃焼空気筒内筒１５との間に形成された燃焼空気供給路１７を介して、燃焼排ガス流路２１の内側に配置された構造をなしている。また、この脱硫部５０は、円筒状をなしており、前記燃焼空気筒内筒１５の内壁にほぼ隙間なく密接して配設された状態となっている。
【００３８】
脱硫部５０の下端部には、原燃料ガス供給口５１が形成されており、脱硫部５０の内側に形成された原燃料ガス供給路５２により供給される原燃料ガスを、脱硫部５０内へ供給するための導入口をなしている。一方、脱硫部５０の上端部には、脱硫部５０により脱硫処理された原燃料ガス（以下、「脱硫原燃料ガス」という）を排出するための脱硫原燃料ガス排出口５３が形成されており、これに図示しないパイプ管等よりなる脱硫原燃料ガス流路５４が接続されている。なお、原燃料ガス供給路５２が、本発明における原燃料の導入路をなし、脱硫原燃料ガス流路５４が、本発明における脱硫部の出口側の流路をなしている。
【００３９】
上記脱硫部５０は、バーナ１４によって所定温度に加熱された、燃焼排ガスが燃焼排ガス流路２１を流動することにより加熱されて、脱硫に適した温度、例えば、２５０〜３５０℃程度に高められるようになっている。
【００４０】
脱硫部５０としては、特に限定はなく、例えば、（１）原燃料中の硫黄分を吸着して硫黄分を除去する吸着剤（以下、「第二の吸着剤」とする）を充填したもの、（２）原燃料中の硫黄分を、水素と反応して硫化物にする水素添加脱硫触媒と、発生した硫化物を吸着する吸着剤（以下、「第一の吸着剤」とする）とを充填したもの、（３）水素添加脱硫触媒と、第一の吸着剤と、第二の吸着剤とを充填したものが挙げられる。
【００４１】
上記水素添加脱硫触媒は、原燃料中の硫黄分を、水素と反応して硫化物（硫化水素）に転化するための触媒であって、例えば、Ｎｉ−Ｍｏ系やＣｏ−Ｍｏ系の触媒を採用することができる。また、Ｎｉ−Ｍｏ系やＣｏ−Ｍｏ系の触媒は、予め予備硫化して用いることで、原燃料中の硫黄化合物の硫化水素への転化効率が向上する。
【００４２】
上記第一の吸着剤は、水素添加脱硫触媒での反応によって発生した硫化物（硫化水素）を吸着除去するものであって、ＺｎＯなどが好ましく採用することができる。
【００４３】
上記第二の吸着剤は、燃料中の硫黄分を吸着して硫黄分を除去するものであって、Ｃｕ−Ｚｎ系やＣｕ−Ｚｎ−Ａｌ系のものを採用することができる。
【００４４】
また、燃焼排ガス流路２１の内側に配置された脱硫部５０とは別の、もう一つの脱硫部を、ＣＯ除去器４０及び／又はＣＯ変成器４５の外周に隣接して配置してもよく、これによれば、２つの脱硫部５０により、原燃料ガスの脱硫効果をより向上させることができる。
【００４５】
ところで、脱硫部５０の脱硫原料ガス排出口５３に接続された脱硫原燃料ガス流路５４は、前述した蒸発部３３の改質原料供給口３１ｄに接続されて、蒸発部３３に改質原料ガス（脱硫原燃料ガス＋改質水）が送り込まれるようになっているが、この実施形態においては、脱硫原燃料ガス流路５４がバーナ燃料供給口１６ａにも接続されるようになっている。すなわち、図１に示すように、バルブ等を備え複数の流路を制御可能とされた切替機構６０に、脱硫原燃料ガス流路５４が接続されていると共に、同切替機構６０に、バーナ燃料供給口１６ａに連通するラインと、改質原料供給口３１ｄに連通するラインとが接続されている。また、図示しない燃料電池からの電池オフガスが流動するラインも接続されている。
【００４６】
そして、前記切替機構６０は、改質装置１の起動から所定時間経過して、脱硫部５０が所定温度となって原燃料ガスの脱硫処理が可能となるまでは、脱硫原燃料ガス流路５４をバーナ燃料供給口１６ａに連通させて、脱硫原燃料ガスをバーナ１４燃焼用として使用する一方、脱硫部５０の温度が所定温度に達した後は、改質原料供給口３１ｄに連通するように切り替えて、蒸発部３３内に脱硫原燃料ガスを送り込むように構成されている。
【００４７】
次に、この改質装置を作動した場合の各流体の流れについて、燃料電池と組み合わせて運転する場合を例に説明する。なお、図１中の矢印は、各流体の通流方向を示す。
【００４８】
通常運転時は、図示しない燃料電池での反応に利用されずに排出された電池オフガスが、切替機構６０を介して、バーナ燃料としてバーナ燃料供給路１６に供給され、バーナ燃焼用の空気が、燃焼空気供給口１７ａから燃焼空気供給路１７に供給される。そして、各々鉛直方向下向きに流れて、バーナ１４により下向きに火炎が形成される。そして、高温の燃焼排ガスは、燃焼筒１２の下端開口部から排出されて、燃焼排ガス流路２１を下方から上方に向かって流動して、燃焼排ガス排出口２１ａから外部へ排出される。
【００４９】
このとき、この改質装置１では、燃焼排ガス流路２１の内側に脱硫部５０が配置されているので、燃焼排ガス流路２１を流動する高温の燃焼排ガスによって、脱硫部５０は加熱される。また、この実施形態においては、燃焼器１０のバーナ１４が、脱硫部５０の下端部に近接した位置に配設されているので、このバーナ１４により形成される火炎によっても、脱硫部５０は加熱されることとなる。その結果、脱硫部５０は、燃焼排ガス及び燃焼器１０のバーナ１４によって加熱されることとなり、脱硫部５０を、脱硫に適した温度（例えば、２５０〜３５０℃）に、確実に加熱保持することができる。
【００５０】
更に、この脱硫部５０は、燃焼排ガス流路２１の内側に配置された、燃焼空気筒１１の更に内側の燃焼空気筒内筒１５内周に配置されているので、燃焼排ガスからの熱が外部に逃げにくく、効率よく伝熱させることができる。
【００５１】
以上説明したように、この改質装置１は、燃焼排ガス流路２１の内側に脱硫部５０が配置されていることにより、脱硫部５０を加熱する温度制御装置などを別途設ける必要がなく、改質装置１の構造を比較的簡単にすることができると共に、脱硫部５０が配置された燃焼空気筒内筒１５及びそれを収容した燃焼空気筒１１等、改質装置１を構成する複数の筒体の大型化を防止して、改質装置全体を比較的コンパクトにすることができる。
【００５２】
なお、燃焼排ガス流路２１を流れる燃焼排ガスは、脱硫部５０に作用させる温度としては高温であるが、この実施形態では、燃焼排ガス流路２１を挟んで、その内側に脱硫部５０を設けると共に、外側に蒸発部３３を設けるように構成されているので、蒸発部３３を流通する改質原料によって燃焼排ガスが適宜熱交換されて、所定温度まで冷却されるので、脱硫部５０が過熱されることを防止できるようになっている。
【００５３】
更に、この実施形態においては、バーナ１４に燃焼用空気を供給する燃焼空気供給路１７が形成された燃焼空気筒１１の内側に、脱硫部５０が配置されているので、燃焼排ガス流路２１と脱硫部５０との間に燃焼空気供給路１７が介在し、その結果、燃焼排ガスによって脱硫部５０が加熱されるときに、燃焼空気供給路１７が断熱層として作用するので、脱硫部５０が過熱されることを防止することができる。
【００５４】
そして、上記のように、脱硫部５０により脱硫原燃料ガスと、外部から供給される改質水とが、改質原料供給口３１ｄから蒸発部３３に導入されて、それらが上方から下方へ流れる。改質水は、吸水性部材３３ａに滲み込むと共に、螺旋状ガイド３３ｃにガイドされつつ流動し、内筒２０の内壁面に沿って流れる燃焼排ガスと、上部仕切筒３１ａの外壁面に沿って流れる改質ガスとの熱交換によって加熱されて蒸発して水蒸気とされて、改質反応部３５へ送られる。一方、脱硫原燃料ガスは、ガス通路３３ｂを通って、改質反応部３５へ送られる。
【００５５】
改質反応部３５では、内側を流れる燃焼排ガスにより４００℃〜６５０℃程度に加熱され、脱硫原燃料ガスが水蒸気改質されて、水素を含む改質ガスが生成される。そして、改質反応部３５にて生成された改質ガスは、下部仕切筒３１ｂの下端で折り返して流れの方向を変え、改質ガス流路３８を上昇しながら内側に隣接する改質反応部３５に熱を与え、３００℃〜３５０℃程度となってＣＯ変成器４５へ導入される。
【００５６】
ＣＯ変成器４５での反応は発熱反応であり、この反応熱が内側の蒸発部３３を流れる改質原料に与えられ、改質ガスは２００℃程度となってＣＯ変成器４５から排出される。
【００５７】
ＣＯ変成器４５を通過した改質ガスは、選択酸化用空気と混合されて、１５０℃〜１００℃程度となってＣＯ除去器４０に導入されるが、ここでも改質ガスの熱は蒸発部３３へ伝えられ、ＣＯ除去器４０から排出される改質ガスの温度は１００℃程度まで低下する。
【００５８】
また、前述したように、この実施形態における改質装置１には、複数の流路を選択可能な切替機構６０を備えている。
【００５９】
この切替機構６０は、改質装置１の起動から所定時間経過するまで、すなわち、改質装置１を起動し始めて、脱硫部５０が脱硫に適した温度にまで加熱されていないときには、脱硫原燃料ガス流路５４をバーナ燃料供給口１６ａに連通さて脱硫が不十分な原燃料ガスをバーナ１４の加熱用ガスとして供給させ、脱硫部５０の温度が所定温度に達した後、すなわち、脱硫部５０が十分に加熱されて、原燃料ガスが脱硫部５０で脱硫処理がなされるようになったら、脱硫原燃料ガス流路５４を改質原料供給口３１ｄに連通して、蒸発部３３内に脱硫原燃料ガスを送り込むことができるように切り替え制御がなされている。
【００６０】
このように、脱硫部５０の温度に応じて、脱硫器５０を通過した原燃料（脱硫原燃料ガス）を、バーナ燃料供給口１６ａ又は改質原料供給口３１ｄに送り込むように構成されているので、脱硫が不十分な原燃料の改質反応部３５への流入を防止できると共に、原燃料が効率良く用いられて、改質装置１の改質ガス製造の生産性を向上させることができる。
【００６１】
図２には、本発明の改質装置の第２の実施形態が示されている。なお、前記実施形態と実質的に同一部分には同符合を付して、その説明を省略する。
【００６２】
この実施形態の改質装置１ａは、内筒２０の内側に、同一軸上（中心軸Ｃ）にバーナ１４が配置された燃焼筒１２と、脱硫部５０が内側に配置された脱硫筒６５とが、燃焼筒１２を下方にし脱硫筒６５を上方にして軸方向に配置されており、更に燃焼筒１２と脱硫筒６５との間には、断熱層６７が配設された構造をなしている。
【００６３】
また、バーナ燃料供給路１６は、多重筒体の底面よりも下方側に配置され、バーナ１４は、有底円筒状の外筒３０の底面を貫通して配設されており、上向きに火炎が形成されるようになっている。バーナ１４の外周には、上方に向かって次第に拡径する台形筒状のバーナカップ１４ａが装着されている。更に、有底円筒状の内筒２０の底面には火炎を噴出させる孔が設けられており、それにより下端部が開口した燃焼筒１２内の空気が加熱されて、燃焼排ガスが、燃焼筒１２内にて下方から上方に流れ、更に燃焼筒１２内周に沿って再び下方に流れて、燃焼排ガス流路２１に流入し、燃焼排ガス排出口２１ａから排出されるようになっている。
【００６４】
また、内筒２０と外筒３０との間には、隔壁３２が配置されている。下部仕切筒３１ｂと隔壁３２との間における環状空間は、改質ガス流路３８をなしており、上部仕切筒３１ａと隔壁３２との間における環状空間に、アルミナボール層４７とＣＯ変成器４５とが配設されている。また、外筒３０と、隔壁３２との間における筒状空間は、燃焼空気を送り込む燃料空気供給路１７をなしている。更に、脱硫部５０は、その中心にパイプ状の原燃料ガス供給路５２が形成された、肉厚の円筒状をなしている。なお、この実施形態における燃焼器は、前記燃焼筒１２と、燃焼空気流路１７とより構成されている。
【００６５】
この実施形態によれば、燃焼筒１２と脱硫筒６５との間に断熱層６７が配設されているので、燃焼排ガスによる脱硫部５０の加熱時に、脱硫部５０が過度に加熱されることを防止することができる。また、脱硫部５０を、バーナ燃料供給路１６が形成されていない脱硫筒６５の内側に配置したので、脱硫部５０の体積を大きく確保することができ、脱硫効率を向上させることができる。
【００６６】
図３には、本発明の改質装置の第３の実施形態が示されている。なお、前記実施形態と実質的に同一部分には同符合を付して、その説明を省略する。
【００６７】
この実施形態の改質装置１ｂは、前記第の実施形態の改質装置１ａと基本的には、同様の構造をなしている。相違点としては、この改質装置１ｂにおける脱硫筒６５の内周に配置された脱硫部５０を、脱硫筒６５の内周に対して所定隙間を介して配設した点にある。それによって、脱硫筒６５と脱硫部５０との間の隙間が、脱硫部５０に原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給路５２となっており、脱硫部５０の外周を原燃料ガスが流れて、その下方の原燃料ガス供給口５１から脱硫部５０内へ導入されるようになっている。また、脱硫部５０は円柱状をなしており、その上端に形成された脱硫原燃料ガス排出口５３に、パイプ状の脱硫原燃料ガス流路５４が接続されている。
【００６８】
この実施形態によれば、前記第２の実施形態と同様に、燃焼筒１２と脱硫筒６５との間に断熱層６７が配設されているので、燃焼排ガスによる脱硫部５０の過度の加熱を防止できる。また、脱硫部５０が円柱状をなして脱硫筒６５の内側に配設されているので、前記第２の実施形態よりも更に脱硫部５０の体積を大きく確保することができ、脱硫効率をより向上させる。そして、脱硫部５０に導入する原燃料は、燃焼排ガスとの熱交換により予熱されるので、脱硫部５０の温度低下を防止でき、所定温度に加熱保温しやすい。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の改質装置の第１の実施形態の概略構成図である。
【図２】本発明の改質装置の第２の実施形態の概略構成図である。
【図３】本発明の改質装置の第３の実施形態の概略構成図である。
【符号の説明】
【００７０】
１，１ａ，１ｂ：改質装置
１０：燃焼器
１１：燃焼空気筒
１２：燃焼筒
１３：仕切板
１４：バーナ
１４ａ：バーナカップ
１５：燃焼空気筒内筒
１６：バーナ燃料供給路
１６ａ：バーナ燃料供給口
１７：燃焼空気供給路
１７ａ：燃焼空気供給口
２０：内筒
２１：燃焼排ガス流路
２１ａ：燃焼排ガス排出口
２２：フランジ部
３０：外筒
３１：隔壁
３１ａ：上部仕切筒
３１ｂ：下部仕切筒
３１ｃ：水平板
３１ｄ：改質原料供給口
３２：隔壁
３３：蒸発部
３３ａ：吸水性部材
３３ｂ：ガス通路
３３ｃ：螺旋状ガイド
３５：改質反応部
３７：アルミナボール層
３８：改質ガス流路
４０：ＣＯ除去器
４０ａ：選択酸化空気混合後マニホールド
４０ｂ：ＣＯ除去器出口マニホールド
４１：改質ガス排出口
４３：水平板
４５：ＣＯ変成器
４５ａ：ＣＯ変成器入口マニホールド
４５ｂ：ＣＯ変成器出口マニホールド
４６：ＣＯ変成ガス排出口
４７：アルミナボール層
４８：選択酸化空気混合ガス入口
５０：脱硫部
５１：原燃料ガス供給口
５２：原燃料ガス供給路
５３：脱硫原燃料ガス排出口
５４：脱硫原燃料ガス流路
６０：切替機構
６５：脱硫筒
６７：断熱層
【図１】
2009078954.tif 000003
【図２】
2009078954.tif 000004
【図３】
2009078954.tif 000005