燃料電池用改質装置
【課題】脱硫部を有する燃料電池用改質装置の構成を簡易にすることができる。
【解決手段】原燃料を水素リッチな改質ガスに改質する燃料電池用改質装置において、改質部１２は、原燃料から改質ガスを生成する。改質反応筒１８は、改質部１２とシフト変成部と選択酸化部１６とをこの順番に直線状に収納するとともに、更に脱硫部１６０を収納する。燃焼手段は、原燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する。水蒸気供給路４２は、改質部１２に水蒸気を供給するために燃焼排ガスによる加熱により水が気化される。原燃料供給路４０は、改質反応筒１８の内部を通過するとともに脱硫部１６０が途中に接続されており、改質部１２に昇温された原燃料を供給するために燃焼排ガスによる加熱により原燃料が昇温される。脱硫部１６０は、水素との反応で原燃料から硫黄を除去する水添脱硫触媒を有する。
【解決手段】原燃料を水素リッチな改質ガスに改質する燃料電池用改質装置において、改質部１２は、原燃料から改質ガスを生成する。改質反応筒１８は、改質部１２とシフト変成部と選択酸化部１６とをこの順番に直線状に収納するとともに、更に脱硫部１６０を収納する。燃焼手段は、原燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する。水蒸気供給路４２は、改質部１２に水蒸気を供給するために燃焼排ガスによる加熱により水が気化される。原燃料供給路４０は、改質反応筒１８の内部を通過するとともに脱硫部１６０が途中に接続されており、改質部１２に昇温された原燃料を供給するために燃焼排ガスによる加熱により原燃料が昇温される。脱硫部１６０は、水素との反応で原燃料から硫黄を除去する水添脱硫触媒を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原燃料を、燃料電池システムにおいて使用される改質ガスに改質する燃料電池用改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、水素が有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を発生する。実用的には、固体高分子形燃料電池の燃料となる水素は、比較的容易かつ安価に入手可能な天然ガス、ナフサ等の炭化水素系ガスまたはメタノール等のアルコール類の原燃料ガスと水蒸気とを混合して、改質器で改質することで得ている。改質により得られた水素ガスは燃料電池の燃料極に供給され、発電に用いられる。
【０００３】
一般に、改質器は、水蒸気による原燃料ガスの改質反応に必要な熱を供給するためのバーナを備える。バーナで燃料を燃焼させて生じた燃焼ガスを、燃焼筒から改質反応部の近傍に設けられた経路に導くことにより、燃焼ガスの熱エネルギーが改質反応に利用される（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
また、原燃料ガスとして用いられる都市ガスやプロパンガスは、ガス漏れを感知しやすいように付臭剤として有機硫黄成分が添加されている。有機硫黄成分を含んだ都市ガスやプロパンガス等がそのまま改質器に供給されると、改質器の触媒に有機硫黄成分が付着し、硫黄被毒により改質器の改質性能が低下することになる。そのため、脱硫器を備えた改質装置が考案されている（例えば、特許文献３、４参照）
【特許文献１】特開２００７−１５９１１号公報
【特許文献２】特表２００３−７８３１１号公報
【特許文献３】特開２００３−１２３０２号公報
【特許文献４】特開２００２−３５６３０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、２記載の改質器は、バーナで燃料を燃焼して発生した燃焼排ガスを改質部の内側に流すことで、燃焼排ガスの熱エネルギーを高温の水蒸気の生成や改質部の昇温に用いているため、改質部を燃焼排ガス流路の外側に配置しなければならない。また、改質部により生成された改質ガスに含まれている一酸化炭素を低減するための一酸化炭素変成部や一酸化炭素除去部が、改質部を備えている流路の更に外側に配置されているため、流路が複雑となっている。その結果、改質部の径が大径化してしまうとともに、改質装置全体の複雑化、大型化を招く一因となっている。
【０００６】
また、特許文献３、４記載の改質器は、硫黄などの不純物を含む原燃料を触媒の存在下で水素と反応させて硫黄成分を除去する、いわゆる水素化脱硫方式（水添脱硫方式ともいう）の脱硫装置である。そのため、何らかの方法によって脱硫装置に水素を供給する必要がある。
【０００７】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、脱硫部を有する簡易な構成の燃料電池用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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の燃料電池用改質装置は、原燃料を水素リッチな改質ガスに改質する燃料電池用改質装置であって、原燃料から改質ガスを生成する改質部と、改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減するシフト変成部と、シフト変成部を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化して低減する選択酸化部と、改質部とシフト変成部と選択酸化部とをこの順番に直線状に収納するとともに、更に脱硫部を収納する改質反応筒と、原燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼手段と、改質反応筒の外周に配置され、該改質反応筒より径が大きい外筒と、改質反応筒と外筒との間に形成され、改質反応筒を加熱するために燃焼排ガスが通過する加熱流路と、改質部に水蒸気を供給するために燃焼排ガスによる加熱により水が気化される水蒸気供給路と、改質反応筒の内部を通過するとともに脱硫部が途中に接続されており、改質部に昇温された原燃料を供給するために燃焼排ガスによる加熱により原燃料が昇温される原燃料供給路と、原燃料供給路の途中に接続されている脱硫部より上流側に接続され、改質部で生成された改質ガスの一部を脱硫部に戻す改質ガス戻り流路と、を備える。脱硫部は、水素との反応で原燃料から硫黄を除去する水添脱硫触媒を有する。
【０００９】
この態様によると、脱硫に必要な水素を改質ガスから得ることができるので、簡易な構成で脱硫部を有する燃料電池用改質装置を実現することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、脱硫部を有する燃料電池用改質装置の構成を簡易にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、説明の都合上、図の上下左右と対応させて各部材間の位置関係を説明するが、あくまでも相対的な位置関係でありこれに限定されるものではない。例えば、上下を反転した態様にすることも可能である。
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０の構成を示す断面図である。燃料電池用改質装置１０は、原燃料であるメタンやプロパン、ブタン等を水蒸気改質により水素リッチな改質ガスを生成する。
【００１３】
燃料電池用改質装置１０は、原燃料から改質ガスを生成する改質部１２と、改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減するシフト変成部１４と、シフト変成部１４を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化反応により選択酸化し低減する選択酸化部１６と、改質部１２とシフト変成部１４と選択酸化部１６とをこの順番に直線状に収納するとともに、更に脱硫部１６０を収納する改質反応筒１８と、原燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼手段としてのバーナ２０と、改質反応筒１８の外周に同軸に配置され、改質反応筒１８より径が大きい外筒２２と、を備える。外筒２２の周囲は、複数の配管が外部と連通している箇所を除いて断熱材２４で覆われている。
【００１４】
バーナ２０は、空気取入口２６から取り入れた空気と燃料取入口２８から取り入れた原燃料オフガスとを混合して燃焼させる。バーナ２０で原燃料ガスが燃焼することによって、１２００〜１３００℃の高温の燃焼排ガスが発生する。バーナ２０は、改質反応筒１８の改質部１２側の端部に形成された燃焼室３０に配置されているとともに、外筒２２の下部に固定されている。これにより、バーナ２０で生成された燃焼排ガスの熱をすぐに改質部１２における改質反応に用いることができるので、熱効率を向上することができる。
【００１５】
改質反応筒１８と外筒２２との間には、改質反応筒１８を加熱するために前述の燃焼排ガスが通過する加熱流路３２が形成されている。
【００１６】
改質部１２は、改質反応筒１８の底部に設けられている改質反応筒１８より外径の小さいケース３４と、ケース３４の下方に収納された、ニッケルやルテニウム等の金属粒子をアルミナに担持した改質触媒を含む触媒層３６とを有する。ケース３４の上面には、原燃料と水蒸気とが混合された状態で流入する開口部３８が形成されている。また、ケース３４は、触媒層３６の側面から改質ガスが通過できるように、側面に通気口が設けられている。
【００１７】
原燃料は、改質反応筒１８、外筒２２、断熱材２４とを貫通する原燃料供給路４０を経由して燃料電池用改質装置１０の外部から改質部１２の触媒層３６に供給される。この際、原燃料は、加熱流路３２を流れる燃料排ガスや改質反応筒１８の内部の改質ガスにより昇温させられるとともに、改質ガスの温度を低下させる。
【００１８】
また、原燃料供給路４０は、改質反応筒１８の内部を通過するとともに脱硫部１６０が途中に接続されている。脱硫部１６０は、硫黄などの不純物を含む原燃料を触媒の存在下で水素と反応させて硫黄成分を除去する、いわゆる水素化脱硫方式（水添脱硫方式ともいう）の装置である。原燃料供給路４０には、燃料電池で使用されなかった水素リッチなガスや改質ガスの一部を脱硫部１６０に戻すための不図示の改質ガス戻り流路（後述）が脱硫部１６０の上流側に接続されている。
【００１９】
脱硫部１６０は、供給される原燃料ガスと、通常その原燃料ガスの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る。この水添・吸着脱硫反応（ＲＣＨ２ＳＨ＋Ｈ２→ＲＣＨ３＋Ｈ２Ｓ ＺｎＯ＋Ｈ２Ｓ→ＺｎＳ＋Ｈ２Ｏ）によって、原燃料ガスは、含まれる硫黄成分の濃度が２０〜５０ｐｐｂ程度まで脱硫される。
【００２０】
また、有機硫黄のうちＲＳＨやＣＯＳは、条件（例えば、２５０〜４００℃）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またはＮｉ−Ｍｏ系の水添脱硫触媒上で一度Ｈ２Ｓに変化した後にＺｎＯで吸着されるのが普通である。触媒としては、例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒、Ｎｉ−Ｚｎ系の触媒等を、その動作温度やコスト等を考慮して適宜選択してもよい。本実施の形態に係る脱硫部１６０における脱硫反応温度は３５０℃〜４００℃である。
【００２１】
また、改質部１２における改質反応に必要な水蒸気は、水蒸気供給路４２を経由して燃料電池用改質装置１０の外部から供給された改質水から生成される。外部から供給された液体である改質水は、燃焼排ガスや改質反応筒１８の内部で昇温されている改質ガスにより気化され、水蒸気として触媒層３６に供給されるとともに、シフト変成部１４や選択酸化部１６の温度を低下させる。
【００２２】
本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０において、原燃料供給路４０は、水蒸気供給路４２と、水蒸気供給路４２において通過する水が気化される箇所より下流側の合流部４４で合流している。換言すると、原燃料供給路４０と水蒸気供給路４２とは、脱硫部１６０の下流側で合流している。これにより、水蒸気供給路４２を通過する水や水蒸気が脱硫部１６０に混入することが防止され、脱硫部１６０の脱硫性能の低下が抑制される。水蒸気供給路４２は、外筒２２および改質反応筒１８の内部において、その一部が螺旋状に巻かれたコイル形状を有しており、表面積が増すことで水が気化し易くなっているため、合流部４４より上流側の少なくともコイルの下端では水蒸気が生成されている。
【００２３】
本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０のように、燃焼排ガスの加熱による原燃料の昇温と水の気化とが別々の原燃料供給路４０および水蒸気供給路４２で行われた後に原燃料と水蒸気とが合流することで、各供給路における原燃料の昇温や水の気化による水蒸気の供給の制御が容易となる。
【００２４】
シフト変成部１４は、例えば、酸化銅や酸化亜鉛のペレットからなる触媒層４６と、触媒層４６を担持するとともに下方から上方へ改質ガスが透過するように孔が形成されている仕切り板４８とを有する。シフト変成部１４は、触媒層４６の働きにより改質ガスに含まれる水蒸気を用いたシフト反応により一酸化炭素を低減することができる。
【００２５】
選択酸化部１６は、例えば、アルミナで担持した一酸化炭素選択酸化触媒からなる触媒層５０と、触媒層５０を担持するとともに下方から上方へ改質ガスが透過するように孔が形成されている仕切り板５２とを有する。選択酸化部１６では、触媒層５０の働きにより酸素で一酸化炭素を酸化し二酸化炭素にすることで、一酸化炭素の濃度が更に低減される。
【００２６】
シフト変成部１４の下流側、かつ、選択酸化部１６の上流側の領域には、選択酸化部１６で消費される酸素を供給するために、燃料電池用改質装置１０の外部と連通している空気供給路５４の先端部５６が配置されている。これにより、先端部５６から流入する空気は、シフト変成部１４で一酸化炭素が低減された改質ガスとともに上昇し、選択酸化部１６における反応に寄与する。
【００２７】
選択酸化部１６の上方の、改質反応筒１８の上面には、開口部５８が形成されている。開口部５８には、一酸化炭素が十分低減された改質ガスを不図示の燃料電池の燃料極へ送出する改質ガス送出管６０が接続されている。
【００２８】
次に、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０の動作について説明する。バーナ２０で生成された燃焼排ガスは、改質反応筒１８の下面を加熱した後に加熱流路３２を上昇しながら改質反応筒１８を側面から加熱する。この際、触媒層３６は、改質反応筒１８を介して改質反応に必要な温度、例えば、６００〜７００℃の範囲に加熱される。また、水蒸気供給路４２は、直接的または改質反応筒１８を介して間接的に燃料排ガスにより加熱され、内部を通る改質水が気化される。一方、燃料排ガスは、加熱流路３２を上昇するに従い水蒸気供給路４２により冷却され徐々に温度が低下する。なお、加熱流路３２を通過した燃焼排ガスは、外筒２２の上部に形成された排出口６２から外部へ排出される。
【００２９】
水蒸気供給路４２で気化された水蒸気と原燃料供給路４０で昇温された原燃料とは合流部４４で混合され、ケース３４の内部を下方に送り出される。水蒸気を含む原燃料ガスは、触媒層３６の内部を通過する際に燃焼排ガスの熱により徐々に加熱され、改質反応により水素リッチな改質ガスに変化する。
【００３０】
原燃料ガスを改質することにより得られた改質ガスは、供給される原燃料ガスの流れによって改質反応筒１８の内部を上昇し、シフト変成部１４に到達する。ここで、改質部１２における改質反応は吸熱反応であるため、水蒸気供給路４２の熱回収により温度が低下した改質ガスがシフト変成部１４に到達することになる。シフト変成部１４におけるシフト反応は、例えば、２００〜３００℃の範囲で行われ、水蒸気供給路４２の熱回収で熱バランスをとっているので、特段の温度制御をしなくても適度な温度を維持することが可能である。これにより、改質ガスはシフト変成部１４において一酸化炭素が低減される。
【００３１】
なお、シフト変成部１４における温度が適温とならない装置の場合、バーナ２０での原燃料の燃料量を調整したり、シフト変成部１４近傍の水蒸気供給路４２のコイルの巻き数を増減させたりすることで調整可能である。
【００３２】
シフト変成部１４で一酸化炭素が低減された改質ガスは更に、供給される原燃料ガスの流れによって改質反応筒１８の内部を整流板６４に流れを規制されながら上昇し、選択酸化部１６に到達する。その際、空気供給路５４から供給された空気も改質反応筒１８内を上昇し、選択酸化部１６に到達する。
【００３３】
選択酸化部１６は、水蒸気供給路４２の流入口６６近傍に配置されているため、改質ガスの温度は改質水による冷却によりシフト変成部１４における改質ガスの温度より低温となっている。選択酸化部１６における選択酸化反応は、シフト変成部１４におけるシフト反応より低温な、例えば、７０〜２００℃の範囲で行われ、水蒸気供給路４２の熱回収で熱バランスをとっているので、特段の温度制御をしなくても改質ガスを適度な温度に維持することが可能である。これにより、改質ガスは選択酸化部１６において更に一酸化炭素が低減される。
【００３４】
上述のように、燃料電池用改質装置１０は、改質部１２とシフト変成部１４と選択酸化部１６とがこの順番に一つの改質反応筒１８に収納されているとともに、更に脱硫部１６０も収納されているため、複雑な形状の流路を形成することなく、改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減するとともに、硫黄成分も除去することができる。しかも、脱硫部を装置の外部に設ける場合と比較して、改質反応筒の内部に脱硫器を備えることで装置全体をコンパクトにすることができる。また、改質反応筒１８と外筒２２との間の加熱流路３２を燃焼排ガスが通過するので、改質反応筒１８の内部の改質部１２における改質反応に必要な熱を供給することができ、ヒータ等の加熱手段が不要となる。また、改質反応筒１８と外筒２２との間を加熱流路３２とすることで、折り返しや多くの筒を要する流路を必要とせずに簡素な構成で燃料電池用改質装置１０を実現することができる。
【００３５】
換言すると、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０においては、折り返しや多くの筒を要する流路が設けられていないため、部品点数の低減や製造工程の簡素化によりコストが低減される。また、外筒２２の外周部を断熱材２４で覆うことで装置全体の断熱性を容易に確保することができるので、断熱材２４を装着する際の工程を簡素化することができる。
【００３６】
また、加熱流路３２は、燃焼排ガスが改質部１２側から選択酸化部１６側に向かって通過するように形成されているので、燃焼排ガスは、改質反応筒１８や水蒸気供給路４２と熱交換をしながら徐々に温度が低下する。そのため、燃焼排ガスは、反応温度が高い改質部から反応温度の低い選択酸化部へと適度に温度が低下しながら加熱流路３２の内部を通過することになる。そのため、流路の折り返しや新たな加熱手段を設けずに加熱流路３２を直線的に形成することが可能となる。
【００３７】
また、燃料電池用改質装置１０は、改質反応筒１８と外筒２２との間の加熱流路３２を燃焼排ガスが通過することで脱硫部１６０における脱硫反応に必要な熱が供給されるので、脱硫部１６０を装置の外部に設けた場合と比較してヒータ等の加熱手段が不要となり、装置全体の熱効率が向上する。また、脱硫部１６０を装置の外部に設ける場合と比較して、原燃料供給路４０の流路を短くすることができる。
【００３８】
また、図１に示すように、脱硫部１６０は、改質部１２とシフト変成部１４との間に設けられている。これにより、改質部１２を加熱した燃焼排ガスや、改質ガスにより脱硫反応に必要な熱が供給される。そのため、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０は、装置の動作時における定常温度まで脱硫部を効率よく昇温することができる。
【００３９】
（第２の実施の形態）
図２は、第２の実施の形態に係る燃料電池用改質装置１１０の構成を示す断面図である。本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１１０は、脱硫部１６２が、改質反応筒１８の軸方向の位置がシフト変成部１６４と重なる位置に配置されている。これにより、改質反応筒１８の縦方向がコンパクトになり、燃料電池用改質装置１１０を小型化することができる。また、シフト変成部１６４は、環状に形成されており、脱硫部１６２は、シフト変成部１６４の内周部に設けられている。これにより、燃料電池用改質装置１１０は、起動時にシフト変成部１６４の温度を効率よく昇温することができる。
【００４０】
また、本実施の形態に係る脱硫部１６２は、脱硫反応温度が２００℃〜３００℃程度になるように設定されているとよい。一般的に、シフト変成部１６４におけるシフト反応温度は２００℃〜３００℃程度となっている。また、脱硫部１６２における硫黄成分は数ｐｐｍ程度であるため、脱硫反応による発熱も僅かである。そのため、シフト反応により発熱する触媒層４６を水で冷却しながら熱バランスをとっているシフト変成部１６４と脱硫部１６２とが接するよう構成することで、脱硫部１６２をシフト反応温度と同程度の２００℃〜３００℃の温度に維持することが容易となる。
【００４１】
（第３の実施の形態）
以下では、第１の実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０を用いた燃料電池システムにおける改質ガスや水、空気等の流れについて説明する。図３は、第３の実施の形態に係る燃料電池システム３００の概略構成を模式的に示した構成図である。なお、以下の説明では、主として、改質部で生成された改質ガスの一部を脱硫部に戻す改質ガス戻り流路について説明し、図３に記載の要素のうち第１の実施の形態で説明した各要素については同じ符号を付して説明を適宜省略する。
【００４２】
燃料電池システム３００は、燃料電池用改質装置１０と燃料電池２００とを備える。燃料電池２００は、燃料極２０２と空気極２０４とを備えており、燃料極２０２には改質ガス送出管６０を経由して改質ガスが供給され、空気極２０４にはエアポンプにより空気が供給される。改質ガス中の水素ガスと空気中の酸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、起電力が生じるとともに水が生成される。燃料極２０２で消費されなかった改質ガスは、オフガスとしてオフガス供給路１７０を経由して燃料取入口２８からバーナ２０に供給され燃焼される。なお、バーナ２０には、原燃料供給路４０の途中に設けられた弁１７１から分岐された配管から適宜原燃料が供給される。
【００４３】
燃料電池用改質装置１０は、改質部１２に水蒸気を供給するために燃焼排ガスによる加熱により熱交換部１７２，１７４等で水が気化される水蒸気供給路４２と、改質反応筒１８の内部を通過するとともに脱硫部１６０が途中に接続されており、改質部１２に昇温された原燃料を供給するために燃焼排ガスによる加熱により熱交換部１７２，１７４等で原燃料が昇温される原燃料供給路４０と、原燃料供給路４０の途中に接続されている脱硫部１６０より上流側に接続され、改質部１２で生成された改質ガスの一部を脱硫部１６０に戻す改質ガス戻り流路１７６と、を備える。
【００４４】
改質ガス戻り流路１７６は、空気供給路５４より上流側から改質ガスの一部が流入するように構成されている。これにより、改質ガス戻り流路１７６には、酸素を含む空気が混入しにくくなるため、脱硫部１６０の触媒が酸化されることが抑制される。
【００４５】
本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０は、原燃料供給路４０に接続され、原燃料を該原燃料供給路４０に向けて送出するポンプ１７８と、改質ガス戻り流路１７６の途中に設けられ、改質ガスに含まれる水分を除去する気水分離部１８０と、を更に備える。また、改質ガス戻り流路１７６は、ポンプ１７８の吸入側に接続されている。
【００４６】
気水分離部１８０である熱交換器は、冷媒として改質用水が用いられる。改質ガス戻り流路１７６を通過する高温の改質ガスは、気水分離部１８０において冷却され、含有する水分が液化されるため、トラップ１８２から水として回収することで、水分が除去される。これにより、改質戻り流路１７６の改質ガスは、気水分離部１８０の働きにより水分が除去された後にポンプ１７８により原燃料供給路４０に向けて送出される。そのため、凝縮した水が原燃料供給路４０に滞留して原燃料の通過を妨げたり、原燃料とともに水分が脱硫部１６０に到達して触媒の劣化を引き起こしたりすることが抑制される。
【００４７】
（第４の実施の形態）
図４は、第４の実施の形態に係る燃料電池システム４００の概略構成を模式的に示した構成図である。なお、以下の説明では、主として、改質部で生成された改質ガスの一部を脱硫部に戻す改質ガス戻り流路１８４について説明し、図３と同様な点については説明を適宜省略する。
【００４８】
燃料電池システム４００は、燃料電池用改質装置１０と燃料電池２００とを備える。燃料電池用改質装置１０は、改質部１２に水蒸気を供給するために燃焼排ガスによる加熱により熱交換部１７２，１７４等で水が気化される水蒸気供給路４２と、改質反応筒１８の内部を通過するとともに脱硫部１６０が途中に接続されており、改質部１２に昇温された原燃料を供給するために燃焼排ガスによる加熱により熱交換部１７２，１７４等で原燃料が昇温される原燃料供給路４０と、原燃料供給路４０の途中に接続されている脱硫部１６０より上流側に接続され、改質部１２で生成された改質ガスの一部を脱硫部１６０に戻す改質ガス戻り流路１８４と、を備える。
【００４９】
改質ガス戻り流路１８４は、選択酸化部１６より下流側の改質ガス送出管６０の途中から改質ガスの一部が流入するように構成されている。これにより、改質ガス戻り流路１８４を改質反応筒１８の内部に設けなくてもよく、配管が容易となる。
【００５０】
本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０は、原燃料供給路４０に接続され、原燃料を該原燃料供給路４０に向けて送出するポンプ１７８と、改質ガス戻り流路１８４の途中に設けられ、改質ガスに含まれる水分を除去する気水分離部１８０と、を更に備える。また、改質ガス戻り流路１８４は、ポンプ１７８の吸入側に接続されている。
【００５１】
気水分離部１８０である熱交換器は、冷媒として改質用水が用いられる。改質ガス戻り流路１８４を通過する高温の改質ガスは、気水分離部１８０において冷却され、含有する水分が液化されるため、トラップ１８２から水として回収することで、水分が除去される。これにより、改質戻り流路１８４の改質ガスは、気水分離部１８０の働きにより水分が除去された後にポンプ１７８により原燃料供給路４０に向けて送出される。そのため、凝縮した水が原燃料供給路４０に滞留して原燃料の通過を妨げたり、原燃料とともに水分が脱硫部１６０に到達して触媒の劣化を引き起こしたりすることが抑制される。
【００５２】
（第５の実施の形態）
図５は、第５の実施の形態に係る燃料電池システム５００の概略構成を模式的に示した構成図である。なお、以下の説明では、主として、改質部で生成された改質ガスの一部を脱硫部に戻す改質ガス戻り流路１８６について説明し、図３と同様な点については説明を適宜省略する。
【００５３】
燃料電池システム５００は、燃料電池用改質装置１０と燃料電池２００とを備える。燃料電池用改質装置１０は、改質部１２に水蒸気を供給するために燃焼排ガスによる加熱により熱交換部１７２，１７４等で水が気化される水蒸気供給路４２と、改質反応筒１８の内部を通過するとともに脱硫部１６０が途中に接続されており、改質部１２に昇温された原燃料を供給するために燃焼排ガスによる加熱により熱交換部１７２，１７４等で原燃料が昇温される原燃料供給路４０と、原燃料供給路４０の途中に接続されている脱硫部１６０より上流側に接続され、改質部１２で生成された改質ガスの一部を脱硫部１６０に戻す改質ガス戻り流路１８６と、を備える。
【００５４】
改質ガス戻り流路１８６は、オフガス供給路１７０から改質ガスの一部が流入するように構成されている。これにより、水素を含むオフガスをより有効に利用することができるとともに、配管が容易となる。
【００５５】
本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０は、原燃料供給路４０に接続され、原燃料を該原燃料供給路４０に向けて送出するポンプ１７８と、改質ガス戻り流路１８４の途中に設けられ、改質ガスに含まれる水分を除去する気水分離部１８０と、を更に備える。また、改質ガス戻り流路１８６は、ポンプ１７８の吸入側に接続されている。
【００５６】
気水分離部１８０である熱交換器は、冷媒として改質用水が用いられる。改質ガス戻り流路１８６を通過する高温の改質ガスは、気水分離部１８０において冷却され、含有する水分が液化されるため、トラップ１８２から水として回収することで、水分が除去される。これにより、改質戻り流路１８６の改質ガスは、気水分離部１８０の働きにより水分が除去された後にポンプ１７８により原燃料供給路４０に向けて送出される。そのため、凝縮した水が原燃料供給路４０に滞留して原燃料の通過を妨げたり、原燃料とともに水分が脱硫部１６０に到達して触媒の劣化を引き起こしたりすることが抑制される。
【００５７】
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、これは例示であり、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
【００５８】
上述の燃料電池用改質装置は、ガスと水との熱交換部において、ガス側の伝熱を促進させるために、ガス側通路にアルミナボールやマクマホンパッキン等の拡散により伝熱性を上げる物を充填してもよい。例えば、改質部１２とシフト変成部１４との間、シフト変成部１４と選択酸化部１６との間、選択酸化部１６の上部、水蒸気供給路４２の入口側における燃焼排ガスとの熱交換部、等に伝熱促進物が充填されていてもよい。
【００５９】
上述の燃料電池用改質装置１１０は、脱硫部１６２がシフト変成部１６４の内周部に設けられているが、シフト変成部１６４が脱硫部１６２の内周部に設けられていてもよい。これにより、燃料電池用改質装置１１０は、起動時に脱硫部１６２の温度を効率よく昇温することができる。
【００６０】
また、上述の燃料電池用改質装置に用いられる原燃料としては、例示されているメタンやプロパン、ブタン等に限られるものではない。例えば、天然ガス、プロパン・ブタンを主成分とするＬＰＧ、ナフサ、灯油等の炭化水素や、メタノール、エタノール等のアルコール類や、ジメチルエーテル等のエーテル類、等を、原燃料として用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】第１の実施の形態に係る燃料電池用改質装置の構成を示す断面図である。
【図２】第２の実施の形態に係る燃料電池用改質装置の構成を示す断面図である。
【図３】第３の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示した構成図である。
【図４】第４の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示した構成図である。
【図５】第５の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示した構成図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０ 燃料電池用改質装置、 １２ 改質部、 １４ シフト変成部、 １６ 選択酸化部、 １８ 改質反応筒、 ２０ バーナ、 ２２ 外筒、 ３２ 加熱流路、 ４０ 原燃料供給路、 ４２ 水蒸気供給路、 ５４ 空気供給路、 ６０ 改質ガス送出管、 １１０ 燃料電池用改質装置、 １６０ 脱硫部、 １６４ シフト変成部、 １７０ オフガス供給路、 １７２ 熱交換部、 １７６ 改質ガス戻り流路、 １７８ ポンプ、 １８０ 気水分離部、 １８２ トラップ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原燃料を、燃料電池システムにおいて使用される改質ガスに改質する燃料電池用改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、水素が有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を発生する。実用的には、固体高分子形燃料電池の燃料となる水素は、比較的容易かつ安価に入手可能な天然ガス、ナフサ等の炭化水素系ガスまたはメタノール等のアルコール類の原燃料ガスと水蒸気とを混合して、改質器で改質することで得ている。改質により得られた水素ガスは燃料電池の燃料極に供給され、発電に用いられる。
【０００３】
一般に、改質器は、水蒸気による原燃料ガスの改質反応に必要な熱を供給するためのバーナを備える。バーナで燃料を燃焼させて生じた燃焼ガスを、燃焼筒から改質反応部の近傍に設けられた経路に導くことにより、燃焼ガスの熱エネルギーが改質反応に利用される（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
また、原燃料ガスとして用いられる都市ガスやプロパンガスは、ガス漏れを感知しやすいように付臭剤として有機硫黄成分が添加されている。有機硫黄成分を含んだ都市ガスやプロパンガス等がそのまま改質器に供給されると、改質器の触媒に有機硫黄成分が付着し、硫黄被毒により改質器の改質性能が低下することになる。そのため、脱硫器を備えた改質装置が考案されている（例えば、特許文献３、４参照）
【特許文献１】特開２００７−１５９１１号公報
【特許文献２】特表２００３−７８３１１号公報
【特許文献３】特開２００３−１２３０２号公報
【特許文献４】特開２００２−３５６３０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、２記載の改質器は、バーナで燃料を燃焼して発生した燃焼排ガスを改質部の内側に流すことで、燃焼排ガスの熱エネルギーを高温の水蒸気の生成や改質部の昇温に用いているため、改質部を燃焼排ガス流路の外側に配置しなければならない。また、改質部により生成された改質ガスに含まれている一酸化炭素を低減するための一酸化炭素変成部や一酸化炭素除去部が、改質部を備えている流路の更に外側に配置されているため、流路が複雑となっている。その結果、改質部の径が大径化してしまうとともに、改質装置全体の複雑化、大型化を招く一因となっている。
【０００６】
また、特許文献３、４記載の改質器は、硫黄などの不純物を含む原燃料を触媒の存在下で水素と反応させて硫黄成分を除去する、いわゆる水素化脱硫方式（水添脱硫方式ともいう）の脱硫装置である。そのため、何らかの方法によって脱硫装置に水素を供給する必要がある。
【０００７】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、脱硫部を有する簡易な構成の燃料電池用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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の燃料電池用改質装置は、原燃料を水素リッチな改質ガスに改質する燃料電池用改質装置であって、原燃料から改質ガスを生成する改質部と、改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減するシフト変成部と、シフト変成部を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化して低減する選択酸化部と、改質部とシフト変成部と選択酸化部とをこの順番に直線状に収納するとともに、更に脱硫部を収納する改質反応筒と、原燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼手段と、改質反応筒の外周に配置され、該改質反応筒より径が大きい外筒と、改質反応筒と外筒との間に形成され、改質反応筒を加熱するために燃焼排ガスが通過する加熱流路と、改質部に水蒸気を供給するために燃焼排ガスによる加熱により水が気化される水蒸気供給路と、改質反応筒の内部を通過するとともに脱硫部が途中に接続されており、改質部に昇温された原燃料を供給するために燃焼排ガスによる加熱により原燃料が昇温される原燃料供給路と、原燃料供給路の途中に接続されている脱硫部より上流側に接続され、改質部で生成された改質ガスの一部を脱硫部に戻す改質ガス戻り流路と、を備える。脱硫部は、水素との反応で原燃料から硫黄を除去する水添脱硫触媒を有する。
【０００９】
この態様によると、脱硫に必要な水素を改質ガスから得ることができるので、簡易な構成で脱硫部を有する燃料電池用改質装置を実現することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、脱硫部を有する燃料電池用改質装置の構成を簡易にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、説明の都合上、図の上下左右と対応させて各部材間の位置関係を説明するが、あくまでも相対的な位置関係でありこれに限定されるものではない。例えば、上下を反転した態様にすることも可能である。
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０の構成を示す断面図である。燃料電池用改質装置１０は、原燃料であるメタンやプロパン、ブタン等を水蒸気改質により水素リッチな改質ガスを生成する。
【００１３】
燃料電池用改質装置１０は、原燃料から改質ガスを生成する改質部１２と、改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減するシフト変成部１４と、シフト変成部１４を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化反応により選択酸化し低減する選択酸化部１６と、改質部１２とシフト変成部１４と選択酸化部１６とをこの順番に直線状に収納するとともに、更に脱硫部１６０を収納する改質反応筒１８と、原燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼手段としてのバーナ２０と、改質反応筒１８の外周に同軸に配置され、改質反応筒１８より径が大きい外筒２２と、を備える。外筒２２の周囲は、複数の配管が外部と連通している箇所を除いて断熱材２４で覆われている。
【００１４】
バーナ２０は、空気取入口２６から取り入れた空気と燃料取入口２８から取り入れた原燃料オフガスとを混合して燃焼させる。バーナ２０で原燃料ガスが燃焼することによって、１２００〜１３００℃の高温の燃焼排ガスが発生する。バーナ２０は、改質反応筒１８の改質部１２側の端部に形成された燃焼室３０に配置されているとともに、外筒２２の下部に固定されている。これにより、バーナ２０で生成された燃焼排ガスの熱をすぐに改質部１２における改質反応に用いることができるので、熱効率を向上することができる。
【００１５】
改質反応筒１８と外筒２２との間には、改質反応筒１８を加熱するために前述の燃焼排ガスが通過する加熱流路３２が形成されている。
【００１６】
改質部１２は、改質反応筒１８の底部に設けられている改質反応筒１８より外径の小さいケース３４と、ケース３４の下方に収納された、ニッケルやルテニウム等の金属粒子をアルミナに担持した改質触媒を含む触媒層３６とを有する。ケース３４の上面には、原燃料と水蒸気とが混合された状態で流入する開口部３８が形成されている。また、ケース３４は、触媒層３６の側面から改質ガスが通過できるように、側面に通気口が設けられている。
【００１７】
原燃料は、改質反応筒１８、外筒２２、断熱材２４とを貫通する原燃料供給路４０を経由して燃料電池用改質装置１０の外部から改質部１２の触媒層３６に供給される。この際、原燃料は、加熱流路３２を流れる燃料排ガスや改質反応筒１８の内部の改質ガスにより昇温させられるとともに、改質ガスの温度を低下させる。
【００１８】
また、原燃料供給路４０は、改質反応筒１８の内部を通過するとともに脱硫部１６０が途中に接続されている。脱硫部１６０は、硫黄などの不純物を含む原燃料を触媒の存在下で水素と反応させて硫黄成分を除去する、いわゆる水素化脱硫方式（水添脱硫方式ともいう）の装置である。原燃料供給路４０には、燃料電池で使用されなかった水素リッチなガスや改質ガスの一部を脱硫部１６０に戻すための不図示の改質ガス戻り流路（後述）が脱硫部１６０の上流側に接続されている。
【００１９】
脱硫部１６０は、供給される原燃料ガスと、通常その原燃料ガスの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る。この水添・吸着脱硫反応（ＲＣＨ２ＳＨ＋Ｈ２→ＲＣＨ３＋Ｈ２Ｓ ＺｎＯ＋Ｈ２Ｓ→ＺｎＳ＋Ｈ２Ｏ）によって、原燃料ガスは、含まれる硫黄成分の濃度が２０〜５０ｐｐｂ程度まで脱硫される。
【００２０】
また、有機硫黄のうちＲＳＨやＣＯＳは、条件（例えば、２５０〜４００℃）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またはＮｉ−Ｍｏ系の水添脱硫触媒上で一度Ｈ２Ｓに変化した後にＺｎＯで吸着されるのが普通である。触媒としては、例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒、Ｎｉ−Ｚｎ系の触媒等を、その動作温度やコスト等を考慮して適宜選択してもよい。本実施の形態に係る脱硫部１６０における脱硫反応温度は３５０℃〜４００℃である。
【００２１】
また、改質部１２における改質反応に必要な水蒸気は、水蒸気供給路４２を経由して燃料電池用改質装置１０の外部から供給された改質水から生成される。外部から供給された液体である改質水は、燃焼排ガスや改質反応筒１８の内部で昇温されている改質ガスにより気化され、水蒸気として触媒層３６に供給されるとともに、シフト変成部１４や選択酸化部１６の温度を低下させる。
【００２２】
本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０において、原燃料供給路４０は、水蒸気供給路４２と、水蒸気供給路４２において通過する水が気化される箇所より下流側の合流部４４で合流している。換言すると、原燃料供給路４０と水蒸気供給路４２とは、脱硫部１６０の下流側で合流している。これにより、水蒸気供給路４２を通過する水や水蒸気が脱硫部１６０に混入することが防止され、脱硫部１６０の脱硫性能の低下が抑制される。水蒸気供給路４２は、外筒２２および改質反応筒１８の内部において、その一部が螺旋状に巻かれたコイル形状を有しており、表面積が増すことで水が気化し易くなっているため、合流部４４より上流側の少なくともコイルの下端では水蒸気が生成されている。
【００２３】
本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０のように、燃焼排ガスの加熱による原燃料の昇温と水の気化とが別々の原燃料供給路４０および水蒸気供給路４２で行われた後に原燃料と水蒸気とが合流することで、各供給路における原燃料の昇温や水の気化による水蒸気の供給の制御が容易となる。
【００２４】
シフト変成部１４は、例えば、酸化銅や酸化亜鉛のペレットからなる触媒層４６と、触媒層４６を担持するとともに下方から上方へ改質ガスが透過するように孔が形成されている仕切り板４８とを有する。シフト変成部１４は、触媒層４６の働きにより改質ガスに含まれる水蒸気を用いたシフト反応により一酸化炭素を低減することができる。
【００２５】
選択酸化部１６は、例えば、アルミナで担持した一酸化炭素選択酸化触媒からなる触媒層５０と、触媒層５０を担持するとともに下方から上方へ改質ガスが透過するように孔が形成されている仕切り板５２とを有する。選択酸化部１６では、触媒層５０の働きにより酸素で一酸化炭素を酸化し二酸化炭素にすることで、一酸化炭素の濃度が更に低減される。
【００２６】
シフト変成部１４の下流側、かつ、選択酸化部１６の上流側の領域には、選択酸化部１６で消費される酸素を供給するために、燃料電池用改質装置１０の外部と連通している空気供給路５４の先端部５６が配置されている。これにより、先端部５６から流入する空気は、シフト変成部１４で一酸化炭素が低減された改質ガスとともに上昇し、選択酸化部１６における反応に寄与する。
【００２７】
選択酸化部１６の上方の、改質反応筒１８の上面には、開口部５８が形成されている。開口部５８には、一酸化炭素が十分低減された改質ガスを不図示の燃料電池の燃料極へ送出する改質ガス送出管６０が接続されている。
【００２８】
次に、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０の動作について説明する。バーナ２０で生成された燃焼排ガスは、改質反応筒１８の下面を加熱した後に加熱流路３２を上昇しながら改質反応筒１８を側面から加熱する。この際、触媒層３６は、改質反応筒１８を介して改質反応に必要な温度、例えば、６００〜７００℃の範囲に加熱される。また、水蒸気供給路４２は、直接的または改質反応筒１８を介して間接的に燃料排ガスにより加熱され、内部を通る改質水が気化される。一方、燃料排ガスは、加熱流路３２を上昇するに従い水蒸気供給路４２により冷却され徐々に温度が低下する。なお、加熱流路３２を通過した燃焼排ガスは、外筒２２の上部に形成された排出口６２から外部へ排出される。
【００２９】
水蒸気供給路４２で気化された水蒸気と原燃料供給路４０で昇温された原燃料とは合流部４４で混合され、ケース３４の内部を下方に送り出される。水蒸気を含む原燃料ガスは、触媒層３６の内部を通過する際に燃焼排ガスの熱により徐々に加熱され、改質反応により水素リッチな改質ガスに変化する。
【００３０】
原燃料ガスを改質することにより得られた改質ガスは、供給される原燃料ガスの流れによって改質反応筒１８の内部を上昇し、シフト変成部１４に到達する。ここで、改質部１２における改質反応は吸熱反応であるため、水蒸気供給路４２の熱回収により温度が低下した改質ガスがシフト変成部１４に到達することになる。シフト変成部１４におけるシフト反応は、例えば、２００〜３００℃の範囲で行われ、水蒸気供給路４２の熱回収で熱バランスをとっているので、特段の温度制御をしなくても適度な温度を維持することが可能である。これにより、改質ガスはシフト変成部１４において一酸化炭素が低減される。
【００３１】
なお、シフト変成部１４における温度が適温とならない装置の場合、バーナ２０での原燃料の燃料量を調整したり、シフト変成部１４近傍の水蒸気供給路４２のコイルの巻き数を増減させたりすることで調整可能である。
【００３２】
シフト変成部１４で一酸化炭素が低減された改質ガスは更に、供給される原燃料ガスの流れによって改質反応筒１８の内部を整流板６４に流れを規制されながら上昇し、選択酸化部１６に到達する。その際、空気供給路５４から供給された空気も改質反応筒１８内を上昇し、選択酸化部１６に到達する。
【００３３】
選択酸化部１６は、水蒸気供給路４２の流入口６６近傍に配置されているため、改質ガスの温度は改質水による冷却によりシフト変成部１４における改質ガスの温度より低温となっている。選択酸化部１６における選択酸化反応は、シフト変成部１４におけるシフト反応より低温な、例えば、７０〜２００℃の範囲で行われ、水蒸気供給路４２の熱回収で熱バランスをとっているので、特段の温度制御をしなくても改質ガスを適度な温度に維持することが可能である。これにより、改質ガスは選択酸化部１６において更に一酸化炭素が低減される。
【００３４】
上述のように、燃料電池用改質装置１０は、改質部１２とシフト変成部１４と選択酸化部１６とがこの順番に一つの改質反応筒１８に収納されているとともに、更に脱硫部１６０も収納されているため、複雑な形状の流路を形成することなく、改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減するとともに、硫黄成分も除去することができる。しかも、脱硫部を装置の外部に設ける場合と比較して、改質反応筒の内部に脱硫器を備えることで装置全体をコンパクトにすることができる。また、改質反応筒１８と外筒２２との間の加熱流路３２を燃焼排ガスが通過するので、改質反応筒１８の内部の改質部１２における改質反応に必要な熱を供給することができ、ヒータ等の加熱手段が不要となる。また、改質反応筒１８と外筒２２との間を加熱流路３２とすることで、折り返しや多くの筒を要する流路を必要とせずに簡素な構成で燃料電池用改質装置１０を実現することができる。
【００３５】
換言すると、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０においては、折り返しや多くの筒を要する流路が設けられていないため、部品点数の低減や製造工程の簡素化によりコストが低減される。また、外筒２２の外周部を断熱材２４で覆うことで装置全体の断熱性を容易に確保することができるので、断熱材２４を装着する際の工程を簡素化することができる。
【００３６】
また、加熱流路３２は、燃焼排ガスが改質部１２側から選択酸化部１６側に向かって通過するように形成されているので、燃焼排ガスは、改質反応筒１８や水蒸気供給路４２と熱交換をしながら徐々に温度が低下する。そのため、燃焼排ガスは、反応温度が高い改質部から反応温度の低い選択酸化部へと適度に温度が低下しながら加熱流路３２の内部を通過することになる。そのため、流路の折り返しや新たな加熱手段を設けずに加熱流路３２を直線的に形成することが可能となる。
【００３７】
また、燃料電池用改質装置１０は、改質反応筒１８と外筒２２との間の加熱流路３２を燃焼排ガスが通過することで脱硫部１６０における脱硫反応に必要な熱が供給されるので、脱硫部１６０を装置の外部に設けた場合と比較してヒータ等の加熱手段が不要となり、装置全体の熱効率が向上する。また、脱硫部１６０を装置の外部に設ける場合と比較して、原燃料供給路４０の流路を短くすることができる。
【００３８】
また、図１に示すように、脱硫部１６０は、改質部１２とシフト変成部１４との間に設けられている。これにより、改質部１２を加熱した燃焼排ガスや、改質ガスにより脱硫反応に必要な熱が供給される。そのため、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０は、装置の動作時における定常温度まで脱硫部を効率よく昇温することができる。
【００３９】
（第２の実施の形態）
図２は、第２の実施の形態に係る燃料電池用改質装置１１０の構成を示す断面図である。本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１１０は、脱硫部１６２が、改質反応筒１８の軸方向の位置がシフト変成部１６４と重なる位置に配置されている。これにより、改質反応筒１８の縦方向がコンパクトになり、燃料電池用改質装置１１０を小型化することができる。また、シフト変成部１６４は、環状に形成されており、脱硫部１６２は、シフト変成部１６４の内周部に設けられている。これにより、燃料電池用改質装置１１０は、起動時にシフト変成部１６４の温度を効率よく昇温することができる。
【００４０】
また、本実施の形態に係る脱硫部１６２は、脱硫反応温度が２００℃〜３００℃程度になるように設定されているとよい。一般的に、シフト変成部１６４におけるシフト反応温度は２００℃〜３００℃程度となっている。また、脱硫部１６２における硫黄成分は数ｐｐｍ程度であるため、脱硫反応による発熱も僅かである。そのため、シフト反応により発熱する触媒層４６を水で冷却しながら熱バランスをとっているシフト変成部１６４と脱硫部１６２とが接するよう構成することで、脱硫部１６２をシフト反応温度と同程度の２００℃〜３００℃の温度に維持することが容易となる。
【００４１】
（第３の実施の形態）
以下では、第１の実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０を用いた燃料電池システムにおける改質ガスや水、空気等の流れについて説明する。図３は、第３の実施の形態に係る燃料電池システム３００の概略構成を模式的に示した構成図である。なお、以下の説明では、主として、改質部で生成された改質ガスの一部を脱硫部に戻す改質ガス戻り流路について説明し、図３に記載の要素のうち第１の実施の形態で説明した各要素については同じ符号を付して説明を適宜省略する。
【００４２】
燃料電池システム３００は、燃料電池用改質装置１０と燃料電池２００とを備える。燃料電池２００は、燃料極２０２と空気極２０４とを備えており、燃料極２０２には改質ガス送出管６０を経由して改質ガスが供給され、空気極２０４にはエアポンプにより空気が供給される。改質ガス中の水素ガスと空気中の酸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、起電力が生じるとともに水が生成される。燃料極２０２で消費されなかった改質ガスは、オフガスとしてオフガス供給路１７０を経由して燃料取入口２８からバーナ２０に供給され燃焼される。なお、バーナ２０には、原燃料供給路４０の途中に設けられた弁１７１から分岐された配管から適宜原燃料が供給される。
【００４３】
燃料電池用改質装置１０は、改質部１２に水蒸気を供給するために燃焼排ガスによる加熱により熱交換部１７２，１７４等で水が気化される水蒸気供給路４２と、改質反応筒１８の内部を通過するとともに脱硫部１６０が途中に接続されており、改質部１２に昇温された原燃料を供給するために燃焼排ガスによる加熱により熱交換部１７２，１７４等で原燃料が昇温される原燃料供給路４０と、原燃料供給路４０の途中に接続されている脱硫部１６０より上流側に接続され、改質部１２で生成された改質ガスの一部を脱硫部１６０に戻す改質ガス戻り流路１７６と、を備える。
【００４４】
改質ガス戻り流路１７６は、空気供給路５４より上流側から改質ガスの一部が流入するように構成されている。これにより、改質ガス戻り流路１７６には、酸素を含む空気が混入しにくくなるため、脱硫部１６０の触媒が酸化されることが抑制される。
【００４５】
本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０は、原燃料供給路４０に接続され、原燃料を該原燃料供給路４０に向けて送出するポンプ１７８と、改質ガス戻り流路１７６の途中に設けられ、改質ガスに含まれる水分を除去する気水分離部１８０と、を更に備える。また、改質ガス戻り流路１７６は、ポンプ１７８の吸入側に接続されている。
【００４６】
気水分離部１８０である熱交換器は、冷媒として改質用水が用いられる。改質ガス戻り流路１７６を通過する高温の改質ガスは、気水分離部１８０において冷却され、含有する水分が液化されるため、トラップ１８２から水として回収することで、水分が除去される。これにより、改質戻り流路１７６の改質ガスは、気水分離部１８０の働きにより水分が除去された後にポンプ１７８により原燃料供給路４０に向けて送出される。そのため、凝縮した水が原燃料供給路４０に滞留して原燃料の通過を妨げたり、原燃料とともに水分が脱硫部１６０に到達して触媒の劣化を引き起こしたりすることが抑制される。
【００４７】
（第４の実施の形態）
図４は、第４の実施の形態に係る燃料電池システム４００の概略構成を模式的に示した構成図である。なお、以下の説明では、主として、改質部で生成された改質ガスの一部を脱硫部に戻す改質ガス戻り流路１８４について説明し、図３と同様な点については説明を適宜省略する。
【００４８】
燃料電池システム４００は、燃料電池用改質装置１０と燃料電池２００とを備える。燃料電池用改質装置１０は、改質部１２に水蒸気を供給するために燃焼排ガスによる加熱により熱交換部１７２，１７４等で水が気化される水蒸気供給路４２と、改質反応筒１８の内部を通過するとともに脱硫部１６０が途中に接続されており、改質部１２に昇温された原燃料を供給するために燃焼排ガスによる加熱により熱交換部１７２，１７４等で原燃料が昇温される原燃料供給路４０と、原燃料供給路４０の途中に接続されている脱硫部１６０より上流側に接続され、改質部１２で生成された改質ガスの一部を脱硫部１６０に戻す改質ガス戻り流路１８４と、を備える。
【００４９】
改質ガス戻り流路１８４は、選択酸化部１６より下流側の改質ガス送出管６０の途中から改質ガスの一部が流入するように構成されている。これにより、改質ガス戻り流路１８４を改質反応筒１８の内部に設けなくてもよく、配管が容易となる。
【００５０】
本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０は、原燃料供給路４０に接続され、原燃料を該原燃料供給路４０に向けて送出するポンプ１７８と、改質ガス戻り流路１８４の途中に設けられ、改質ガスに含まれる水分を除去する気水分離部１８０と、を更に備える。また、改質ガス戻り流路１８４は、ポンプ１７８の吸入側に接続されている。
【００５１】
気水分離部１８０である熱交換器は、冷媒として改質用水が用いられる。改質ガス戻り流路１８４を通過する高温の改質ガスは、気水分離部１８０において冷却され、含有する水分が液化されるため、トラップ１８２から水として回収することで、水分が除去される。これにより、改質戻り流路１８４の改質ガスは、気水分離部１８０の働きにより水分が除去された後にポンプ１７８により原燃料供給路４０に向けて送出される。そのため、凝縮した水が原燃料供給路４０に滞留して原燃料の通過を妨げたり、原燃料とともに水分が脱硫部１６０に到達して触媒の劣化を引き起こしたりすることが抑制される。
【００５２】
（第５の実施の形態）
図５は、第５の実施の形態に係る燃料電池システム５００の概略構成を模式的に示した構成図である。なお、以下の説明では、主として、改質部で生成された改質ガスの一部を脱硫部に戻す改質ガス戻り流路１８６について説明し、図３と同様な点については説明を適宜省略する。
【００５３】
燃料電池システム５００は、燃料電池用改質装置１０と燃料電池２００とを備える。燃料電池用改質装置１０は、改質部１２に水蒸気を供給するために燃焼排ガスによる加熱により熱交換部１７２，１７４等で水が気化される水蒸気供給路４２と、改質反応筒１８の内部を通過するとともに脱硫部１６０が途中に接続されており、改質部１２に昇温された原燃料を供給するために燃焼排ガスによる加熱により熱交換部１７２，１７４等で原燃料が昇温される原燃料供給路４０と、原燃料供給路４０の途中に接続されている脱硫部１６０より上流側に接続され、改質部１２で生成された改質ガスの一部を脱硫部１６０に戻す改質ガス戻り流路１８６と、を備える。
【００５４】
改質ガス戻り流路１８６は、オフガス供給路１７０から改質ガスの一部が流入するように構成されている。これにより、水素を含むオフガスをより有効に利用することができるとともに、配管が容易となる。
【００５５】
本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０は、原燃料供給路４０に接続され、原燃料を該原燃料供給路４０に向けて送出するポンプ１７８と、改質ガス戻り流路１８４の途中に設けられ、改質ガスに含まれる水分を除去する気水分離部１８０と、を更に備える。また、改質ガス戻り流路１８６は、ポンプ１７８の吸入側に接続されている。
【００５６】
気水分離部１８０である熱交換器は、冷媒として改質用水が用いられる。改質ガス戻り流路１８６を通過する高温の改質ガスは、気水分離部１８０において冷却され、含有する水分が液化されるため、トラップ１８２から水として回収することで、水分が除去される。これにより、改質戻り流路１８６の改質ガスは、気水分離部１８０の働きにより水分が除去された後にポンプ１７８により原燃料供給路４０に向けて送出される。そのため、凝縮した水が原燃料供給路４０に滞留して原燃料の通過を妨げたり、原燃料とともに水分が脱硫部１６０に到達して触媒の劣化を引き起こしたりすることが抑制される。
【００５７】
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、これは例示であり、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
【００５８】
上述の燃料電池用改質装置は、ガスと水との熱交換部において、ガス側の伝熱を促進させるために、ガス側通路にアルミナボールやマクマホンパッキン等の拡散により伝熱性を上げる物を充填してもよい。例えば、改質部１２とシフト変成部１４との間、シフト変成部１４と選択酸化部１６との間、選択酸化部１６の上部、水蒸気供給路４２の入口側における燃焼排ガスとの熱交換部、等に伝熱促進物が充填されていてもよい。
【００５９】
上述の燃料電池用改質装置１１０は、脱硫部１６２がシフト変成部１６４の内周部に設けられているが、シフト変成部１６４が脱硫部１６２の内周部に設けられていてもよい。これにより、燃料電池用改質装置１１０は、起動時に脱硫部１６２の温度を効率よく昇温することができる。
【００６０】
また、上述の燃料電池用改質装置に用いられる原燃料としては、例示されているメタンやプロパン、ブタン等に限られるものではない。例えば、天然ガス、プロパン・ブタンを主成分とするＬＰＧ、ナフサ、灯油等の炭化水素や、メタノール、エタノール等のアルコール類や、ジメチルエーテル等のエーテル類、等を、原燃料として用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】第１の実施の形態に係る燃料電池用改質装置の構成を示す断面図である。
【図２】第２の実施の形態に係る燃料電池用改質装置の構成を示す断面図である。
【図３】第３の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示した構成図である。
【図４】第４の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示した構成図である。
【図５】第５の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示した構成図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０ 燃料電池用改質装置、 １２ 改質部、 １４ シフト変成部、 １６ 選択酸化部、 １８ 改質反応筒、 ２０ バーナ、 ２２ 外筒、 ３２ 加熱流路、 ４０ 原燃料供給路、 ４２ 水蒸気供給路、 ５４ 空気供給路、 ６０ 改質ガス送出管、 １１０ 燃料電池用改質装置、 １６０ 脱硫部、 １６４ シフト変成部、 １７０ オフガス供給路、 １７２ 熱交換部、 １７６ 改質ガス戻り流路、 １７８ ポンプ、 １８０ 気水分離部、 １８２ トラップ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料を水素リッチな改質ガスに改質する燃料電池用改質装置であって、
原燃料から改質ガスを生成する改質部と、
前記改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減するシフト変成部と、
前記シフト変成部を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化して低減する選択酸化部と、
前記改質部と前記シフト変成部と前記選択酸化部とをこの順番に直線状に収納するとともに、更に脱硫部を収納する改質反応筒と、
原燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼手段と、
前記改質反応筒の外周に配置され、該改質反応筒より径が大きい外筒と、
前記改質反応筒と前記外筒との間に形成され、前記改質反応筒を加熱するために前記燃焼排ガスが通過する加熱流路と、
前記改質部に水蒸気を供給するために前記燃焼排ガスによる加熱により水が気化される水蒸気供給路と、
前記改質反応筒の内部を通過するとともに前記脱硫部が途中に接続されており、前記改質部に昇温された原燃料を供給するために前記燃焼排ガスによる加熱により原燃料が昇温される原燃料供給路と、
前記原燃料供給路の途中に接続されている前記脱硫部より上流側に接続され、前記改質部で生成された改質ガスの一部を前記脱硫部に戻す改質ガス戻り流路と、
を備え、
前記脱硫部は、水素との反応で原燃料から硫黄を除去する水添脱硫触媒を有することを特徴とする燃料電池用改質装置。
【請求項２】
前記シフト変成部の下流側、かつ、前記選択酸化部の上流側の領域に該選択酸化部における反応に用いられる酸素を含むガスを供給する酸素供給路を更に備え、
前記改質ガス戻り流路は、前記酸素供給路より上流側から改質ガスの一部が流入することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用改質装置。
【請求項３】
前記改質ガス戻り流路は、前記選択酸化部より下流側から改質ガスの一部が流入することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用改質装置。
【請求項４】
燃料電池の燃料極で消費されなかった改質ガスを前記燃焼手段へ供給するオフガス供給路を更に備え、
前記改質ガス戻り流路は、前記オフガス供給路から改質ガスの一部が流入するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用改質装置。
【請求項５】
前記原燃料供給路に接続され、前記原燃料を該原燃料供給路に向けて送出するポンプと、
前記改質ガス戻り流路の途中に設けられ、改質ガスに含まれる水分を除去する気水分離部と、を更に備え、
前記改質ガス戻り流路は、前記ポンプの吸入側に接続されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池用改質装置。
【請求項６】
前記原燃料供給路は、前記脱硫部の下流側で前記水蒸気供給路と合流していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池用改質装置。
【請求項１】
原燃料を水素リッチな改質ガスに改質する燃料電池用改質装置であって、
原燃料から改質ガスを生成する改質部と、
前記改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減するシフト変成部と、
前記シフト変成部を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化して低減する選択酸化部と、
前記改質部と前記シフト変成部と前記選択酸化部とをこの順番に直線状に収納するとともに、更に脱硫部を収納する改質反応筒と、
原燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼手段と、
前記改質反応筒の外周に配置され、該改質反応筒より径が大きい外筒と、
前記改質反応筒と前記外筒との間に形成され、前記改質反応筒を加熱するために前記燃焼排ガスが通過する加熱流路と、
前記改質部に水蒸気を供給するために前記燃焼排ガスによる加熱により水が気化される水蒸気供給路と、
前記改質反応筒の内部を通過するとともに前記脱硫部が途中に接続されており、前記改質部に昇温された原燃料を供給するために前記燃焼排ガスによる加熱により原燃料が昇温される原燃料供給路と、
前記原燃料供給路の途中に接続されている前記脱硫部より上流側に接続され、前記改質部で生成された改質ガスの一部を前記脱硫部に戻す改質ガス戻り流路と、
を備え、
前記脱硫部は、水素との反応で原燃料から硫黄を除去する水添脱硫触媒を有することを特徴とする燃料電池用改質装置。
【請求項２】
前記シフト変成部の下流側、かつ、前記選択酸化部の上流側の領域に該選択酸化部における反応に用いられる酸素を含むガスを供給する酸素供給路を更に備え、
前記改質ガス戻り流路は、前記酸素供給路より上流側から改質ガスの一部が流入することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用改質装置。
【請求項３】
前記改質ガス戻り流路は、前記選択酸化部より下流側から改質ガスの一部が流入することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用改質装置。
【請求項４】
燃料電池の燃料極で消費されなかった改質ガスを前記燃焼手段へ供給するオフガス供給路を更に備え、
前記改質ガス戻り流路は、前記オフガス供給路から改質ガスの一部が流入するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用改質装置。
【請求項５】
前記原燃料供給路に接続され、前記原燃料を該原燃料供給路に向けて送出するポンプと、
前記改質ガス戻り流路の途中に設けられ、改質ガスに含まれる水分を除去する気水分離部と、を更に備え、
前記改質ガス戻り流路は、前記ポンプの吸入側に接続されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池用改質装置。
【請求項６】
前記原燃料供給路は、前記脱硫部の下流側で前記水蒸気供給路と合流していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池用改質装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−８７５８６（Ｐ２００９−８７５８６Ａ）
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２５２６５８（Ｐ２００７−２５２６５８）
【出願日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【出願人】（０００００４４４４）新日本石油株式会社 (1,898)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【出願人】（０００００４４４４）新日本石油株式会社 (1,898)
【Ｆターム（参考）】
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