JP4161612B2 - 燃料改質装置の起動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料改質装置の起動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池は、水の電気分解とは逆に水素と酸素を結合させて、その時に発生する電気と熱を取り出すものであり、その発電効率の高さや環境への適合性から、家庭用燃料電池コージェネレーションシステムや燃料電池自動車としての開発が盛んに行われているが、そうした燃料電池の燃料となる水素は、ナフサ、灯油等の石油系燃料や都市ガス等を改質器で改質して製造される。
【０００３】
図３は改質器が設けられる設備の一例として、定置式の固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）の全体系統を表わすものであって、１は改質器、２は改質器１から排出される排ガスの熱により水を蒸発させて水蒸気を発生させる水蒸発器、３は前記排ガスの熱によりナフサ等の原燃料を気化させる原燃料気化器、４は改質器１へ供給する原料ガスの脱硫を行う脱硫器、５は改質器１で改質した改質ガスを冷却水で所要温度（およそ２００〜２５０［℃］前後）に温度降下させＣＯとＨ₂ＯをＣＯ₂と
Ｈ₂に変換する低温シフトコンバータ、６は低温シフトコンバータ５を通過した
改質ガスを冷却水で冷却し酸化反応によってＣＯを除去する選択酸化ＣＯ除去器、７は選択酸化ＣＯ除去器６を通過した改質ガスを加湿する加湿器、８はカソード８ａとアノード８ｂを有する固体高分子型燃料電池である。
【０００４】
図３に示される設備においては、水が水蒸発器２で水蒸気とされ、且つナフサ等の燃料が原燃料気化器３で気化されて原料ガスとされ、前記水蒸気を混合した原料ガスが脱硫器４へ導かれ、該脱硫器４で脱硫された原料ガスが改質器１へ導かれ、該改質器１で改質された改質ガスが低温シフトコンバータ５と選択酸化ＣＯ除去器６と加湿器７とを介して固体高分子型燃料電池８のアノード８ｂへ導かれると共に、空気が加湿器７を介して固体高分子型燃料電池８のカソード８ａへ導かれ、発電が行われるようになっており、又、前記アノード８ｂから排出されるアノードオフガスは、改質器１における燃料ガスとして再利用される一方、前記カソード８ａから排出される水は、固体高分子型燃料電池８と選択酸化ＣＯ除去器６と低温シフトコンバータ５それぞれの冷却水、並びに原料ガスに混合される水蒸気の一部として用いられるようになっている。
【０００５】
従来、前記改質器１と、その関連機器としての水蒸発器２、原燃料気化器３、脱硫器４、低温シフトコンバータ５、及び選択酸化ＣＯ除去器６は、図４に示される如く、燃料改質装置として一つのユニットにまとめられており、該燃料改質装置における改質器１は、アノードオフガスが燃料ガスとして供給され且つ空気が導入される改質容器本体９内に、燃料ガスを燃焼させて温度上昇させる第一触媒燃焼器１０を設けると共に、該第一触媒燃焼器１０の下流側における改質容器本体９内に、内部に改質触媒（図示せず）が装填され且つ原料ガスを流通させてその改質を行うための改質筒体１２を改質容器本体９と同芯状に配設し、該改質筒体１２の外周側所要箇所における改質容器本体９内に、改質筒体１２内を流通する原料ガスとの熱交換により温度降下した燃焼排ガスを再度燃焼させて温度上昇させるための第二触媒燃焼器１１を設けてなる構成を有している。
【０００６】
前記改質器１に燃料ガスとして供給されるアノードオフガスはカロリーが低く着火しにくいが、図４に示されるような燃料改質装置における改質器１においては、前記燃料ガスと空気が改質容器本体９内に供給されると、第一触媒燃焼器１０で酸化反応が強制的に行われて発熱し、これを熱源として原料ガスが改質筒体１２内の改質触媒（図示せず）を通過する際に改質が行われ、改質ガスが生成され、低温シフトコンバータ５と選択酸化ＣＯ除去器６とを経由しＣＯが除去された改質ガスとして排出されると共に、前記原料ガスの改質反応のために熱を奪われて温度降下した燃焼排ガスは、第二触媒燃焼器１１で再度燃焼が行われて温度上昇し、水蒸発器２と原燃料気化器３でそれぞれ改質用の水並びにナフサ等の原燃料と熱交換を行った後、排出されるようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図４に示されるような燃料改質装置における改質器１の場合、燃焼温度を第一触媒燃焼器１０における触媒の許容温度以上に上昇させることができないため、空気を希釈用として過剰に供給する必要があり、空燃比が大きくなって伝熱面積を大きくしなければならず、改質器１の全長が長くなっていた。
【０００８】
ここで、燃料改質装置としては、その高さをあまり高くしたくないため、図４に示される如く、改質器１を中心としてその外周部所要箇所にそれぞれ、選択酸化ＣＯ除去器６、脱硫器４、低温シフトコンバータ５等を配置しているが、改質器１は非常に高温（およそ７５０［℃］程度）で熱交換を行う機器であり、しかも、改質器１における反応の温度レベルと、低温シフトコンバータ５や選択酸化ＣＯ除去器６における反応の温度レベルとが異なっているため、各機器の間には、セラミックファイバ等の断熱材１３を充填すると共に、全体を断熱材１３で被覆して断熱層１４を形成するようになっている。
【０００９】
しかしながら、前述の如く、各機器の間に、セラミックファイバ等の断熱材１３を充填すると共に、全体を断熱材１３で被覆して断熱層１４を形成するのでは、燃料改質装置に占める断熱層１４の容積が大きくなると共に、その施工に手間がかかり、しかも、改質器１内の触媒交換や点検等のメンテナンスの都度、断熱材１３を除去し、その上に改質容器本体９を切断しなければならず、非常に手間がかかるという欠点を有していた。
【００１０】
一方、図４に示されるような従来の燃料改質装置の場合、室温に冷えた燃料改質装置を起動する際、熱源となる第一触媒燃焼器１０や第二触媒燃焼器１１で起動用燃料を燃焼させると、その燃焼ガスと熱交換する改質筒体１２と、水蒸発器２並びに原燃料気化器３は加熱できるものの、低温シフトコンバータ５及び選択酸化ＣＯ除去器６は加熱できない。しかも、低温シフトコンバータ５及び選択酸化ＣＯ除去器６は外部を断熱保温しているため、外部からの加熱ができず、内部に窒素やスチームを流すことでしか昇温させることができないが、窒素やスチームの温度はそれほど高くなく、低温シフトコンバータ５や選択酸化ＣＯ除去器６等の反応器を所定の温度まで昇温させるのに長い時間を要していた。
【００１１】
本発明は、斯かる実情に鑑み、機器の間へのセラミックファイバ等の断熱材の充填を不要とし得、断熱層の容積を低減でき、装置の小型化並びに熱効率向上を図ることができ、更に、断熱層の施工の手間を大幅に軽減し得、メンテナンスも容易に行い得る燃料改質装置において、その起動時間を短縮し得る燃料改質装置の起動方法を提供しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、改質器とその関連機器とからなるユニットに対し、周囲に断熱層が形成される容器を被せて覆うと共に、該容器内部を改質器の燃焼ガスの流路とし、
前記改質器を、前記容器内部における中心部に配置され且つ燃焼器から噴射される燃焼ガスが流通する炉筒と、該炉筒と前記容器との間に形成される前記燃焼ガスの流路内に並設され且つ内部に改質触媒が装填され原料ガスを流通させてその改質を行うための複数の改質管とから構成し、
前記燃料ガスの流路内に、前記改質器の関連機器として、前記改質器から排出される排ガスの熱により水を蒸発させて水蒸気を発生させる水蒸発器と、前記改質器で改質した改質ガスを所要温度に温度降下させＣＯとＨ ₂ ＯをＣＯ ₂ とＨ ₂ に変換する低温シフトコンバータと、該低温シフトコンバータを通過した改質ガスを冷却しＣＯを除去するＣＯ除去器とを配設してなる燃料改質装置の起動方法であって、
前記改質器へ原燃料を供給しない状態で起動用燃料を燃焼させ、該起動用燃料を燃焼させた燃焼ガスを改質器において原燃料と熱交換させずに、高温のまま前記流路へ導いて低温シフトコンバータ及びＣＯ除去器の周囲に流し、該低温シフトコンバータ及びＣＯ除去器を加熱することを特徴とする燃料改質装置の起動方法にかかるものである。
【００１３】
上記手段によれば、以下のような作用が得られる。
【００１４】
容器をユニットに被せるだけで断熱層の施工が行われるため、従来のように、改質器とその関連機器との間にセラミックファイバ等の断熱材を充填したりする必要がなくなり、断熱層の施工の手間が大幅に軽減され、しかも、改質器内の触媒交換や点検等のメンテナンスの際には、容器を開放するだけで済み、その都度、断熱材を除去したり、改質器を切断したりする必要もない。又、容器内部を改質器の燃焼ガスの流路としてあるため、装置全体の構造が単純となり、コストダウンにつながる。
【００１５】
【００１６】
又、前記燃料改質装置においては、前記改質器を、燃焼器から噴射される燃焼ガスが流通する炉筒と、該炉筒と容器との間に形成される燃焼ガスの流路に並設され且つ内部に改質触媒が装填され原料ガスを流通させてその改質を行うための複数の改質管とから構成してあるため、改質管の多管化と燃焼器での高温燃焼による輻射伝熱利用により改質器の全長を短くすることが可能となり、これに伴って、関連機器を改質器の下側に配置でき、燃料改質装置の高さが高くなる心配もない。
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
一方、燃料改質装置の起動時に、前述の如く、改質器へ原燃料を供給しない状態で起動用燃料を燃焼させ、該起動用燃料を燃焼させた燃焼ガスを改質器において原燃料と熱交換させずに、高温のまま前記流路へ導いて低温シフトコンバータ及びＣＯ除去器の周囲に流し、該低温シフトコンバータ及びＣＯ除去器を加熱すると、これらの反応器を所定の温度まで昇温させるのに長い時間を必要とせず、起動時間が大幅に短縮されることになる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。
【００２３】
図１及び図２は本発明を実施する形態の一例であって、図中、図３及び図４と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、改質器１とその関連機器（水蒸発器２、原燃料気化器３、脱硫器４、低温シフトコンバータ５、及び選択酸化ＣＯ除去器６）とからなるユニットに対し、内筒１５ａと外筒１５ｂとの間に真空の断熱層１５ｃが形成される真空断熱容器１５を被せて覆うことにより、燃料改質装置を構成するようにしたものである。
【００２４】
本図示例の場合、前記真空断熱容器１５の内筒１５ａ自体を改質器１の一部として利用するようにし、該内筒１５ａの内部における中心部に、燃焼器１６から噴射される燃焼ガスが流通する炉筒１７を配置すると共に、該炉筒１７と前記内筒１５ａとの間に燃焼ガスの流路１８を形成し、該流路１８内に、内部に改質触媒（図示せず）が装填され原料ガスを流通させてその改質を行うための複数（図２の例では六本）の改質管１９を並設し、改質器１を構成するようにしてある。尚、前記改質管１９は、内管１９ａと外管１９ｂとからなる二重管構造としてあり、原料ガスを内管１９ａと外管１９ｂとの間に形成される外側の空間内を上昇させて前記燃焼ガスと熱交換させた後、その上端で折り返して内管１９ａの内側の空間内を下降させるようにしてある。
【００２５】
前記改質器１の炉筒１７は、ベースプレート２０から立設されたベース内筒２１の上端部に連結配置してあり、ベースプレート２０の外周端縁から立ち上がる長さの短いベース外筒２２の上端部に対し、前記真空断熱容器１５の下端部を図示していないボルト・ナット等の締結手段により着脱自在となるよう気密に接続し、前記ベースプレート２０とベース内筒２１とベース外筒２２と真空断熱容器１５の内筒１５ａとで画成され且つ前記燃焼ガスの流路１８に連通する筒状の空間２３内に、前記改質器１の関連機器としての水蒸発器２、原燃料気化器３、脱硫器４、低温シフトコンバータ５、及び選択酸化ＣＯ除去器６を配設するようにしてある。
【００２６】
前記ベース内筒２１の内部には、前記燃焼器１６へ空気を供給するための空気流路２４を形成すると共に、その軸心部に、前記燃焼器１６へアノードオフガス等の燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管２５を配設し、又、起動時には、前記燃焼器１６へ着火しやすい起動用燃料を供給するようにしてある。
【００２７】
次に、上記図示例の作用を説明する。
【００２８】
前述の如く構成すると、真空断熱容器１５をユニットに被せるだけで断熱層１５ｃの施工が行われるため、従来のように、改質器１とその関連機器との間にセラミックファイバ等の断熱材１３（図４参照）を充填したりする必要がなくなり、断熱層１５ｃの施工の手間が大幅に軽減され、しかも、改質器１内の触媒交換や点検等のメンテナンスの際には、真空断熱容器１５を開放するだけで済み、その都度、断熱材１３を除去したり、改質容器本体９（図４参照）を切断したりする必要もない。
【００２９】
本図示例においては、容器として内筒１５ａと外筒１５ｂとの間に真空の断熱層１５ｃが形成される真空断熱容器１５を採用しているため、断熱性能が極めて高くなり、断熱層１５ｃの容積が低減され、装置を小型化することが可能となる一方、放散熱量が抑えられ、熱効率の向上にも役立つこととなる。
【００３０】
又、本図示例においては、真空断熱容器１５の内筒１５ａ内部を改質器１の燃焼ガスの流路１８としてあるため、装置全体の構造が単純となり、コストダウンにつながり、更に、前記改質器１を、燃焼器１６から噴射される燃焼ガスが流通する炉筒１７と、該炉筒１７と真空断熱容器１５の内筒１５ａとの間に形成される燃焼ガスの流路１８に並設され且つ内部に改質触媒が装填され原料ガスを流通させてその改質を行うための複数の改質管１９とから構成してあるため、改質管１９の多管化と燃焼器１６での高温燃焼による輻射伝熱利用により改質器１の全長を短くすることが可能となり、これに伴って、水蒸発器２、原燃料気化器３、脱硫器４、低温シフトコンバータ５、選択酸化ＣＯ除去器６等の関連機器を改質器１の下側に配置でき、燃料改質装置の高さが高くなる心配もない。
【００３１】
一方、燃料改質装置の起動時には、起動用燃料が燃焼器１６へ供給されて燃焼が行われるが、改質器１には原燃料を供給しないため、前記起動用燃料を燃焼させた燃焼ガスは改質器１において原燃料と熱交換せず、高温のまま低温シフトコンバータ５及び選択酸化ＣＯ除去器６の周囲を流れ、これにより、低温シフトコンバータ５及び選択酸化ＣＯ除去器６が加熱され、これらの反応器を所定の温度まで昇温させるのに長い時間を必要とせず、起動時間が大幅に短縮されることになる。尚、通常運転時には、改質器１には原燃料が供給され、燃料ガスを燃焼させた燃焼ガスは、改質器１と、水蒸発器２並びに原燃料気化器３において原燃料と熱交換し、およそ２００［℃］程度に温度が下がり、低温シフトコンバータ５や選択酸化ＣＯ除去器６における反応の温度レベルになるため、前記燃焼ガスの流路となる筒状の空間２３内に低温シフトコンバータ５や選択酸化ＣＯ除去器６等の反応器を剥き出しで配置しても不要な熱交換が起こる心配はない。
【００３２】
こうして、機器の間へのセラミックファイバ等の断熱材１３の充填を不要とし得、断熱層１５ｃの容積を低減でき、装置の小型化並びに熱効率向上を図ることができ、更に、断熱層１５ｃの施工の手間を大幅に低減し得、メンテナンスも容易に行うことができ、又、起動時間を短縮し得る。
【００３３】
一般に、固体高分子型燃料電池８（ＰＥＦＣ）用のプロセスでは、改質ガス中に含まれる微量のＣＯは固体高分子型燃料電池８の被毒物質であって数ｐｐｍレベルまで除去する必要があるため、低温シフトコンバータ５を通過した改質ガスを冷却水で冷却し酸化反応によってＣＯを除去する選択酸化ＣＯ除去器６を用いているのであるが、該選択酸化ＣＯ除去器６の代りに、メタネーション反応、即ち、
【数１】
ＣＯ＋３Ｈ₂→ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ
という反応式で示されるメタンの改質の逆反応を用いるメタネータを、ＣＯ除去器として使用することも可能である。該メタネータにおいては、触媒としてＮｉ系のものが用いられ、およそ２５０［℃］程度で反応を進めるようにすれば、
【数２】
４Ｈ₂＋ＣＯ₂→ＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ
という反応式で示されるような反応が起こってしまうことはなく、暴走する心配もない。
【００３４】
尚、本発明の燃料改質装置の起動方法は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、内筒１５ａと外筒１５ｂとの間に真空の断熱層１５ｃが形成される真空断熱容器１５に限らず、前記内筒１５ａに対応するような形状の単なる容器の周囲に断熱性能の高い断熱材を巻き付けて断熱層を形成してもよいこと、原燃料を都市ガス等のガス燃料とした場合には原燃料気化器３は不要となること、原燃料によっては脱硫器４は真空断熱容器１５外部に設置することもあること等、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００３５】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の燃料改質装置の起動方法によれば、機器の間へのセラミックファイバ等の断熱材の充填を不要とし得、断熱層の容積を低減でき、装置の小型化並びに熱効率向上を図ることができ、更に、断熱層の施工の手間を大幅に低減し得、メンテナンスも容易に行い得る燃料改質装置において、その起動時間を短縮し得るという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を実施する形態の一例の側断面図である。
【図２】 図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図３】 改質器が設けられる設備の一例を表わす全体系統図である。
【図４】 従来の燃料改質装置の一例を表わす側断面図である。
【符号の説明】
１ 改質器
２ 水蒸発器（関連機器）
３ 原燃料気化器（関連機器）
４ 脱硫器（関連機器）
５ 低温シフトコンバータ（関連機器）
６ 選択酸化ＣＯ除去器（関連機器）
１５ 真空断熱容器（容器）
１５ａ 内筒
１５ｂ 外筒
１５ｃ 断熱層
１６ 燃焼器
１７ 炉筒
１８ 流路
１９ 改質管

Claims (1)

1. 改質器とその関連機器とからなるユニットに対し、周囲に断熱層が形成される容器を被せて覆うと共に、該容器内部を改質器の燃焼ガスの流路とし、
   前記改質器を、前記容器内部における中心部に配置され且つ燃焼器から噴射される燃焼ガスが流通する炉筒と、該炉筒と前記容器との間に形成される前記燃焼ガスの流路内に並設され且つ内部に改質触媒が装填され原料ガスを流通させてその改質を行うための複数の改質管とから構成し、
   前記燃料ガスの流路内に、前記改質器の関連機器として、前記改質器から排出される排ガスの熱により水を蒸発させて水蒸気を発生させる水蒸発器と、前記改質器で改質した改質ガスを所要温度に温度降下させＣＯとＨ ₂ ＯをＣＯ ₂ とＨ ₂ に変換する低温シフトコンバータと、該低温シフトコンバータを通過した改質ガスを冷却しＣＯを除去するＣＯ除去器とを配設してなる燃料改質装置の起動方法であって、
   前記改質器へ原燃料を供給しない状態で起動用燃料を燃焼させ、該起動用燃料を燃焼させた燃焼ガスを改質器において原燃料と熱交換させずに、高温のまま前記流路へ導いて低温シフトコンバータ及びＣＯ除去器の周囲に流し、該低温シフトコンバータ及びＣＯ除去器を加熱することを特徴とする燃料改質装置の起動方法。

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