JPH08259201A - 炭化水素燃料改質装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 常に活性な触媒性能を維持するとともに長寿
命な炭化水素燃料改質装置を提供する。 【構成】 天然ガスをメタンとメタン以外の炭化水素と
に分離する燃料分離装置１０と、この燃料分離装置１０
により分離されたメタンと水蒸気とを反応させて水素を
主成分とする燃料に改質するリフォーミング触媒層２２
とフォーミング触媒層２２を加熱するバーナー２４、２
５とを有する改質器２０とを備え、改質器２０のリフォ
ーミング触媒層２２に燃料分離装置１０により分離され
たメタンと水蒸気とを供給するとともに燃料分離装置１
０により分離されたメタン以外の炭化水素をバーナー２
４、２５の燃焼用燃料として供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炭化水素燃料改質装置
に係わり、特に、炭化水素燃料を水蒸気と混合してリフ
ォーミング触媒により水素および炭酸ガスを主体とした
無機ガスに改質して燃料電池の燃料ガスとして用いる炭
化水素燃料改質装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、燃料のもつ化学エネルギー
を電気化学反応により直接電気エネルギーに変換して発
電するもので、以下のような優れた特徴を有する電池で
ある。 （１）既存の火力発電システムにおけるカルノーサイク
ルの制約を受けないため発電効率が高く、排熱を利用す
ると総合効率は８０％に達し、高効率のエネルギー利用
が図れる。 （２）１００ＫＷ級から数万ＫＷ級までの比較的小さな
容量でも、最新鋭大容量火力発電システム並みの４０％
を超える高い発電効率が得られ、部分負荷での効率低下
も少ない。 （３）窒素酸化物などの大気汚染物質の排出や、騒音、
振動も少なく、環境への影響が少ない。 （４）天然ガス、ＬＰＧ、メタノール、ナフサ、灯油等
のほか、高温型燃料電池では石炭ガス化との組み合わせ
も可能であり、燃料の多様化が図れる。 （５）多量の冷却水（海水）を確保する必要がないので
内陸部にも設置できる。このため、最近のエネルギー政
策、地球環境問題の高まりの中で需要地に近接して設置
できる分散電源、コージェネレーション用電源として燃
料電池の早期実用化が強く要望されている。

【０００３】この種燃料電池は、天然ガス、ＬＰＧ、メ
タノール、ナフサ等の炭化水素燃料をニッケル触媒より
なるリフォーミング触媒の存在下で水蒸気改質反応を行
って水素および一酸化炭素を生成させ、この生成された
水素リッチガスを燃料電池の燃料極（負極）に導き、水
素リッチガス中の水素と酸素極（正極）に導かれた酸素
とを例えば白金を触媒として電気化学的に反応させて発
電するものである。水蒸気改質反応の反応式は一般的な
炭化水素ＣｍＨｎに対して、下記の数１の式で表現され
る。

【０００４】

【数１】 ＣｍＨｎ＋ｍＨ₂Ｏ→ｍＣＯ＋（（２ｍ＋ｎ）／２）Ｈ₂＋（吸熱） この水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、反応に必要
な熱量は燃焼などにより外部から加える必要がある。ま
た、この改質反応と平行して下記の数２の式で表現され
るシフト反応も同時に進行するが、水蒸気改質反応を行
う主反応器である改質器の温度条件下では、平衡状態に
おいてもＣＯがかなり残留することとなる。

【０００５】

【数２】ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ_２

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
水蒸気改質反応は主反応器である改質器内で、７００〜
９００℃の高温の温度環境下で行われるものである。ま
た、天然ガスは、ＣＨ_４（メタン）を主成分とし、Ｃ₂
Ｈ₆（エタン）、Ｃ₃Ｈ₈（プロパン）、Ｃ₄Ｈ₁₀（ブタ
ン）、Ｃ₅Ｈ₁₂（ペンタン）等の炭化水素を含有するも
のである。したがって、天然ガスを燃料電池の燃料とし
て使用するために水蒸気改質反応を行わせる場合、Ｃ₂
Ｈ₆（エタン）、Ｃ₃Ｈ₈（プロパン）、Ｃ₄Ｈ₁₀（ブタ
ン）、Ｃ₅Ｈ₁₂（ペンタン）等のメタン以外の炭化水素
はメタンに比較して安定性が低いため、これらのメタン
以外の炭化水素は主反応器である改質器内のリフォーミ
ング触媒層に至るまでに熱分解反応を生じる。

【０００７】ここで、水蒸気改質反応をさせるまでに炭
化水素が熱分解反応を受けると、熱分解反応により生じ
た炭素がリフォーミング触媒に付着するという事態を生
じる。炭素がリフォーミング触媒に付着すると、リフォ
ーミング触媒に炭素が付着した分、リフォーミング触媒
の表面積が減少して触媒性能が低下するとともに、触媒
の寿命も低下するという問題を生じた。そこで、本発明
は上記問題点に鑑みてなされたものであり、常に活性な
触媒性能を維持するとともに長寿命な炭化水素燃料改質
装置を提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の構成上の特徴
は、炭化水素燃料をメタンとメタン以外の炭化水素とに
分離する燃料分離装置と、この燃料分離装置により分離
されたメタンと水蒸気とを反応させて水素を主成分とす
る燃料に改質するリフォーミング触媒層とこのリフォー
ミング触媒層を加熱する加熱装置を有する改質器とを備
え、この改質器のリフォーミング触媒層にメタンと水蒸
気を供給するとともにメタン以外の炭化水素を加熱装置
の燃料として供給するようにしたことにある。

【０００９】

【発明の作用・効果】上記のように構成した本発明にお
いては、リフォーミング触媒層にメタンと水蒸気のみを
供給するので、メタンは改質器内の触媒層に至るまでに
熱分解されることはなく、炭素が析出しなくなるので、
常に活性な触媒性能を維持するとともに触媒の寿命も長
寿命となる。また、メタン以外の炭化水素を加熱装置の
燃料として供給するようにしたので、炭化水素燃料の利
用効率が向上する。

【００１０】

【実施例】本発明の実施例を図に基づいて説明する。図
１は本発明の炭化水素燃料改質装置の一実施例の要部を
示す図である。ＣＨ₄（メタン）を主成分とし、Ｃ₂Ｈ₆
（エタン）、Ｃ₃Ｈ₈（プロパン）、Ｃ₄Ｈ₁₀（ブタ
ン）、Ｃ₅Ｈ₁₂（ペンタン）等を含有する天然ガス中に
含まれる硫化水素や付臭剤として添加されている硫黄分
が図示しない脱硫器により除去された後、脱硫された天
然ガスが燃料分離装置１０内に流入するように脱硫器
（図示せず）と原料配管１１と燃料分離装置１０とが接
続されている。

【００１１】燃料分離装置１０内に流入した天然ガス
は、後述するように、ＣＨ₄（メタン）とＣ₂Ｈ₆（エタ
ン）、Ｃ₃Ｈ₈（プロパン）、Ｃ₄Ｈ₁₀（ブタン）、Ｃ₅Ｈ
₁₂（ペンタン）等よりなるメタン以外の炭化水素とに分
離される。燃料分離装置１０により分離されたＣＨ
₄（メタン）は燃料配管１２を介して改質器２０の改質
管２１内に導入される。また、燃料配管１２の改質器２
０の手前には水蒸気用配管１４が配設されており、この
水蒸気用配管１４を介して図示しない水蒸気供給器より
水蒸気が供給されて、ＣＨ₄（メタン）と混合されて改
質器２０の改質管２１内に導入される。

【００１２】改質器２０の改質管２１内にはリフォーミ
ング触媒となるニッケル触媒２２が充填されており、こ
の改質管２１内に導入されたＣＨ₄（メタン）と水蒸気
とがニッケル触媒２２により、前述の数１の改質反応に
より水素と一酸化炭素に改質される。これと同時に、上
述の数２のシフト反応により一酸化炭素が二酸化炭素と
水素にシフトされ、改質配管２３を介して次段の一酸化
炭素変成器に供給されて、この一酸化炭素変成器により
改質ガス中の一酸化炭素濃度を減少させ、図示しない燃
料電池の燃料極（負極）に供給される。

【００１３】一方、燃料分離装置１０により分離された
Ｃ₂Ｈ₆（エタン）、Ｃ₃Ｈ₈（プロパン）、Ｃ₄Ｈ₁₀（ブ
タン）、Ｃ₅Ｈ₁₂（ペンタン）等よりなるメタン以外の
炭化水素は燃焼用配管１３を介して改質器２０のバーナ
ー２４、２５に供給され、バーナー２４、２５の燃焼用
燃料として燃焼される。Ｃ₂Ｈ₆（エタン）、Ｃ₃Ｈ₈（プ
ロパン）、Ｃ₄Ｈ₁₀（ブタン）、Ｃ₅Ｈ₁₂（ペンタン）等
のメタン以外の炭化水素よりなる燃焼用燃料がバーナー
２４、２５により燃焼されることにより、改質器２０内
の温度は７００〜９００℃に維持される。なお、改質器
２０の上部には、燃焼された排気ガスを排出するための
排気筒２６が配設されている。

【００１４】図２は、本発明の燃料分離装置の一実施例
を示す図である。本実施例の燃料分離装置１０は、原料
配管１１より供給される天然ガスを原料配管１１ａ、１
１ｂ側（図２ではＡ側）と窒素ガスボンベ１５側（図２
ではＢ側）とに選択的に切り換える第１の二方向切換弁
１４と、原料配管１１ａ、１１ｂ内の天然ガスをオーブ
ン１７に流出させる窒素ボンベ１５と、原料配管１１ａ
内を流れる天然ガスの流量を調整する流量計１６と、流
入した天然ガスを加熱するオーブン１７と、オーブン１
７より流出した天然ガスを燃料配管１２側（図２ではＣ
側）と燃焼用配管１３側（図２ではＤ側）とに選択的に
切り換える第２の二方向切換弁１８とから構成されてい
る。

【００１５】図３は、第１の二方向切換弁１４および第
２の二方向切換弁１８の切換動作とオーブン１７より流
出する天然ガスの成分を時系列的に示した図である。図
３に基づいて本実施例の燃料分離装置１０の動作を説明
する。まず、時刻ｔ＝０において、第１の二方向切換弁
１４をＴ₁時間の間Ａ側に切換える。すると、脱硫され
たＣＨ₄（メタン）、Ｃ₂Ｈ₆（エタン）、Ｃ₃Ｈ₈（プロ
パン）、Ｃ₄Ｈ₁₀（ブタン）、Ｃ₅Ｈ₁₂（ペンタン）等よ
りなる天然ガスは、原料配管１１より第１の二方向切換
弁１４に流入し、原料配管１１ａ内に流入する。

【００１６】ついで、時刻ｔ＝ｔ₁において、第１の二
方向切換弁１４をＴ₂時間の間Ｂ側に切り換えるととも
に、第２の二方向切換弁１８をＴ₃時間の間Ｃ側に切り
換える。すると、窒素ガスボンベ１５から流出した窒素
ガスにより、原料配管１１ａ、流量計１６および原料配
管１１ｂ内の天然ガスはオーブン１７内に押し出される
こととなる。オーブン１７はガスクロマトグラフィと同
一原理で混合ガスを分離する機能を有しており、オーブ
ン１７内の充填材は、４５〜１１０℃の温度に加熱され
ており、このオーブン１７内に流入した天然ガスは、図
３に示されるような時系列順に、まず、ＣＨ₄（メタ
ン）が原料配管１１ｃに流出し、ついで、Ｃ₂Ｈ₆（エタ
ン）、Ｃ₃Ｈ₈（プロパン）、Ｃ₄Ｈ₁₀（ブタン）、Ｃ₅Ｈ
₁₂（ペンタン）等よりなるメタン以外の炭化水素が原料
配管１１ｃに流出する。

【００１７】したがって、時刻ｔ＝ｔ₁〜ｔ₂の間にオー
ブン１７内に流入した天然ガスは、オーブン１７内で分
離されて、ＣＨ₄（メタン）を燃料配管１２を介して流
出させる。ついで、時刻ｔ＝ｔ₂において、第２の二方
向切換弁１８をＴ₄時間だけＤ側に切換える。すると、
オーブン１７内で分離されたＣ₂Ｈ₆（エタン）、Ｃ₃Ｈ₈
（プロパン）、Ｃ₄Ｈ₁₀（ブタン）、Ｃ₅Ｈ₁₂（ペンタ
ン）等よりなるメタン以外の炭化水素を燃焼用配管１３
を介して流出させる。

【００１８】同様に、時刻ｔ＝ｔ₃において、第１の二
方向切換弁１４をＴ₁時間の間Ａ側に切換え、脱硫した
天然ガスを原料配管１１ａ内に流入させる。そして、時
刻ｔ＝ｔ₄において、第１の二方向切換弁１４をＴ₂時間
の間Ｂ側に切り換えるとともに、第２の二方向切換弁１
８をＴ₃時間の間Ｃ側に切り換える。すると、窒素ガス
ボンベ１５から流出した窒素ガスにより、原料配管１１
ａ、流量計１６および原料配管１１ｂ内の天然ガスはオ
ーブン１７内に押し出されることとなる。したがって、
時刻ｔ＝ｔ₄〜ｔ₅の間にオーブン１７内に流入した天然
ガスは、オーブン１７内で分離されて、ＣＨ₄（メタ
ン）を燃料配管１２を介して流出させる。ついで、時刻
ｔ＝ｔ₅において、第２の二方向切換弁１８をＴ₄時間の
間Ｄ側に切換え、オーブン１７内で分離されたＣ₂Ｈ
₆（エタン）、Ｃ₃Ｈ₈（プロパン）、Ｃ₄Ｈ₁₀（ブタ
ン）、Ｃ₅Ｈ₁₂（ペンタン）等よりなるメタン以外の炭
化水素を燃焼用配管１３を介して流出させる。上述と同
様の操作を繰り返す。

【００１９】下記の表１は、改質器２０の改質管２１内
に天然ガスをそのまま使用して水蒸気改質反応をさせた
場合のニッケル触媒の触媒性能と、本実施例のように改
質器２０の改質管２１内に天然ガスを分離してメタンの
みを使用して水蒸気改質反応をさせた場合のニッケル触
媒の触媒性能とを比較したデータを示している。

【００２０】

【表１】

【００２１】なお、上記表１においては、常温、常圧で
６００ｌ（リットル）の天然ガスを流した場合の炭素析
出量と、炭化水素利用率を表している。この表１より明
らかなように、天然ガスを分離してＣＨ₄（メタン）の
みを水蒸気改質反応させるとニッケル触媒の触媒性能が
格段に向上することがわかる。

【００２２】上述のように構成した本実施例において
は、リフォーミング触媒層となるニッケル触媒層２２に
ＣＨ₄（メタン）と水蒸気のみを供給するので、ＣＨ
₄（メタン）は改質器２０の改質管２１内に充填される
ニッケル触媒層２２に至るまでに熱分解されることはな
く、炭素が析出しなくなるので、常に活性な触媒性能を
維持するとともに触媒の寿命も長寿命となる。また、Ｃ
₂Ｈ₆（エタン）、Ｃ₃Ｈ₈（プロパン）、Ｃ₄Ｈ₁₀（ブタ
ン）、Ｃ₅Ｈ₁₂（ペンタン）等よりなるメタン以外の炭
化水素を加熱装置の燃料として供給するようにしたの
で、炭化水素燃料の利用効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の炭化水素燃料改質装置の一実施例の
要部を示す図である。

【図２】 本発明の燃料分離装置の一実施例を示す図で
ある。

【図３】 第１および第２の二方向切換弁の切換動作と
燃料分離装置より流出する天然ガスの成分の関係を示す
図である。

【符号の説明】

１０…燃料分離装置、１１…原料配管、１２…燃料配
管、１３…燃焼用配管、１４…水蒸気用配管、２０…改
質器、２１…改質管、２２…リフォーミング触媒層、２
３…改質配管、２４、２５…バーナー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松浦 市朗 愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日 本碍子株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭化水素燃料をメタンとメタン以外の炭
   化水素とに分離する燃料分離装置と、 前記燃料分離装置により分離されたメタンと水蒸気とを
   反応させて水素を主成分とする燃料に改質するリフォー
   ミング触媒層と該リフォーミング触媒層を加熱する加熱
   装置を有する改質器とを備え、 前記改質器のリフォーミング触媒層に前記燃料分離装置
   により分離されたメタンと前記水蒸気を供給するととも
   に前記燃料分離装置により分離されたメタン以外の炭化
   水素を前記加熱装置の燃焼用燃料として供給するように
   したことを特徴とする炭化水素燃料改質装置。