JPH107402A

JPH107402A - 燃料電池の反応器

Info

Publication number: JPH107402A
Application number: JP8182719A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Takahashi; 守高橋; Osao Okamura; 長生岡村
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Industrial Technology Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Industrial Technology Corp
Priority date: 1996-06-25
Filing date: 1996-06-25
Publication date: 1998-01-13

Abstract

(57)【要約】【課題】脱硫触媒層を持つ脱硫器とこれに関連する熱
交換器を含めて反応器のシステム全体をコンパクトに
し、なおかつ周りの放熱量が少ない効率の良い燃料電池
の反応器を提供することである。【解決手段】原料ガスを反応器本体１７の中心部円筒
の脱硫触媒層１８に入れて通過した後に改質器３に入
れ、改質器３で改質した水蒸気改質ガスを反応器本体１
７のＬＴＳ触媒層仕切板２１で区分されたＬＴＳ触媒層
９の内側に入れ、この内側のＬＴＳ触媒層９ａから外側
のＬＴＳ触媒層９ｂに導く。そして、水素リッチな改質
ガスとし燃料電池本体に導く。一方、ＬＴＳ触媒層仕切
板２１に形成されたＬＴＳ触媒層冷却ダクト２２には冷
却水を供給してＬＴＳ触媒層９を冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原料ガスを脱硫し
水蒸気を混合して一酸化炭素と水蒸気とを含む水蒸気改
質ガスを生成し、水蒸気改質ガスに含まれる一酸化炭素
を低減させ水素リッチな改質ガスを得る燃料電池の反応
器に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、燃料電池発電システムは、天然
ガスやプロパンガス等の原料ガスの有している化学エネ
ルギーを電気エネルギーに変換するものである。この場
合、原料ガスを改質して水素リッチな改質ガスを得て、
その水素リッチなガスを燃料電池本体に供給して発電す
る。

【０００３】原料ガスに含まれる硫黄化合物は脱硫器で
除去され、脱硫された燃料ガスはエゼクタで水蒸気を加
え、改質器で改質されて水蒸気改質ガスとなる。この水
蒸気改質ガスには、一酸化炭素が含まれているので一酸
化炭素変成器で一酸化炭素を除去する。そして、一酸化
炭素を除去された水素リッチな改質ガスを燃料電池本体
に供給して、水素と酸素とを反応させて電気を発生す
る。燃料電池本体で発電される電力は直流電力であるの
で、その直流を交流に変換装置で変換し電力系統に送出
されることになる。ここで、燃料電池発電システムに
は、燃料電池本体の動作や水素生成に適した温度に差動
ガスの温度を保つための熱交換器等も重要な装置として
設けられている。

【０００４】図１２は、原料ガスから水素リッチな改質
ガスを得る工程の説明図である。炭化水素を主成分とす
る原料ガスは、水蒸気が付加されて水素添加器１に送気
され、有機硫黄を吸着除去しやすい硫化水素に転換した
後、脱硫器１に供給される。

【０００５】脱硫器２は原料ガス中の硫黄化合物を除去
するものであり、リサイクルラインを通って、燃料電池
本体に供給される水素リッチな改質ガスを一部再循環さ
せている。脱硫器２の内部には脱硫触媒が充填されてお
り、その脱硫触媒の作用により、原料ガス中の硫黄化合
物を以下の反応により除去する。

【０００６】

【数１】

【０００７】上記（１）式および（２）式から明らかな
ように、硫黄化合物を硫化水素に転換させるには、水素
の添加が必要である。このため、改質後の水素リッチな
改質ガスの一部がリサイクルラインを通って脱硫器２の
入口に供給されている。

【０００８】脱硫された原料ガスは改質器３に供給され
る。改質器３では原料ガスに水蒸気を加え、内部に充填
された触媒の作用により、燃料電池本体に必要な水素に
変換する。その反応式を次に示す。

【０００９】

【数２】

【００１０】上記（３）式から分かるように、改質器３
の出口ガスは一酸化炭素ＣＯを多量に含んでいる。この
一酸化炭素は、燃料電池本体の触媒に悪影響を及ぼすの
で、極力低減させなければならない。つまり、燃料電池
本体の電極には白金触媒などの貴金属触媒が使用されて
いるおり、改質ガスに含まれている一酸化炭素により被
毒され活性が低下するので、燃料電池本体に入る改質ガ
スの一酸化炭素量を１．０％以下にする必要がある。そ
こで、その一酸化炭素を低減させるため、改質器３の下
流側に高温一酸化炭素変成器５及び低温一酸化炭素変成
器７を設置している。

【００１１】すなわち、改質器３にて７００℃〜８００
℃で水蒸気改質された水蒸気改質ガスは第１段の熱交換
器により冷却媒体と熱交換してその温度を低下させた
後、高温一酸化炭素変成器５にて高温用のＨＴＳ触媒の
下で３００℃〜４００℃で改質され、この改質ガスはさ
らに第２段の熱交換器６にて冷却媒体と熱交換してその
温度を低下させた後、低温一酸化炭素変成器７にて低温
用のＬＴＳ触媒の下に２００℃〜３００℃で改質され一
酸化炭素が除去される。

【００１２】高温一酸化炭素変成器５の内部には、ＨＴ
Ｓ触媒が充填されており、また、低温一酸化炭素変成器
７の内部にはＬＴＳ触媒が充填されており、それら触媒
層では、以下の（４）式で示すシフト反応が行われ、そ
れぞれの反応器の出口で一酸化炭素を低減させ、同時に
発電に必要な水素を増加させている。

【００１３】

【数３】

【００１４】この反応は可逆反応なので、右方向への反
応と同時に左方向への反応も進行している。その反応の
度合いは混合ガスの反応速度および化学平衡値によって
決まる。すなわち、温度が高いと反応速度は速いが、平
衡定数が小さいので一酸化炭素濃度が高い状態で平衡に
達してしまう。そこで、高温一酸化炭素変成器５および
低温一酸化炭素変成器７の２段でシフト反応をさせるよ
うにしている。

【００１５】ここで、２段の一酸化炭素変成器を使用す
ると装置が大型化するので、特開平２−１８８４０６号
公報に示されるように、２段の一酸化炭素変成器および
熱交換器を一体化したものが提案されている。

【００１６】図１３は、そのような１段の一酸化炭素変
成器の説明図である。これは、高温用のＨＴＳ触媒層８
と低温用のＬＴＳ触媒層９とを同一のケーシング１０に
収納しコンパクト化を図ったものである。

【００１７】すなわち、ケーシング１０の上部に水蒸気
改質ガスを導入する入口１１を設け、ケーシング１０の
下部に一酸化炭素が除去された改質ガスを出すための出
口１２を設け、入口メッシュ１３と仕切メッシュ１４と
で区画される内部にＨＴＳ触媒層８を形成し、仕切メッ
シュ１４と出口メッシュ１５とで区画される内部にＬＴ
Ｓ触媒層９を形成している。そして、ＨＴＳ触媒層８内
に冷却水の蛇管１６を設けてＨＴＳ触媒層８を冷却する
ようにしている。つまり、図１２に示す高温一酸化炭素
変成器５、第２段の熱交換器６、および低温一酸化炭素
変成器７を一つのケーシング１０に収納して、設備をコ
ンパクト化したものである。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
反応器では、下記に述べるような問題点がある。（１）冷却用の蛇管１６はコイル状に形成されるので、
管と管との間の空間に触媒粒子が入りにくく、ＨＴＳ触
媒の充填が不均一になる。したがって、水蒸気改質ガス
の流れも不均一になり、高温一酸化炭素変成器部分の出
口のガスの温度分布や一酸化炭素濃度も不均一になる。（２）一般に、触媒はある一定時間の運転で寿命に達す
るので、そのときに触媒を交換しなければならないが、
特にＨＴＳ触媒の交換時に上記コイル状の冷却蛇管が邪
魔になり作業時間が長くかかる。

【００１９】本発明の目的は、脱硫触媒層を持つ脱硫器
とこれに関連する熱交換器を含めて反応器のシステム全
体をコンパクトにし、なおかつ周りの放熱量が少ない効
率の良い燃料電池の反応器を提供することである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、原料
ガスを脱硫触媒を通して脱硫し、エゼクタで水蒸気を混
合して改質器で改質して一酸化炭素と水蒸気とを含む水
蒸気改質ガスを生成し、水蒸気改質ガスに含まれる一酸
化炭素を低減させ水素リッチな改質ガスを得るようにし
た燃料電池の反応器であって、２重円筒型容器で形成さ
れた反応器本体と、反応器本体の中心部円筒に保温材で
覆って収納され原料ガスから硫黄化合物を除去するため
の反応に寄与する脱硫触媒層と、反応器本体の外側円筒
部に保温材で覆って収納され水蒸気改質ガスから一酸化
炭素を除去するための低温での反応に寄与するＬＴＳ触
媒層と、ＬＴＳ触媒層を同心状に区分するように設けら
れた円筒状のＬＴＳ触媒層仕切板と、ＬＴＳ触媒層仕切
板に形成されＬＴＳ触媒層を冷却するための冷却水を通
すＬＴＳ触媒層冷却ダクトとを備えたものである。

【００２１】請求項１の発明では、原料ガスを反応器本
体の中心部円筒の脱硫触媒層に入れて通過した後に改質
器に入れ、改質器で改質した水蒸気改質ガスを反応器本
体のＬＴＳ触媒層仕切板で区分されたＬＴＳ触媒層の内
側に入れ、この内側のＬＴＳ触媒層から外側のＬＴＳ触
媒層に導く。そして、水素リッチな改質ガスとし燃料電
池本体に導く。一方、ＬＴＳ触媒層仕切板に形成された
ＬＴＳ触媒層冷却ダクトには冷却水を供給してＬＴＳ触
媒層を冷却する。

【００２２】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、ＬＴＳ触媒層冷却ダクトは、２枚のＬＴＳ触媒層仕
切板の円周方向に凹溝を設け、その２枚のＬＴＳ触媒層
仕切板の凹溝を対面させて密閉接合して形成され、連通
する一つの冷却流路としてたものである。

【００２３】請求項２の発明では、請求項１の発明の作
用に加え、２枚のＬＴＳ触媒層仕切板を接合して形成さ
れた一つの冷却流路であるＬＴＳ触媒層冷却ダクトに冷
却水を通水しＬＴＳ触媒層を冷却する。

【００２４】請求項３の発明は、請求項２の発明におい
て、ＬＴＳ触媒層冷却ダクトは、冷却流路の途中までは
流路断面積を小さくし、冷却媒体が蒸発する点付近より
手前で流路断面積を大きくしたものである。

【００２５】請求項３の発明では、請求項２の発明の作
用に加え、液相状態の冷却水は流路断面積の小さい冷却
流路を流れ、気相状態の冷却水は流路断面積の大きい冷
却流路を流れ、ＬＴＳ触媒層での反応を促進するための
除熱を効率よく行う。

【００２６】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、反応器本体の中心部円筒に収納された脱硫触媒層の
中心部に、水蒸気改質ガスから一酸化炭素を除去するた
めの高温での反応に寄与するＨＴＳ触媒層を形成し、脱
硫触媒層とＨＴＳ触媒層とを円筒状の触媒層仕切板で仕
切り、原料ガスを脱硫触媒層に導くと共にその過程で原
料ガスを加熱するための原料ガス加熱ダクトを触媒層仕
切板に形成し、ＨＴＳ触媒層を同心状に円筒状のＨＴＳ
触媒層仕切板で区分し、このＨＴＳ触媒層仕切板にＨＴ
Ｓ触媒層を冷却するための冷却水を通すためのＨＴＳ触
媒層冷却ダクトを形成し、ＨＴＳ触媒層を通過した改質
ガスをＬＴＳ触媒層に導くと共にその過程で脱硫触媒層
を加熱するための脱硫触媒層加熱ダクトを脱硫触媒層の
円筒状側壁に設けたものである。

【００２７】請求項４の発明では、請求項１の発明の作
用に加え、原料ガスは原料ガス加熱ダクトを通って加熱
されながら反応器本体の脱硫触媒層に導かれ、脱硫触媒
層で脱硫された原料ガスはエゼクタに供給される。そし
て、脱硫された原料ガスと水蒸気とを加熱して触媒反応
させる改質器から流出した水蒸気改質ガスを反応器本体
の中央部のＨＴＳ触媒層に入れ、ＨＴＳ触媒層を通過し
た改質ガスは脱硫触媒層加熱ダクトを通って脱硫触媒層
を加熱しつつＬＴＳ触媒層に導かれ、水素リッチな改質
ガスとなって燃料電池本体に供給される。一方、ＨＴＳ
触媒層はＨＴＳ触媒層冷却ダクトに冷却水を通水して冷
却し、ＬＴＳ触媒層はＬＴＳ触媒層冷却ダクトに冷却水
を通水して冷却する。

【００２８】請求項５の発明は、請求項４の発明におい
て、原料ガス加熱ダクト、ＨＴＳ触媒層冷却ダクト、ま
たは脱硫触媒層加熱ダクトは、２枚の仕切板の円周方向
に凹溝を設け、その２枚の仕切板の凹溝を対面させて密
閉接合して形成され、連通する一つの流路としたもので
ある。

【００２９】請求項５の発明では、請求項４の発明にお
いて、原料ガス加熱ダクト、ＨＴＳ触媒層冷却ダクト、
または脱硫触媒層加熱ダクトは、それぞれ２枚の仕切板
を接合して形成された一つの流路であるダクトに流体を
通して熱交換を行う。

【００３０】請求項６の発明は、請求項１の発明におい
て、反応器本体の中心部円筒に収納された脱硫触媒層の
内部に直径が小さい小径の伝熱管を複数本林立させ、伝
熱管の内側にＨＴＳ触媒層を充填すると共にＨＴＳ触媒
層を冷却するための冷却水を通す水冷却管を設けたもの
である。

【００３１】請求項６の発明では、請求項１の発明の作
用に加え、原料ガスは反応器本体の脱硫触媒層に導か
れ、脱硫触媒層で脱硫された原料ガスはエゼクタに供給
される。そして、脱硫された原料ガスと水蒸気とを加熱
して触媒反応させる改質器から流出した水蒸気改質ガス
を反応器本体内部の伝熱管のＨＴＳ触媒層に入れ、ＨＴ
Ｓ触媒層を通過した改質ガスはＬＴＳ触媒層に導かれ、
水素リッチな改質ガスとなって燃料電池本体に供給され
る。一方、ＨＴＳ触媒層は伝熱管内部に設けられた水冷
却管に冷却水を通水して冷却する。つまり、伝熱管の内
側のＨＴＳ触媒層と外側の脱硫触媒とで熱交換して、内
側では一酸化炭素を減少させ、外側では原料ガスに含ま
れる硫黄分を除去する。

【００３２】請求項７の発明は、原料ガスを脱硫触媒を
通して脱硫し、エゼクタで水蒸気を混合して改質器で改
質して一酸化炭素と水蒸気とを含む水蒸気改質ガスを生
成し、水蒸気改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減させ
水素リッチな改質ガスを得るようにした燃料電池の反応
器であり、直径が大きい円筒容器で形成され原料ガスか
ら硫黄化合物を除去するための反応に寄与する脱硫触媒
層を収納した反応器本体と、反応器本体の内部に複数本
配置された２重管構成の小径の伝熱管と、伝熱管の上部
に収納され水蒸気改質ガスから一酸化炭素を除去するた
めの高温での反応に寄与するＨＴＳ触媒層と、伝熱管の
下部に収納され水蒸気改質ガスから一酸化炭素を除去す
るための低温での反応に寄与するＬＴＳ触媒層と、伝熱
管の内部に設けられＨＴＳ触媒層およびＬＴＳ触媒層を
冷却するための冷却水を通す水冷却管と、２重管構成の
伝熱管の管壁間に螺旋状のスペーサを取り付けて形成さ
れ原料ガスを脱硫触媒層に導くと共にその過程で原料ガ
スを加熱するための原料ガス加熱ダクトと、水蒸気改質
ガスを伝熱管に導くと共にその過程で脱硫触媒層を加熱
するための脱硫触媒層加熱ダクトとを備えたものであ
る。

【００３３】請求項７の発明では、原料ガスは原料ガス
加熱ダクトを通って加熱されながら反応器本体の脱硫触
媒層に導かれ、脱硫触媒層で脱硫された原料ガスはエゼ
クタに供給される。そして、脱硫された原料ガスと水蒸
気とを加熱して触媒反応させる改質器から流出した水蒸
気改質ガスは、脱硫触媒層加熱ダクトを通って加熱され
ながら反応器本体内部に設けられた伝熱管内の上部のＨ
ＴＳ触媒層に入り、ＨＴＳ触媒層を通過した改質ガスは
伝熱管内の下部のＬＴＳ触媒層に導かれ、水素リッチな
改質ガスとなって燃料電池本体に供給される。一方、Ｈ
ＴＳ触媒層およびＬＴＳ触媒層は伝熱管内部に設けられ
た水冷却管に冷却水を通水して冷却する。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。図１は本発明の第１の実施の形態を示す構成図で
ある。この第１の実施の形態は、反応器本体１７を２重
円筒型容器で形成し、反応器本体１７の中心部円筒に脱
硫触媒（ＨＤＳ）１８を収納する脱硫触媒容器１９を設
け、この周りに同一軸で２重円筒状のＬＨＳ触媒層容器
２０を設けたものである。ＬＨＳ触媒層容器２０にはＬ
ＨＳ触媒層９が収納されており、このＬＨＳ触媒層９は
ＬＴＳ触媒層仕切板２１にて２区画に区分され、さらに
ＬＨＳ触媒層仕切板２１にはＬＨＳ触媒層冷却ダクト２
２が形成されている。また、これら脱硫触媒容器１９お
よびＬＴＳ触媒層容器２０は保温材で覆われている。

【００３５】都市ガス等の原料ガスは、燃料供給ライン
２３から反応器本体１７の脱硫触媒層１８に供給され
る。この燃料供給ライン２３には、燃料電池本体２４に
供給する水素リッチな改質ガスをオリフィス２５を介し
て燃料供給ライン２３に取り込むためのリサイクルライ
ン２６が接続されている。

【００３６】脱硫触媒層８に入れられた原料ガスはこれ
を通過して脱硫され、エゼクタ２７に入れられる。エゼ
クタ２７に入れられた脱硫後の原料ガスは、第１の熱交
換器２８で加熱された水蒸気と混合されて改質器３に供
給される。改質器３では原料ガスを水素に改質し水蒸気
改質ガスとして第１の熱交換器２８および第２の熱交換
器２９を通って、反応器本体１７のＬＴＳ触媒層９に入
る。

【００３７】この場合、ＬＴＳ触媒層仕切板２１で区分
された内側の第１触媒層９ａに入り、下部でターンして
外側に設けた第２触媒層９ｂを通過し、一酸化炭素を除
去する。そして、水素リッチな改質ガスとなり燃料電池
本体２４に入れる。この燃料電池本体２４に供給される
水素リッチな改質器ガスの一部は、上述したようにリサ
イクルライン２５を通って脱硫触媒層１８に供給され
る。

【００３８】なお、以上の説明では、水蒸気改質ガス
は、内側の第１触媒層９ａに入り、下部でターンして外
側に設けた第２触媒層９ｂを通過するようにしている
が、その逆の外側の第２触媒層９ｂに入り、下部でター
ンして内側に設けた第１触媒層９ａを通過し燃料電池本
体２４に水素リッチな改質ガスを供給するようにしても
良い。

【００３９】燃料電池本体２４での化学反応により発生
した水分（水蒸気）は、気水分離器３０に導かれる。気
水分離器３０は水分を蒸気と水に分離するものであり、
この気水分離器３０からの蒸気は第１の熱交換器２８を
介して改質用の蒸気としてエゼクタ２７に供給される。
一方、気水分離器３０の水は冷却水供給ポンプ３１によ
り、第２の熱交換器および反応器本体１７のＬＴＳ触媒
層冷却ダクト２２に供給される。第２の熱交換器２９
は、水蒸気改質ガス温度を、一酸化炭素を除去するため
の反応に適切な温度に熱交換するものであり、ＬＴＳ触
媒層冷却ダクト２２は、一酸化炭素を除去するための反
応による発熱を除熱するものである。

【００４０】ここで、ＬＴＳ触媒層仕切板２１の断面図
を図２に示す。ＬＴＳ触媒層仕切板２１は２枚の円筒形
状の仕切板２１ａ、２１ｂから成り、各々の仕切板２１
ａ、２１ｂにはそれぞれ円周方向に凹溝が形成されてい
る。そして、この２枚の仕切板２１ａ、２１ｂを凹溝を
対向させて密着接合し、これにより形成される空間を冷
却媒体を流すＬＴＳ触媒層ダクト２２としている。

【００４１】円筒形状の仕切板２１ａ、２１ｂを縦に切
って、円周方向に展開したものを図３に示す。ＬＴＳ触
媒層冷却ダクト２２は、図３に示すように、下端の冷却
媒体の入口孔３２に繋がり、約１円周を回って１段上部
のダクト構成部に接続され、以下同様に円周上を往復し
ながら１段ずつ上段に上がり、最後に冷却媒体の出口孔
３３に接続されるように構成されている。そして、仕切
板２１ａ、２１ｂを接合し円周方向に曲げて左右の側端
同士を縦溶接し、ＬＴＳ触媒層冷却ダクト２２を構成し
ている。

【００４２】この第１の実施の形態では、ＨＴＳ触媒層
を使用しない場合のものを示している。これは、２個の
第１の熱交換器２８および第２の熱交換器２９でＬＴＳ
触媒層９が使用できる温度（約２７０度以下）まで下げ
るので、ＨＴＳ触媒層を設けなくてもＬＴＳ触媒層９の
容量をわずか増加するだけでＨＴＳ触媒層を用いた場合
と同じように、ＬＴＳ触媒層９の出口では一酸化炭素を
減少させることができるからである。

【００４３】また、この第１の実施の形態でのＬＴＳ触
媒層９は、第１触媒層９ａの内側は断熱であり、第２触
媒層９ｂの外側は保温材を通しての放熱がある。いま、
ＬＴＳ触媒層仕切板２１の下半分にＬＴＳ触媒層冷却ダ
クト２２を設けて水で冷却した場合、温度分布および一
酸化炭素濃度は水蒸気改質ガスの流れに沿って、図４に
示す如く変化している。すなわち、第１触媒層９ａで
は、発熱反応のために水蒸気改質ガスは最高２５２℃ま
で上昇し、これによって、反応速度が比較的大きいとこ
ろまで進み一酸化炭素量は減少する。

【００４４】そして、第１触媒層９ａの中間付近から冷
却して温度を下げると化学平衡定数が大きくなるので、
わずかずつ反応が進み一酸化炭素濃度が更に減少する。

【００４５】この図４に示す温度分布特性の場合にＬＴ
Ｓ触媒層９の出口の一酸化炭素濃度を一番少なくするこ
とができる。これ以上冷やしすぎても冷却量が少なすぎ
ても出口の一酸化炭素濃度は増加する。

【００４６】このように第１触媒層９ａの下半分と第２
触媒層９ｂの下半分を電池本体の冷却水で冷却するのが
最も効果がある。ＬＴＳ触媒として、その最高使用温度
が２９０℃〜３００℃程度の触媒を使用した場合、この
第１の実施の形態では、最高２５２℃の十分低い温度で
の使用であるため寿命には影響はない。

【００４７】次に、本発明の第２の実施の形態を説明す
る。図５は本発明の第２の実施の形態におけるＬＴＳ触
媒層仕切板を縦に切って円周方向に展開した展開図であ
る。この第２の実施の形態は、図３に示した第１の実施
の形態におけるＬＴＳ触媒層冷却ダクト２２に対し、冷
却流路の途中までは流路断面積を小さくし、冷却媒体が
蒸発する点付近より手前で流路断面積を大きくしたＬＴ
Ｓ触媒層冷却ダクト２２を採用したものである。

【００４８】図５において、この第２の実施の形態は、
ＬＴＳ触媒層冷却ダクト２２の断面積を流れの方向に変
化させたものであり、ＬＴＳ触媒層冷却ダクト２２は冷
却媒体である冷却水の流れの途中の分岐点３４までは、
断面積が１つの凹溝で構成されているが、この分岐点３
４より上部では円周方向の冷却ダクト構成部の２つの凹
溝に同時に流れるように構成したものである。この分岐
点３４は２つの凹溝に限らず複数個に同時に流れるよう
に構成することもできる。

【００４９】この第２の実施の形態では、冷却水の加熱
による蒸発のためにＬＴＳ触媒層冷却水ダクト２２の下
流では、水と水蒸気との容積が１０倍程度になるために
断面積を増やしたもので、これにより、冷却水の流れを
合理的にすることができる。

【００５０】次に、本発明の第３の実施の形態を説明す
る。図６は本発明の第３の実施の形態を示す構成図であ
る。この第３の実施の形態は、図１に示す第１の実施の
形態に対し、反応器本体の中心部円筒に収納された脱硫
触媒層の中心部１８に、水蒸気改質ガスから一酸化炭素
を除去するための高温での反応に寄与するＨＴＳ触媒層
８を形成したものである。そして、ＨＴＳ触媒層８内に
はＨＴＳ触媒層冷却ダクト３５を有したＨＴＳ触媒層仕
切板３６を設け、また、原料ガス加熱ダクト３７を有し
た触媒層仕切板３８で脱硫触媒層１８とＨＴＳ触媒層８
とを区分している。さらに、ＨＴＳ触媒層８を通過した
改質ガスにて脱硫触媒層１８を加熱するための脱硫触媒
層加熱ダクト３９を設けている。その他の構成は図１に
示した第１の実施の形態と同一であるので、同一部分に
は同一符号を付しその説明は省略する。

【００５１】図６において、同軸の多重円筒状に構成し
た反応器本体１７の内側容器の中心部には、ＨＴＳ触媒
層８を充填し、その周囲に触媒層仕切板３８を介して脱
硫触媒層１８を充填する。

【００５２】ＨＴＳ触媒層８は内側触媒層８ａと外側触
媒層８ｂとに分け、その間にＨＴＳ触媒層仕切板３６を
入れ、そのＨＴＳ触媒層仕切板３６にＨＴＳ触媒層冷却
ダクト３５を構成している。このＨＴＳ触媒層冷却ダク
ト３５は、図第１の実施の形態のＬＴＳ触媒層冷却ダク
ト２２と同様に構成されている。このＨＴＳ触媒層冷却
ダクト３４に冷却水を流してＨＴＳ触媒層８を冷却する
ことになる。

【００５３】一方、外側触媒層８ｂの外側の触媒層仕切
板３８には原料ガス加熱ダクト３７が形成されており、
原料ガスとリサイクルガスとが混合されたガス（原料ガ
ス）を導入してこの原料ガス加熱ダクト２９で加熱する
ことになる。

【００５４】また、脱硫触媒層１８の外側には脱硫触媒
層加熱ダクト３９が設けられており、ＨＴＳ触媒層８か
ら出たガスを接続管４０を介して脱硫触媒層加熱ダクト
３９に導入し、この脱硫触媒層加熱ダクト３９を通過す
るうちに脱硫触媒層３１を加熱することになる。

【００５５】まず、原料ガスはリサイクルライン２６か
らのリサイクルガスと混合されて原料ガス加熱ダクト３
７に導入され、この原料ガス加熱ダクト３７を通る過程
で加熱される。この原料ガス加熱ダクト３７を通った原
料ガスは連絡管４１を通って脱硫触媒層１８に導入さ
れ、ここで脱硫されてエゼクタ２７に供給される。そし
て、エゼクタ２７で主蒸気と混合されて改質器３に導入
され、水蒸気改質ガスとなる。

【００５６】改質器３からでた水蒸気改質ガスは、反応
器本体のＨＴＳ触媒層８に導入され、高温でのシフト反
応により一酸化炭素が除去される。ＨＴＳ触媒層８を出
たガスは接続管４０を通って脱硫触媒層加熱ダクト３９
に導入され、脱硫層１８と熱交換しながら温度を下げて
連絡管４２を通ってＬＴＳ触媒層９に導入される。ＬＴ
Ｓ触媒層９では、低温でのシフト反応により一酸化炭素
が除去され、燃料電池本体２４に改質ガスとして供給さ
れる。

【００５７】このように、この第３の実施の形態では、
ＨＴＳ触媒層８を使用しているが、これは、ＨＴＳ触媒
層と、触媒層仕切板３８の原料ガス加熱ダクトや脱硫触
媒加熱ダクト３９との電熱を良くするために設けたもの
である。ＨＴＳ触媒層８の代わりにアルミナボールなど
の伝熱促進材を用いても効果がある。この第３の実施の
形態では、ちょうど土ＨＴＳ触媒層が使用できる温度な
ので、ＨＴＳ触媒層を用いている。また、原料ガス加熱
ダクト３７や脱硫触媒加熱ダクト３９は、ＬＴＳ触媒層
冷却ダクト２２やＨＴＳ触媒層冷却ダクト３５と同様な
構成とする。

【００５８】次に、本発明の第４の実施の形態を説明す
る。図７は本発明の第４の実施の形態を示す構成図であ
る。この第４の実施の形態は、図１に示した第１の実施
の形態に対し、反応器本体１７の中心部円筒に収納され
た脱硫触媒層１８の内部に、直径が小さい小径の伝熱管
４３を複数本林立させ、伝熱管４３の内側にＨＴＳ触媒
層８を充填すると共にＨＴＳ触媒層８を冷却するための
冷却水を通す水冷却管４４を設けたものである。その他
の構成は図１に示した第１の実施の形態と同一であるの
で、同一部分には同一符号を付しその説明を省略する。

【００５９】図７において、同軸の多重円筒状に構成し
た反応器本体１７の内側容器には、脱硫触媒層１８を充
填する。そして、脱硫触媒層１８の内部に直径が小さい
小径の伝熱管４３を複数本林立させる。

【００６０】図８は、図７のＡ−Ａ線の断面図である。
この第４の実施の形態では、脱硫触媒層１８の内部に複
数個の伝熱管４３を設け、この伝熱管４３の内側にはＨ
ＴＳ触媒層８を充填する。また、ＨＴＳ触媒層８を冷却
するための冷却水を通す水冷却管４４が設けられてい
る。すなわち、大口径の内側円筒容器の内部に小口径の
伝熱管４３を複数本林立させ、この伝熱管４３の内側に
同芯の水冷却管４４を設け、この両管の間にＨＴＳ触媒
層８を設ける。

【００６１】図７に示すように、冷却水供給ポンプ３１
から供給される冷却水は、入口ヘッダ４５に入り、各々
の伝熱管４３における水冷却管４４を通過して出口ヘッ
ダ４６に出て行き気水分離器３０に戻る。入口ヘッダ４
５および出口ヘッダ４６は全ての水冷却管４４に接続さ
れている。

【００６２】まず、原料ガスはリサイクルライン２６か
らのリサイクルガスと混合されて反応器本体１７の脱硫
触媒層１８に導入され、ここで脱硫されてエゼクタ２７
に供給される。そして、エゼクタ２７で主蒸気と混合さ
れて改質器３に導入され、水蒸気改質ガスとなる。改質
器３から出た水蒸気改質ガスは、伝熱管４３内のＨＴＳ
触媒層８に導入され、下部から出て連絡管４７により反
応器本体の外側容器のＬＴＳ触媒層９に導入される。す
なわち、内側の第１触媒層９ａに入り、第２触媒層９ｂ
を経て燃料電池本体２４に供給される。

【００６３】この第４の実施の形態では、第３の実施の
形態と同様にＨＴＳ触媒層８を使用しているが、これ
は、このＨＴＳ触媒と伝熱管４３の管壁との電熱を良く
するために設けたもので、ＨＴＳ触媒の代わりにアルミ
ナボールなどの伝熱促進材を用いても効果がある。

【００６４】次に、本発明の第５の実施の形態を説明す
る。図９は本発明の第５の実施の形態を示す構成図であ
る。この第５の実施の形態は、図７に示した第４の実施
の形態に対し、伝熱管４３を２重管にすると共に伝熱管
４３内の上部にＨＴＳ触媒層８を設け下部にＬＴＳ触媒
層９を設けたものである。そして、この２重管の間に原
料ガス加熱ダクト３７を形成し原料ガスを流して熱交換
し、また、水蒸気改質ガスを脱硫触媒層加熱ダクト３９
に流して脱硫触媒層１８を加熱する。

【００６５】この第５の実施の形態における２重管構成
の伝熱管４３は、図１０に示すように構成される。すな
わち、伝熱管４３の外側にスペーサ４８を設け、このス
ペーサ４８は伝熱管４３に螺旋状に巻き付けて部分溶接
する。このスペーサ４３を付けた後、外側管４９を巻き
付けて二重の螺旋流路を設ける。この螺旋流路は原料ガ
ス加熱ダクト３７となる。

【００６６】また、脱硫触媒層１８の容器の側壁を２重
壁にし、内側容器側壁５０の外側にスペーサ５１を設け
る。図１１は、内側容器側壁５０にスペーサ５１を取り
付けたものを円周方向に展開した展開図である。内側容
器側壁５０に傾斜した方向にスペーサ５１を部分接着し
て円周方向に巻き込んで溶接する。この外側に２重円筒
外壁５２を被せる。

【００６７】原料ガスはリサイクルライン２６からの改
質ガスを混合して、反応器本体１７の下部に導入され、
２重管構成の伝熱管４３のスペーサ４３の螺旋流路で形
成された原料ガス加熱ダクト３７を通って、その過程で
ＨＴＳ触媒層およびＬＴＳ触媒層９との熱交換で加熱さ
れる。原料ガス加熱ダクト３７を通った原料ガスは、反
応器本体１７の上部で脱硫触媒層１８に導入され、硫黄
分を取り除かれる。

【００６８】脱硫された原料ガスはエゼクタ２７に導入
され、水蒸気と混合されて改質器３に送られる。そし
て、改質器３から出た水蒸気改質ガスは脱硫触媒層１８
の周りのジャケット入口５３から脱硫触媒層加熱ダクト
３９に入り、脱硫触媒層１８を加熱して上部連絡管５４
によりＨＴＳ触媒層８に導入される。水蒸気改質ガスは
ＨＴＳ触媒層８を流下するうちに冷却水管４４で冷却さ
れて中間からＬＴＳ触媒層９に入り、ここで、一酸化炭
素を除去した水素リッチな改質ガスが下端から出て燃料
電池本体２４に供給される。

【００６９】この第５の実施の形態によれば、ＨＴＳ触
媒層とＬＴＳ触媒層とを同一の伝熱管に収納しているの
で、全体をコンパクトにすると共に、効率が良く放熱量
の少ない反応器を得ることができる。

【００７０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、触
媒層と容器壁とが直接接触しているので、熱伝導率がよ
く効率の良い伝熱特性が得られる。したがって、伝熱面
積を従来のものより小さくすることができ、触媒層の充
填不均一のための流れの不均一を生ずることもなく、均
一温度分布の一酸化炭素濃度の改質ガスが得られる。

【００７１】また、従来の一酸化炭素変成器と脱硫器と
これに関連する熱交換器とを一つに合わせて構成してい
るので、全体をコンパクトにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す構成図。

【図２】本発明の第１の実施の形態におけるＬＴＳ触媒
層仕切板の断面図。

【図３】本発明の第１の実施の形態におけるＬＴＳ触媒
層仕切板を縦に切って円周方向に展開した展開図。

【図４】本発明の第１の実施の形態における特性図。

【図５】本発明の第２の実施の形態におけるＬＴＳ触媒
層仕切板を縦に切って円周方向に展開した展開図。

【図６】本発明の第３の実施の形態を示す構成図。

【図７】本発明の第４の実施の形態を示す構成図。

【図８】図７のＡ−Ａ線の断面図。

【図９】本発明の第５の実施の形態を示す構成図。

【図１０】本発明の第５の実施の形態における２重管構
成の伝熱管の説明図。

【図１１】本発明の第５の実施の形態における内側容器
側壁にスペーサを取り付けたものを円周方向に展開した
展開図。

【図１２】原料ガスから水素リッチな改質ガスを得る工
程の説明図。

【図１３】従来の１段の一酸化炭素変成器の説明図。

【符号の説明】

１水素添加器２脱硫器３改質器４第１段の熱交換器５高温一酸化炭素変成器６第２段の熱交換器７低温一酸化炭素変成器８ＨＴＳ触媒層９ＬＴＳ触媒層１０ケーシング１１入口１２出口１３入口メッシュ１４仕切メッシュ１５出口メッシュ１６蛇管１７反応器本体１８脱硫触媒層１９脱硫触媒層容器２０ＬＴＳ触媒層容器２１ＬＨＳ触媒層仕切板２２ＬＨＳ触媒層冷却ダクト２３燃料供給ライン２４燃料電池本体２５オリフィス２６リサイクルライン２７エゼクタ２８第１の熱交換器２９第２の熱交換器３０気水分離器３１冷却水供給ポンプ３２入口３３出口３４分岐点３５ＨＴＳ触媒層冷却ダクト３６ＨＴＳ触媒層仕切板３７原料ガス加熱ダクト３８触媒層仕切板３９脱硫触媒層加熱ダクト４０接続管４１連絡管４２連絡管４３伝熱管４４水冷却管４５入口ヘッダ４６出口ヘッダ４７連絡管４８スペーサ４９外側管５０内側容器側壁５１スペーサ５２２重円筒外壁５３ジャケット入口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原料ガスを脱硫触媒を通して脱硫し、エ
ゼクタで水蒸気を混合して改質器で改質して一酸化炭素
と水蒸気とを含む水蒸気改質ガスを生成し、前記水蒸気
改質ガスに含まれる前記一酸化炭素を低減させ水素リッ
チな改質ガスを得るようにした燃料電池の反応器におい
て、２重円筒型容器で形成された反応器本体と、前記反
応器本体の中心部円筒に保温材で覆って収納され前記原
料ガスから硫黄化合物を除去するための反応に寄与する
脱硫触媒層と、前記反応器本体の外側円筒部に保温材で
覆って収納され前記水蒸気改質ガスから一酸化炭素を除
去するための低温での反応に寄与するＬＴＳ触媒層と、
前記ＬＴＳ触媒層を同心状に区分するように設けられた
円筒状のＬＴＳ触媒層仕切板と、前記ＬＴＳ触媒層仕切
板に形成され前記ＬＴＳ触媒層を冷却するための冷却水
を通すＬＴＳ触媒層冷却ダクトとを備えたことを特徴と
する燃料電池の反応器。
【請求項２】前記ＬＴＳ触媒層冷却ダクトは、２枚の
前記ＬＴＳ触媒層仕切板の円周方向に凹溝を設け、その
２枚のＬＴＳ触媒層仕切板の凹溝を対面させて密閉接合
して形成され、連通する一つの冷却流路であることを特
徴とする請求項１に記載の燃料電池の反応器。
【請求項３】前記ＬＴＳ触媒層冷却ダクトは、前記冷
却流路の途中までは流路断面積を小さくし、冷却媒体が
蒸発する点付近より手前で流路断面積を大きくしたこと
を特徴とする請求項２に記載の燃料電池の反応器。
【請求項４】前記反応器本体の中心部円筒に収納され
た前記脱硫触媒層の中心部に、前記水蒸気改質ガスから
一酸化炭素を除去するための高温での反応に寄与するＨ
ＴＳ触媒層を形成し、前記脱硫触媒層と前記ＨＴＳ触媒
層とを円筒状の触媒層仕切板で仕切り、前記原料ガスを
前記脱硫触媒層に導くと共にその過程で前記原料ガスを
加熱するための原料ガス加熱ダクトを前記触媒層仕切板
に形成し、前記ＨＴＳ触媒層を同心状に円筒状のＨＴＳ
触媒層仕切板で区分し、このＨＴＳ触媒層仕切板に前記
ＨＴＳ触媒層を冷却するための冷却水を通すためのＨＴ
Ｓ触媒層冷却ダクトを形成し、前記ＨＴＳ触媒層を通過
した前記改質ガスを前記ＬＴＳ触媒層に導くと共にその
過程で前記脱硫触媒層を加熱するための脱硫触媒層加熱
ダクトを前記脱硫触媒層の円筒状側壁に設けたことを特
徴とする請求項１に記載の燃料電池の反応器。
【請求項５】前記原料ガス加熱ダクト、前記ＨＴＳ触
媒層冷却ダクト、または前記脱硫触媒層加熱ダクトは、
２枚の前記仕切板の円周方向に凹溝を設け、その２枚の
仕切板の凹溝を対面させて密閉接合して形成され、連通
する一つの流路であることを特徴とする請求項４に記載
の燃料電池の反応器。
【請求項６】前記反応器本体の中心部円筒に収納され
た前記脱硫触媒層の内部に直径が小さい小径の伝熱管を
複数本林立させ、前記伝熱管の内側に前記ＨＴＳ触媒層
を充填すると共に前記ＨＴＳ触媒層を冷却するための冷
却水を通す水冷却管を設けたことを特徴とする請求項１
に記載の燃料電池の反応器。
【請求項７】前記原料ガスを脱硫触媒を通して脱硫
し、エゼクタで水蒸気を混合して改質器で改質して一酸
化炭素と水蒸気とを含む水蒸気改質ガスを生成し、前記
水蒸気改質ガスに含まれる前記一酸化炭素を低減させ水
素リッチな改質ガスを得るようにした燃料電池の反応器
において、直径が大きい円筒容器で形成され前記原料ガ
スから硫黄化合物を除去するための反応に寄与する脱硫
触媒層を収納した反応器本体と、前記反応器本体の内部
に複数本配置された２重管構成の小径の伝熱管と、前記
伝熱管の上部に収納され前記水蒸気改質ガスから一酸化
炭素を除去するための高温での反応に寄与するＨＴＳ触
媒層と、前記伝熱管の下部に収納され前記水蒸気改質ガ
スから一酸化炭素を除去するための低温での反応に寄与
するＬＴＳ触媒層と、前記伝熱管の内部に設けられ前記
ＨＴＳ触媒層および前記ＬＴＳ触媒層を冷却するための
冷却水を通す水冷却管と、前記２重管構成の伝熱管の管
壁間に螺旋状のスペーサを取り付けて形成され前記原料
ガスを前記脱硫触媒層に導くと共にその過程で前記原料
ガスを加熱するための原料ガス加熱ダクトと、前記前記
水蒸気改質ガスを前記伝熱管に導くと共にその過程で前
記脱硫触媒層を加熱するための脱硫触媒層加熱ダクトと
を備えたことを特徴とする燃料電池の反応器。