(57)【要約】【課題】  水蒸気改質を行う改質装置１とＣＯ低減手段３を備えた改質システムにおいて、構成が簡単でＣＯ低減機能を安定化できる負荷制御方法を提供する。【解決手段】  制御装置１４がステップ状に変化する負荷減少指令を受けたとき、制御装置１４は水蒸気発生手段２の燃焼量を負荷減少指令に応じた値までステップ状に減少すると共に、前記改質装置１へ供給する原料ガス量と酸素含有ガス量を所定比率に維持した状態で、それら原料ガス量と酸素含有ガス量を負荷減少指令に応じた値までステップ状に減少する制御を行い、水蒸気発生手段２から改質装置１への水蒸気供給量が負荷減少指令に応じた値まで減少した時点で、ＣＯ低減手段３へ供給する酸素含有ガス量を負荷減少指令に応じた値までステップ状に減少する制御を行う。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼熱により水蒸気を発生する水蒸気発生手段２と、前記発生した水蒸気、原料ガスおよび酸素含有ガスを供給し、前記酸素含有ガスで前記原料ガスの一部を酸化すると共に、その酸化熱を利用して原料ガスの水蒸気改質を行って水素リッチな改質ガスを生成する改質装置１と、前記改質装置１で得られた改質ガスに含まれるＣＯを酸素含有ガスの存在下に低減するＣＯ低減手段３と、制御装置１４とを備えた改質システムの負荷制御方法において、前記制御装置１４は、ステップ状の負荷減少指令により、
（１）前記水蒸気発生手段２の燃焼量を前記負荷減少指令に応じた値までステップ状に減      少すると共に、前記改質装置１へ供給する原料ガス量と酸素含有ガス量を所定比率      に維持した状態で、それら原料ガス量と酸素含有ガス量を前記負荷減少指令に応じ      た値までステップ状に減少する制御を行い、
（２）前記水蒸気発生手段２から前記改質装置１への水蒸気供給量が前記負荷減少指令に      応じた値まで減少した時点で、ＣＯ低減手段３へ供給する酸素含有ガス量を前記負      荷減少指令に応じた値までステップ状に減少する制御を行うことを特徴とする改質      システムの負荷制御方法。
【請求項２】
燃焼熱により水蒸気を発生する水蒸気発生手段２と、前記発生した水蒸気、原料ガスおよび酸素含有ガスを供給し、前記酸素含有ガスで前記原料ガスの一部を酸化すると共に、その酸化熱を利用して原料ガスの水蒸気改質を行って水素リッチな改質ガスを生成する改質装置１と、前記改質装置１で得られた改質ガスに含まれるＣＯを酸素含有ガスの存在下に低減するＣＯ低減手段３と、制御装置１４とを備えた改質システムの負荷制御方法において、前記制御装置１４はステップ状の負荷減少指令により、
（１）前記水蒸気発生手段の燃焼量を前記負荷減少指令に応じた値までランプ状または段      階状に減少すると共に、前記改質装置へ供給する原料ガス量と酸素含有ガス量を所      定比率に維持した状態で、それら原料ガス量と酸素含有ガス量を前記負荷減少指令      に応じた値までランプ状もまたは段階状に減少する制御を行い、
（２）さらに前記ＣＯ低減手段へ供給する酸素含有ガス量を前記負荷減少指令に応じた値      までランプ状または段階状に減少させる制御を行うように構成されていることを特      徴とする改質システムの負荷制御方法。
【請求項３】
燃焼熱により水蒸気を発生する水蒸気発生手段２と、前記発生した水蒸気、原料ガスおよび酸素含有ガスを供給し、前記酸素含有ガスで前記原料ガスの一部を酸化すると共に、その酸化熱を利用して原料ガスの水蒸気改質を行って水素リッチな改質ガスを生成する改質装置１と、前記改質装置１で得られた改質ガスに含まれるＣＯを酸素含有ガスの存在下に低減するＣＯ低減手段３と、制御装置１４とを備えた改質システムの負荷制御方法において、前記制御装置１４はステップ状に変化する負荷増加値信号により、
（１）前記水蒸気発生手段２の燃焼量を前記負荷増加指令に応じた値までステップ状に        増加すると共に、ＣＯ低減手段３へ供給する酸素含有ガス量を前記負荷増加指令に      応じた値にステップ状に増加する制御を行い、
（２）前記水蒸気発生手段２から前記改質装置１への水蒸気供給量が前記負荷増加指令に      応じた値まで増加した時点で、前記改質装置１へ供給する原料ガス量と酸素含有ガ      ス量を所定比率に維持した状態で、それら原料ガス量と酸素含有ガス量を前記負荷      増加指令に応じた値までステップ状に増加する制御を行うように構成されているこ      とを特徴とする改質システムの負荷制御方法。
【請求項４】
燃焼熱により水蒸気を発生する水蒸気発生手段２と、前記発生した水蒸気、原料ガスおよび酸素含有ガスを供給し、前記酸素含有ガスで前記原料ガスの一部を酸化すると共に、その酸化熱を利用して原料ガスの水蒸気改質を行って水素リッチな改質ガスを生成する改質装置１と、前記改質装置１で得られた改質ガスに含まれるＣＯを酸素含有ガスの存在下に低減するＣＯ低減手段３と、制御装置１４とを備えた改質システムの負荷制御方法において、前記制御装置１４はステップ状に変化する負荷増加値信号により、
（１）前記水蒸気発生手段２の燃焼量を前記負荷増加指令に応じた値にまでランプ状また      は段階状に増加すると共に、前記改質装置１へ供給する原料ガス量と酸素含有ガス      量を所定比率に維持した状態で、それら原料ガス量と酸素含有ガス量を前記負荷増      加指令に応じた値までランプ状または段階状に増加する制御を行い、
（２）前記ＣＯ低減手段３へ供給する酸素含有ガス量を前記負荷増加指令に応じた値まで      ランプ状または段階状増加する制御を行うように構成されていることを特徴とする      改質システムの負荷制御方法。
【請求項５】
燃焼熱により水蒸気を発生する水蒸気発生手段２と、前記発生した水蒸気、原料ガスおよび酸素含有ガスを供給し、前記酸素含有ガスで前記原料ガスの一部を酸化すると共に、その酸化熱を利用して原料ガスの水蒸気改質を行って水素リッチな改質ガスを生成する改質装置１と、前記改質装置１で得られた改質ガスに含まれるＣＯを酸素含有ガスの存在下に低減するＣＯ低減手段３と、制御装置１４とを備えた改質システムの負荷制御方法において、前記制御装置１４は、ステップ状の負荷減少指令により、
（１）前記水蒸気発生手段２の燃焼量を前記負荷減少指令に応じた値までステップ状に減      少すると共に、前記改質装置１へ供給する原料ガス量と酸素含有ガス量を所定比率      に維持した状態で、それら原料ガス量と酸素含有ガス量を前記負荷減少指令に応じ      た値までステップ状に減少する制御を行い、
（２）前記水蒸気発生手段２から前記改質装置１への水蒸気供給量が前記負荷減少指令に      応じた値まで減少した時点で、ＣＯ低減手段３へ供給する酸素含有ガス量を前記負      荷減少指令に応じた値までステップ状に減少する制御を行い、
一方、前記制御装置１４はステップ状に変化する負荷増加値信号により、
（３）前記水蒸気発生手段２の燃焼量を前記負荷増加指令に応じた値までステップ状に増      加すると共に、ＣＯ低減手段３へ供給する酸素含有ガス量を前記負荷増加指令に応      じた値にステップ状に増加する制御を行い、
（４）前記水蒸気発生手段２から前記改質装置１への水蒸気供給量が前記負荷増加指令に      応じた値まで増加した時点で、前記改質装置１へ供給する原料ガス量と酸素含有ガ      ス量を所定比率に維持した状態で、それら原料ガス量と酸素含有ガス量を前記負荷      増加指令に応じた値までステップ状に増加する制御を行うように構成されているこ      とを特徴とする改質システムの負荷制御方法。
【請求項６】
燃焼熱により水蒸気を発生する水蒸気発生手段２と、前記発生した水蒸気、原料ガスおよび酸素含有ガスを供給し、前記酸素含有ガスで前記原料ガスの一部を酸化すると共に、その酸化熱を利用して原料ガスの水蒸気改質を行って水素リッチな改質ガスを生成する改質装置１と、前記改質装置１で得られた改質ガスに含まれるＣＯを酸素含有ガスの存在下に低減するＣＯ低減手段３と、制御装置１４とを備えた改質システムの負荷制御方法において、前記制御装置１４はステップ状の負荷減少指令により、
（１）前記水蒸気発生手段２の燃焼量を前記負荷減少指令に応じた値までランプ状または      段階状に減少すると共に、前記改質装置１へ供給する原料ガス量と酸素含有ガス量      を所定比率に維持した状態で、それら原料ガス量と酸素含有ガス量を前記負荷減少      指令に応じた値までランプ状または段階状に減少する制御を行い、
（２）前記ＣＯ低減手段３へ供給する酸素含有ガス量を前記負荷減少指令に応じた値まで      ランプ状もしくは段階状に減少させる制御を行い、
一方、前記制御装置１４はステップ状に変化する負荷増加値信号により、
（３）前記水蒸気発生手段２の燃焼量を前記負荷増加指令に応じた値にまでランプ状また      は段階状に増加すると共に、前記改質装置１へ供給する原料ガス量と酸素含有ガス      量を所定比率に維持した状態で、それら原料ガス量と酸素含有ガス量を前記負荷増      加指令に応じた値までランプ状または段階状に増加する制御を行い、
（４）前記ＣＯ低減手段３へ供給する酸素含有ガス量を前記負荷増加指令に応じた値まで      ランプ状または段階状増加する制御を行うように構成されていることを特徴とする      改質システムの負荷制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水蒸気発生手段と、原料ガスと水蒸気の混合物を水蒸気改質反応して水素リッチな改質ガスを生成する改質装置と、ＣＯ低減手段と、制御装置とを備えた改質システムの負荷制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、原料ガスと水蒸気の混合物（以下、原料―水蒸気混合物という。）を改質触媒の存在下に水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを生成する改質装置が知られている。改質装置で得られる水素リッチな改質ガスは、更にＣＯ低減手段で含まれている僅かなＣＯ（一酸化炭素）を触媒の存在下に酸素含有ガスと反応させて水素に変換し、数ｐｐｍレベルまでＣＯを低減してから燃料電池の燃料等として利用される。原料ガスにはメタン等の炭化水素、メタノール等の脂肪族アルコール類、或いはジメチルエーテル等のエーテル類、都市ガスなどが用いられる。改質装置においてメタンを原料ガスとして使用した場合の水蒸気改質の反応式はＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２で示すことができ、好ましい改質反応温度は６５０〜７５０℃の範囲である。
【０００３】
水蒸気改質器の反応に必要な熱を供給する方式として外部加熱型と内部加熱型がある。外部加熱型の改質装置は外部に加熱部を設け、その熱源で原料ガスと水蒸気を反応させて改質ガスを生成する装置である。内部加熱型の改質装置はその供給側（上流側）に部分酸化反応層を設け、該部分酸化反応層で発生した熱を用いて下流側に配備した水蒸気改質反応層を水蒸気改質反応温度まで加熱し、該加熱された水蒸気改質触媒層で水蒸気改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成する装置である。
【０００４】
部分酸化反応はＣＨ４＋ 1/2Ｏ２→ＣＯ＋２Ｈ２で示すことができ、好ましい部分酸化反応の温度は２５０℃以上の範囲である。内部加熱型の改質装置を改良したものとして自己酸化内部加熱型の水蒸気改質器が例えば特許文献１に記載されている。特許文献１の改質装置は予備改質室と主改質室を備え、予備改質室には原料―水蒸気混合物の供給部、改質触媒層および排出部が設けられ、主改質室には前記排出部に連通する供給部、酸素含有ガスの供給部、改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層、シフト触媒層および排出部が設けられる。
【０００５】
そして原料―水蒸気混合物を予備改質室に供給すると、そこで改質触媒層により原料ガスの一部が改質（予備改質）され、生成する改質ガスと未反応の原料―水蒸気混合物が排出部から流出して主改質室に供給される。主改質室の混合触媒層では酸化反応による発熱により改質反応（主改質）が行われ、得られた改質ガスはシフト触媒層に流入し、そこでＣＯを低減された改質ガスが排出部から排出するようになっている。そしてシフト触媒層から流出する改質ガス中には微量のＣＯが残留しているので、それを除去するためにＣＯ除去手段が設けられる。
【０００６】
改質ガスを燃料電池に供給する場合、燃料電池の負荷変動に応じて供給する改質ガス量を増減する必要がある。一般に燃料電池の出力側には蓄電池が並列接続されるので、一時的な小さい負荷変動は蓄電池の充電容量で補われる。しかし蓄電池の充電容量が低下したときや、緩やかに大きく変動する負荷、例えば家庭用燃料電池における朝夕の負荷増加時や夜間から朝方にかけての負荷減少など大きな負荷変動が生じたときは、改質ガス供給量をそれに追従させて増減する必要がある。但し、そのような場合には負荷変動量が予測できるので、負荷指令を出力する電力設備の制御部は、通常、その負荷変動予測量にあわせてステップ状に変化する負荷増減指令を出力する。                
【０００７】
燃料電池の負荷変動に追従させて改質ガス量を増減する負荷制御方法は、例えば特許文献２および特許文献３に記載されている。特許文献２の負荷制御方法は、改質ガスの水素濃度やＣＯ濃度を測定し、その測定値を基に改質ガスの供給量を制御している。特許文献３の負荷制御方法は、水蒸気発生手段の燃焼温度、原料ガス温度等を測定すると共に、水蒸気発生手段における保持熱量を算出し、それらの値を基に改質ガスの供給量を制御している。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１７５５８２号公報
【特許文献２】特開２００３−１９７２３５号公報
【特許文献３】特開２００１−２６６９１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献２，３に記載された負荷制御方法は、温度等の物理量を測定し、またはそれに基づく演算を行って改質ガスの供給量を制御している。温度等を測定する場合は時定数に起因する時間遅れの問題があり、測定精度を長期間維持することも難しい。また高温雰囲気に設置される測定器類は必然的に寸法が大きくなり、システムの設置容積を増加させると共に設置コストが大きいという問題もある。
【００１０】
一方、改質装置は原料ガスと水蒸気から改質ガスを生成するが、水蒸気は燃焼熱により発生させる方式を採用する場合、燃焼量を増減しても発生する水蒸気は時間遅れを伴って増減する。そのため、例えばステップ的な負荷増減指令を受けて燃焼量を増減しても、水蒸気発生手段から生成する水蒸気発生量はその発生機構の時定数に基づく時間遅れで増減する。これに対して原料ガスや酸素含有ガスの増減制御は実質的に時間遅れなしに実行できる。
【００１１】
改質装置で生成する改質ガス量は供給される原料―水蒸気混合物の量に比例する。但し原料ガス量を増減する場合には、改質効率等から水蒸気の比率を所定割合に維持しながら行うことが望ましい。一方、原料ガスと水蒸気の比率は負荷変動時における短時間のずれ、例えば前記のように水蒸気発生量の時間遅れから短時間にはずれることがあっても、改質装置の触媒等にそれ程影響はない。
【００１２】
前述のように改質装置から流出する改質ガスには僅かなＣＯが含まれており、それを低減するためにＣＯ低減手段が設置さる。このＣＯ低減手段は改質ガスに含まれているＣＯと水蒸気を触媒の存在下に反応させてＣＯを炭酸ガスに変換して低減するものであるが、実験によれば、改質装置に過剰な水蒸気が一時的に供給されると改質ガス中の残留水蒸気濃度も一時的に上昇し、その過剰な水蒸気によりＣＯ低減手段の触媒が冷却される。そして触媒が冷却されるとＣＯ低減機能が低下し、一時的にＣＯ濃度が上昇する原因になることが分かった。
【００１３】
そこで本発明は前述した従来の改質システムにおける多くの測定器類の使用上の問題、およびＣＯ低減手段における問題を解決することを課題とし、その課題を解決する新しい改質システムの負荷制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記課題を解決する第１の本発明は、燃焼熱により水蒸気を発生する水蒸気発生手段と、前記発生した水蒸気、原料ガスおよび酸素含有ガスを供給し、前記酸素含有ガスで前記原料ガスの一部を酸化すると共に、その酸化熱を利用して原料ガスの水蒸気改質を行って水素リッチな改質ガスを生成する改質装置と、前記改質装置で得られた改質ガスに含まれるＣＯを酸素含有ガスの存在下に低減するＣＯ低減手段と、制御装置とを備えた改質システムの負荷制御方法である。
【００１５】
そして前記制御装置は、ステップ状の負荷減少指令により、
（１）前記水蒸気発生手段の燃焼量を前記負荷減少指令に応じた値までステップ状に減少      すると共に、前記改質装置へ供給する原料ガス量と酸素含有ガス量を所定比率に維      持した状態で、それら原料ガス量と酸素含有ガス量を前記負荷減少指令に応じた値      までステップ状に減少する制御を行い、
（２）前記水蒸気発生手段から前記改質装置への水蒸気供給量が前記負荷減少指令に応じ      た値まで減少した時点で、ＣＯ低減手段へ供給する酸素含有ガス量を前記負荷減少      指令に応じた値までステップ状に減少する制御を行うように構成されていることを      特徴とする（請求項１）。
【００１６】
前記課題を解決する第２の本発明は、燃焼熱により水蒸気を発生する水蒸気発生手段と、前記発生した水蒸気、原料ガスおよび酸素含有ガスを供給し、前記酸素含有ガスで前記原料ガスの一部を酸化すると共に、その酸化熱を利用して原料ガスの水蒸気改質を行って水素リッチな改質ガスを生成する改質装置と、前記改質装置で得られた改質ガスに含まれるＣＯを酸素含有ガスの存在下に低減するＣＯ低減手段と、制御装置とを備えた改質システムの負荷制御方法である。
【００１７】
そして前記制御装置はステップ状の負荷減少指令により、
（１）前記水蒸気発生手段の燃焼量を前記負荷減少指令に応じた値までランプ状または段      階状に減少すると共に、前記改質装置へ供給する原料ガス量と酸素含有ガス量を所      定比率に維持した状態で、それら原料ガス量と酸素含有ガス量を前記負荷減少指令      に応じた値までランプ状または段階状に減少する制御を行い、
（２）ＣＯ低減手段へ供給する酸素含有ガス量を前記負荷減少指令に応じた値までランプ      状または段階状に減少させる制御を行うように構成されていることを特徴とする      （請求項２）。
【００１８】
前記課題を解決する第３の本発明は、燃焼熱により水蒸気を発生する水蒸気発生手段と、前記発生した水蒸気、原料ガスおよび酸素含有ガスを供給し、前記酸素含有ガスで前記原料ガスの一部を酸化すると共に、その酸化熱を利用して原料ガスの水蒸気改質を行って水素リッチな改質ガスを生成する改質装置と、前記改質装置で得られた改質ガスに含まれるＣＯを酸素含有ガスの存在下に低減するＣＯ低減手段と、制御装置とを備えた改質システムの負荷制御方法である。
【００１９】
そして前記制御装置はステップ状に変化する負荷増加値信号により、
（１）水蒸気発生手段の燃焼量を前記負荷増加指令に応じた値までステップ状に増加する      と共に、ＣＯ低減手段へ供給する酸素含有ガス量を前記負荷増加指令に応じた値に      ステップ状に増加する制御を行い、
（２）水蒸気発生手段から前記改質装置への水蒸気供給量が前記負荷増加指令に応じた値      まで増加した時点で、前記改質装置へ供給する原料ガス量と酸素含有ガス量を所定      比率に維持した状態で、それら原料ガス量と酸素含有ガス量を前記負荷増加指令に      応じた値までステップ状に増加する制御を行うように構成されていることを特徴と      する（請求項３）。
【００２０】
前記課題を解決する第４の本発明は、燃焼熱により水蒸気を発生する水蒸気発生手段と、前記発生した水蒸気、原料ガスおよび酸素含有ガスを供給し、前記酸素含有ガスで前記原料ガスの一部を酸化すると共に、その酸化熱を利用して原料ガスの水蒸気改質を行って水素リッチな改質ガスを生成する改質装置と、前記改質装置で得られた改質ガスに含まれるＣＯを酸素含有ガスの存在下に低減するＣＯ低減手段と、制御装置とを備えた改質システムの負荷制御方法である。
【００２１】
そして前記制御装置はステップ状に変化する負荷増加値信号により、
（１）前記水蒸気発生手段の燃焼量を前記負荷増加指令に応じた値までランプ状または段      階状に増加すると共に、前記改質装置へ供給する原料ガス量と酸素含有ガス量を所      定比率に維持した状態で、それら原料ガス量と酸素含有ガス量を前記負荷増加指令      に応じた値までランプ状または段階状に増加する制御を行い、
（２）前記ＣＯ低減手段へ供給する酸素含有ガス量を前記負荷増加指令に応じた値までラ      ンプ状または段階状増加する制御を行うように構成されていることを特徴とする      （請求項４）。
【００２２】
前記課題を解決する第５の本発明は、燃焼熱により水蒸気を発生する水蒸気発生手段と、前記発生した水蒸気、原料ガスおよび酸素含有ガスを供給し、前記酸素含有ガスで前記原料ガスの一部を酸化すると共に、その酸化熱を利用して原料ガスの水蒸気改質を行って水素リッチな改質ガスを生成する改質装置と、前記改質装置で得られた改質ガスに含まれるＣＯを酸素含有ガスの存在下に低減するＣＯ低減手段と、制御装置とを備えた改質システムの負荷制御方法である。
【００２３】
そして前記制御装置は、ステップ状の負荷減少指令により、
（１）前記水蒸気発生手段の燃焼量を前記負荷減少指令に応じた値までステップ状に減少      すると共に、前記改質装置へ供給する原料ガス量と酸素含有ガス量を所定比率に維      持した状態で、それら原料ガス量と酸素含有ガス量を前記負荷減少指令に応じた値      までステップ状に減少する制御を行い、
（２）前記水蒸気発生手段から前記改質装置への水蒸気供給量が前記負荷減少指令に応じ      た値まで減少した時点で、ＣＯ低減手段へ供給する酸素含有ガス量を前記負荷減少      指令に応じた値までステップ状に減少する制御を行い、
一方、前記制御装置はステップ状に変化する負荷増加値信号により、
（３）前記水蒸気発生手段の燃焼量を前記負荷増加指令に応じた値までステップ状に増加      すると共に、ＣＯ低減手段へ供給する酸素含有ガス量を前記負荷増加指令に応じた      値にステップ状に増加する制御を行い、
（４）前記水蒸気発生手段から前記改質装置への水蒸気供給量が前記負荷増加指令に応じ      た値まで増加した時点で、前記改質装置へ供給する原料ガス量と酸素含有ガス量を      所定比率に維持した状態で、それら原料ガス量と酸素含有ガス量を前記負荷増加指      令に応じた値までステップ状に増加する制御を行うように構成されていることを特      徴とする（請求項５）。
【００２４】
前記課題を解決する第６の本発明は、燃焼熱により水蒸気を発生する水蒸気発生手段と、前記発生した水蒸気、原料ガスおよび酸素含有ガスを供給し、前記酸素含有ガスで前記原料ガスの一部を酸化すると共に、その酸化熱を利用して原料ガスの水蒸気改質を行って水素リッチな改質ガスを生成する改質装置と、前記改質装置で得られた改質ガスに含まれるＣＯを酸素含有ガスの存在下に低減するＣＯ低減手段と、制御装置とを備えた改質システムの負荷制御方法である。
【００２５】
そして前記制御装置は、ステップ状の負荷減少指令により、
（１）前記水蒸気発生手段の燃焼量を前記負荷減少指令に応じた値までランプ状または段      階状に減少すると共に、前記改質装置へ供給する原料ガス量と酸素含有ガス量を所      定比率に維持した状態で、それら原料ガス量と酸素含有ガス量を前記負荷減少指令      に応じた値までランプ状または段階状に減少する制御を行い、
（２）前記ＣＯ低減手段へ供給する酸素含有ガス量を前記負荷減少指令に応じた値までラ      ンプ状または段階状に減少させる制御を行い、
一方、前記制御装置はステップ状に変化する負荷増加値信号により、
（３）前記水蒸気発生手段の燃焼量を前記負荷増加指令に応じた値にまでランプ状または      段階状に増加すると共に、前記改質装置へ供給する原料ガス量と酸素含有ガス量を      所定比率に維持した状態で、それら原料ガス量と酸素含有ガス量を前記負荷増加指      令に応じた値までランプ状または段階状に増加する制御を行い、
（４）前記ＣＯ低減手段へ供給する酸素含有ガス量を前記負荷増加指令に応じた値までラ      ンプ状または段階状増加する制御を行うように構成されていることを特徴とする      （請求項６）。
【発明の効果】
【００２６】
第１の本発明は、ステップ状の負荷減少指令に追従して水蒸気発生手段の燃焼量をステップ状に減少するので、水蒸気発生手段から改質装置への水蒸気供給量を負荷減少指令に迅速に追従させることができる。
またそれと共に改質装置に供給する原料ガス量と酸素含有ガス量もステップ状の負荷減少指令に追従してステップ状に減少する制御を行うので、改質装置から燃料電池等の負荷設備に供給する改質ガス量をステップ状に減少させることができる。
【００２７】
そして改質装置への水蒸気供給量が負荷減少指令に応じた値まで減少した時点で、ＣＯ低減手段へ供給する酸素含有ガス量を前記負荷減少指令に応じた値までステップ状に減少する制御を行うので、ＣＯ低減手段が一時的に水蒸気過剰な状態になることを防止し、ＣＯ低減機能の低下を防止することができる。
このように第１の本発明によれば、特別な物理量測定方式を採用しなくても、負荷減少指令に的確に追従して改質ガスを減少できると共に、ＣＯ低減手段を効率よく運転させることができる。
【００２８】
第２の本発明は、水蒸気発生手段の燃焼量をステップ状の負荷減少指令に応じた値までランプ状または段階状に減少する制御を行うので、水蒸気発生手段から改質装置への水蒸気供給量を負荷減少指令にスムーズに追従させることができる。
それと共に改質装置に供給する原料ガス量と酸素含有ガス量をステップ状の負荷減少指令に応じた値までランプ状または段階状に減少する制御を行うので、前記水蒸気供給量と原料ガスの比率を適合させながら、前記改質装置で生成する改質ガスを負荷減少指令にスムーズに追従させて燃料電池等の負荷設備に供給することができる。
【００２９】
そして前記ＣＯ低減手段へ供給する酸素含有ガス量を前記負荷減少指令に応じた値までランプ状または段階状に減少させる制御を行うが、水蒸気発生手段から改質装置への水蒸気供給量も前記方法により緩やかに減少するから、ＣＯ低減手段が一時的に水蒸気過剰な状態になることを防止でき、ＣＯ低減機能の低下を防止することができる。
このように第２の本発明によれば、特別な物理量測定方式を採用しなしなくても、負荷減少指令に的確に追従して改質ガスを減少できると共に、ＣＯ低減手段を効率よく運転させることができる。
【００３０】
第３の本発明は、水蒸気発生手段の燃焼量をステップ状の負荷増加指令に追従してステップ状に増加する制御を行うので、水蒸気発生手段から改質装置への水蒸気供給量を負荷増加指令に迅速に追従させることができる。
またＣＯ低減手段へ供給する酸素含有ガス量を負荷増加指令に応じた値にステップ状に増加する制御を行うので、原料ガスの供給増加より先に増加する傾向にある水蒸気によりＣＯ低減手段が一時的に過剰水蒸気な状態になることを防止し、ＣＯ低減機能の低下を防止することができる。
【００３１】
そして水蒸気発生手段から改質装置への水蒸気供給量が負荷増加指令に応じた値まで増加した時点で、改質装置へ供給する原料ガス量と酸素含有ガス量を所定比率に維持した状態で、それら原料ガスと酸素含有ガスを負荷増加指令に応じた値までステップ状に増加する制御を行うので、改質装置から燃料電池等の負荷設備に供給する改質ガス量を迅速に増加させることができる。
このように第３の本発明によれば、特別な物理量測定方式を採用しなくても、負荷増加指令に的確に追従して改質ガスを増加できると共に、ＣＯ低減手段を効率よく運転させることができる。
【００３２】
第４の本発明は、水蒸気発生手段の燃焼量を負荷増加指令に応じた値にまでランプ状または段階状に増加する制御を行うので、水蒸気発生手段から改質装置への水蒸気供給量を負荷増加指令にあわせてスムーズに追従させることができる。
さらに改質装置へ供給する原料ガス量と酸素含有ガス量を所定比率に維持した状態で、それら原料ガス量と酸素含有ガスを負荷増加指令に応じた値までランプ状または段階状に増加する制御を行いうので、改質装置から燃料電池等の負荷設備に供給する改質ガス量を迅速に増加させることができる。
【００３３】
そしてＣＯ低減手段へ供給する酸素含有ガス量を負荷増加指令に応じた値までランプ状または段階状増加する制御を行うが、水蒸気発生手段から改質装置への水蒸気供給量も前記方法により緩やかに増加するから、ＣＯ低減手段が一時的に水蒸気過剰な状態になることを防止でき、ＣＯ低減機能の低下を防止することができる。
このように第４の本発明によれば、特別な物理量測定方式を採用しなくても、負荷増加指令に的確に追従して改質ガスを増加できると共に、ＣＯ低減手段を効率よく運転させることができる。
【００３４】
第５の本発明は、第１の本発明と第３の本発明を組み合わせたものであり、前記した第１の本発明の効果を第３の本発明の効果を合わせた効果を奏する。
また第６の本発明は、第２の本発明と第４の本発明を組み合わせたものであり、前記した第２の本発明の効果を第４の本発明の効果を合わせた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
次に本発明を実施するための最良の形態を説明する。図１は本発明の負荷制御方法を実施する改質システムのプロセスフロー図である。図１において、水蒸気発生手段２は燃焼部２ａと吸引混合手段６を備えており、燃焼部２ａには吸引混合手段６から供給される空気−燃料混合物を燃焼するバーナー（図示せず）が設けられる。吸引混合手段６は例えばエジェクタにより構成されるが、その詳細は後述する。
【００３６】
水蒸気発生手段２には水タンク１０から水または純水を供給する配管１０８と、混合手段４へ水蒸気を供給する配管１０９ａが接続される。なお混合手段４は例えば配管１０９ａより若干口径の大きい合流混合管により構成することができる。また混合手段４は吸引混合手段６と同様なエジェクタにより構成することもできる。配管１０８には流量調整弁３２が設けられ、配管１０９ａには流量調整弁３９が設けられる。これら流量調整弁は例えば空気圧式、油圧式または電動式などで駆動される遠隔操作可能なものであって、制御装置１４により制御される。（以下に流量調整弁と記載されているときは、特に明記しないが、同様に遠隔操作可能とされ、制御装置１４により制御される。）しかし流量調整弁３２、３９は電磁弁等の遠隔操作可能な開閉弁（以下に開閉弁と記載されているときは、特に明記しないが、同様に遠隔操作可能とされ、制御装置１４により制御される。）であってもよい。さらに流量調整弁３２または流量調整弁３３を設ける代わりに、配管１０８または１０９aにポンプを設け、そのポンプの回転数操作や起動―停止操作を制御装置１４で行うようにしてもよい。
【００３７】
さらに水蒸気発生手段２には水貯留部（水ドラム）の水位を検出する水位検出手段４０と、水貯留部で発生する水蒸気の圧力を検出する圧力検出手段４１が設けられ、各検出値に比例する電気信号（検出信号）が制御装置１４に入力される。
【００３８】
制御装置１４は水位検出手段４０や圧力検出手段４１の検出値、または他の操作盤等からの操作指令を受けて各流量調整弁などを制御し、さらに本発明の特徴部分である改質システムの負荷制御を行うもので、例えばコンピュータ装置により構成される。コンピュータ装置は種々の制御動作を行うＣＰＵ（中央演算装置）、オペレーションシステム（ＯＳ）や制御プログラムを格納したＲＯＭやＲＡＭ等の記憶部、キーボードやマウス、もしくは操作盤などの入力部などにより構成され、さらに必要に応じてディスプレー装置やプリンタ等の出力部が附加される。なお制御装置１４を本システムから離れた場所に設置し、通信回線を利用して前記負荷制御を行うこともできる。
【００３９】
燃焼部２ａには燃焼排ガスを排出する配管１１３が接続され、その配管１１３は熱交換手段１３を経て配管１１４に連通し、その配管１１４の先端部は系外に開口する。熱交換手段１３には燃料電池のアノード排ガスや改質ガス等のガス燃料、または液体燃料を供給する配管１０１ａが接続され、配管１０１ａは熱交換手段１３を経て配管１０１ｂに連通し、その配管１０１ｂの先端部は吸引混合手段６に接続される。
【００４０】
燃焼部２ａには更に配管１１２が接続される。配管１１２は流量調整弁３４を介して空気圧縮機を備えた加圧空気供給系７から延長する配管１０２に接続される。配管１１２により供給される空気は燃焼部２aの二次空気として、あるいは燃焼部２ａの運転開始時などにおけるパージ用空気として利用される。すなわち運転開始信号（起動信号）により、制御装置１４から流量調整弁３４を開ける制御信号が設定された時間だけ出力され、それによって燃焼部２ａの内部が空気パージされる。
【００４１】
貯留タンクを有する原料供給系８から延長する原料ガス供給用の配管１１１は脱硫装置９の入口側に接続され、脱硫装置９の出口側には脱硫された原料ガスが流出する配管１０３が接続される。配管１０３には遠隔操作可能な流量調整弁３１が設けられ、流量調整弁３１の下流側は前記熱交換手段１３を経て配管１０９に連通し、配管１０９の先端部は混合手段４に接続される。
【００４２】
さらに前記吸引混合手段６には燃焼用の空気を供給する配管１０２ｂが接続され、その配管１０２ｂは後述する熱交換手段１２を経て配管１０２ａに連通する。配管１０２ａには流量調整弁３７が設けられ、配管１０２ａの先端部は加圧空気供給系７に連通する。また燃料供給用の配管１０１ａには原料ガス供給用の配管１１１から分岐した配管１１１ａが接続され、その配管１１１ａには遠隔操作可能な流量調整弁３３ａが設けられる。
【００４３】
改質装置１には混合手段４から流出する原料−水蒸気混合物を供給する配管１０４と、加圧空気などの加圧された酸素含有気体を供給する配管１０２ｄが接続される。配管１０２ｄは熱交換手段１２を経て流量調整弁３６を設けた配管１０２ｃに連通し、配管１０２ｃの先端部は前記加圧空気供給系７に接続される。そして改質装置１の上部に温度検出手段４２および圧力検出手段４３が設けられ、それらの測定信号は制御装置１４に入力される。
【００４４】
さらに改質装置１にはプレヒータ８０が連結される。プレヒータ８０はシステム起動時に改質装置１を迅速に改質反応温度に昇温し、または混合触媒層を構成する改質触媒を還元するために設けられる。このプレヒータ８０は内部に電熱ヒータが配置されると共に、白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等の酸化触媒が充填されている。プレヒータ８０には混合手段４からの原料−水蒸気混合物を供給する配管８１と、加圧空気供給系７からの酸素含有ガスを供給する配管８２が接続され、それらは配管８１，８２にはそれぞれ流量調整弁８３，８４が設けられる。なお流量調整弁８３は開閉弁であってもよい。
【００４５】
プレヒータ８０内では供給される原料ガスの一部が燃焼により酸化触媒の存在下に酸素と反応して部分酸化し、水素を生成すると共にその酸化熱で残りの原料−水蒸気混合物が加熱される。そして高温の原料ガス、酸素含有ガスおよび生成した水素ガスの混合物が配管８５から改質装置１に供給される。
【００４６】
改質装置１の排出部６９に改質ガス排出用の配管１０５が接続され、配管１０５は熱交換手段１２を経て配管１０６に接続され、配管１０６の先端部は酸化用の空気を混合する混合手段５に接続される。混合手段５は改質ガスに酸素含有ガスを混合してそれをＣＯ低減手段５へ供給するために設けられる。すなわちこの混合手段５により酸素含有ガスがＣＯ低減手段３に供給される。混合手段５の出口側はＣＯ低減手段３に連結され、ＣＯ低減手段３の出口側に接続される配管１０７は燃料電池３００への配管３０１と吸引混合手段６への配管３０２に分岐され、配管３０１，３０２にそれぞれ流量調整弁もしくは開閉弁で構成した流路切換弁３０３，３０４が設けられる。
【００４７】
ＣＯ低減手段３ではそこに充填した酸化触媒の作用により微量に存在するＣＯが酸素含有ガスと反応して水素に変換される。酸化触媒としては、例えばＰｔ，Ｐｄ等の貴金属触媒をセラミック粒子に担持したペレットタイプのものや、金属ハニカム構造体或いはセラミックハニカム構造体にＰｔ，Ｐｄ等の貴金属触媒を担持したものを使用できる。ＣＯ低減手段３用の混合手段５には流量調整弁３８を設けた加圧空気供給用の配管１１０が接続され、配管１１０の先端部は前記加圧空気供給系７に接続される。なお後述するように、改質手段１には予備改質室６１ａとそれに連通する主改質室６２ａ（図３参照）が設けられ、主改質室６２ａに設けられる混合触媒層７２ａの温度が前記温度検出手段４２で検出される。
【００４８】
図２に燃焼部２ａに燃料−空気混合物を供給する吸引混合手段６の構造例を示す。本実施形態では吸引混合手段６がエジェクタ２０で構成される。エジェクタ２０は固定部２１と、固定部２１から延長する内部ノズル構造体２２および外部ノズル構造体２３を備え、外部ノズル構造体２３に開口部２４，２５および絞り部２６が設けられる。
【００４９】
次にエジェクタ２０の作用を説明すると、内部ノズル構造体２２に主流体である空気流を矢印のように供給したとき、空気流のベンチュリー効果により絞り部２６部分が減圧状態になる。そして開口部２４から副流体である燃料ガスを矢印のように供給すると、燃料ガスが吸引され空気流と均一に混合して開口部２５から噴出する。従って燃料ガスは特別な動力手段を用いなくても空気と均一に混合され、均質な燃料−空気混合物が得られる。
【００５０】
図３は前記改質装置１の具体的構成を示す図である。改質装置１は横断面が略矩形で上下を閉鎖した縦長の外筒６１と、横断面が略矩形で縦長の２つの内筒６２を備えており、２つの内筒６２は外筒６１の内側に配置される。外筒６１と内筒６２の外側との空間と、内側の内筒６２の内部空間が互いに連通して予備改質室６１aを形成し、２つの内筒６２間に主改質室６２ａが形成される。内筒６２の側壁は耐食性を有し且つ伝熱性の良いステンレス等の金属で作られており、そのため予備改質室６１ａと主改質室６２ａは良好な伝熱性を有する隔壁６２ｂで仕切られた状態になっている。
【００５１】
予備改質室６１ａの一方の端部（図３の下側）に原料−水蒸気混合物を供給する供給部６８が設けられ、他方の端部（図３の上側）に排出部６８ａが設けられる。また予備改質室６１ａの内部には排出部６８ａ側から順に多数の微小な貫通部を有する支持板７３ａ，７３ｃ，７３ｅが設けられ、支持板７３ａと７３ｃの間に水蒸気改質を行う改質触媒層７１ａが充填され、支持板７３ｃと７３ｅの間に伝熱粒子層７１ｂが充填されている。
【００５２】
主改質室６２ａの一方の端部（図３の上側）に予備改質室６１ａの排出部６８ａと連通する供給部６９ａが設けられると共に、その供給部６９ａに空気などの酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入部６３のマニホールド６４，６５が連通する。また主改質室６２ａの他方の端部（図３の下側）にマニホールド６６を有する排出部６９が設けられる。
【００５３】
さらに主改質室６２ａの内部には供給部６９ａ側から順に多数の微小な貫通部を有する支持板７３ａ，７３ｂ，７３ｃ，７３ｄ，７３ｅが設けられる。なお図示の例では、予備改質室６１ａに設ける支持板７３ｃは主改質室６２ａに設ける支持板７３ｃと同じ高さになっているが、両者を互いに異なる高さで設けることもできる。
【００５４】
主改質室６２ａの支持板７３ａと７３ｂの間に改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層７２ａが充填され、支持板７３ｂと７３ｃの間に伝熱粒子層７２ｂが充填され、支持板７３ｃと７３ｄの間に高温シフト触媒層７２ｃが充填され、支持板７３ｄと７３ｅの間に低温シフト触媒層７２ｄが充填される。そして高温シフト触媒層７２ｃと低温シフト触媒層７２ｄの両層でシフト触媒層７２ｅが構成される。なお主改質室６２ａに配置した支持板７３ａと７３ｂの間に存在する周囲壁は断熱壁７０とされ、酸化触媒による酸化反応熱が該部分から直接予備改質室６１ａ側に伝達することを防止している。また、支持板７３ｂと７３ｃの間の伝熱粒子を充填せずに、空隙にしておいてもよい。
【００５５】
予備改質室６１ａに充填する改質触媒層７１ａは、原料ガスを水蒸気改質する触媒層であり、ＮｉＯ−ＳｉＯ２・Ａｌ２Ｏ３などのＮｉ系改質反応触媒を使用することができる。またＷＯ２−ＳｉＯ２・Ａｌ２Ｏ３やＮｉＯ−ＷＯ２・ＳｉＯ２・Ａｌ２Ｏ３ＮｉＳ−ＳｉＯ２・Ａｌ２Ｏ３などのＮｉ系改質反応触媒も使用することができる。
【００５６】
混合触媒層７２ａを構成する主要成分である改質触媒は、前記予備改質室６１ａに充填する改質触媒と同様なものを使用できる。この改質触媒の使用量は、原料−水蒸気混合物が混合触媒層７２ａを通過する間に水蒸気改質反応が完了するに十分な値とされるが、その値は使用する原料ガスの種類により変化するので、最適な範囲を実験等により決定することが望ましい。
【００５７】
混合触媒層７２ａに均一に分散される酸化触媒は原料−水蒸気混合物中の原料ガスを部分酸化して水蒸気改質反応に必要な温度に昇温するものであり、前述のように白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等の貴金属触媒を使用することができる。改質触媒に対する酸化触媒の混合割合は、水蒸気改質すべき原料ガスの種類に応じて１〜５％程度の範囲で選択する。例えば原料ガスとしてメタンを使用する場合は３％±２％程度、メタノールの場合は２％±１％程度の混合割合とすることが望ましい。
【００５８】
予備改質室６１ａの伝熱粒子層７１ｂと主改質室６２ａの伝熱粒子層７２ｂは、隔壁６２ｂを介して主改質室６２ａの熱エネルギーを効率よく予備改質室６１ａに伝達するために設けられる。すなわち主改質室６２ａに充填する伝熱粒子層７２ｂは、混合触媒層７２ａからの高温流出物の熱エネルギーで予備改質室６１ａに充填する改質触媒層７１ａ部分を加熱し、予備改質室６１ａに充填する伝熱粒子層７１ｂは、発熱反応部であるシフト触媒層７２ｅからの熱エネルギーで供給部６８から流入する原料−水蒸気混合物を加熱し、それら両方の熱エネルギー伝達により予備改質室６１ａの改質触媒層７１ａ部分における温度を水蒸気改質反応温度まで昇温する。なおこれら伝熱粒子層７１ｂと伝熱粒子層７２ｂを構成する伝熱粒子は、例えばアルミナ或いは炭化珪素等のセラミック粒子または金属ハニカム体構造で構成できる。
【００５９】
高温シフト触媒層７２ｃと低温シフト触媒層７２ｄの両層により構成されるシフト触媒層７２ｅは、改質ガス中に含まれる一酸化炭素を酸化して水素を生成するものである。すなわち、改質ガスに残存する水蒸気と一酸化炭素の混合物をシフト触媒の存在下に水素と炭酸ガスにシフト変換して、改質ガス中の水素濃度をより高くし、一酸化炭素濃度をそれに応じて低くする。
【００６０】
高温シフト触媒層７２ｃや低温シフト触媒層７２ｄを形成するシフト触媒としては、ＣｕＯ−ＺｎＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４または酸化銅の混合物等を使用することができる。しかし４００℃以上で反応を行う場合にはＣｒ２Ｏ３を使用することが望ましい。
【００６１】
前記複数の隔壁６２ｂは、前記供給部６８および排出部６９側の端部がａ部分で互いに連結されて固定端となっており、それと反対側の端部は互いに連結されずに自由端になっている。そのため改質反応によって高温状態となる予備改質室６１ａと主改質室６２ａ間に熱膨張差が生じたとき、特に主改質室６２ａの熱膨張が多い場合、その熱膨張による主改質室６２ａの伸張を前記自由端により吸収して歪みが発生することを防止できる。
【００６２】
次に、図１の水蒸気改質システムにおける平常時の運転方法について説明する。
（水蒸気発生操作）
水蒸気発生手段２の水貯留部（水ドラム）の水位は水位検出手段４０で検出され、その検出値が予め設定された値より少ないときには、制御装置１４から流量調整弁３２を開ける制御信号が出力され、水貯留部の水位を常に所定範囲に維持する。制御装置１４は水蒸気発生手段２の燃焼部２ａのバーナーを起動する制御信号を出力すると共に、流量調整弁３７，３３（または３３ａ）を制御して燃焼部２ａへ所定流量の燃料−空気混合物を供給する。すなわち、制御装置１４は圧力検出手段４１からの水蒸気圧力検出値が予め設定された値になるように、吸引混合手段６へ加圧空気を流す配管１０２ｂの流量調整弁３７を制御する。なお、流量調整弁３９を開閉弁とし、運転時に制御装置１４でそれを全開に制御しておき、制御装置１４から燃焼部２aの燃料および空気量を制御して必要な水蒸気発生量を調整するように構成することもできる。
【００６３】
制御された空気流が吸引混合手段６に流入すると、その流量に対して所定割合で燃料が吸引して両者が均一に混合される。そのため燃料供給系統に特別な動力装置等の昇圧手段を設ける必要がない上に、均一混合により燃焼部２ａ内部では局部的に高温になる領域がなくなり、良好な燃焼進行によってＮＯｘの発生は低く抑えられ、環境にやさしい燃焼排ガスを排出することができる。
【００６４】
吸引混合手段６を使用する場合には、制御装置１４は燃料の最大許容流量が設定できるように流量調整弁３３の弁開度を制御すればよいが、流量調整弁３３の弁開度を空気流量にほぼ比例するように制御することもできる。また、吸引混合手段６に供給される加圧空気の圧力は常圧より僅かに高い値、例えば０．０２ＭＰａ程度に設定することにより、吸引混合手段６に燃料ガスを吸引できるレベルの負圧を発生させることができる。このように燃焼用空気流量及び燃焼用燃料流量を制御する場合は、この燃焼量で水蒸気発生量を制御することが出来るので、圧力検出手段４１の検出信号によるフィードバック制御をしなくてもよいことは言うまでもない。この場合、流量調整弁３９は開閉弁でもよい。
【００６５】
流量調整弁３３を開けることにより、配管１０１ａから燃料電池のアノード排ガス、都市ガス、プロパンガス、天然ガスなどのガス燃料、または灯油などの液体燃料が吸引混合手段６に供給される。また流量調整弁３３ａを開けることにより配管１１１からメタン、エタン、プロパン等の炭化水素、メタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル等のエーテル類または残水素を含む燃料電池のアノード排ガスなどの原料ガスをガス燃料として吸引混合手段６に供給することもできる。アノード排ガスを吸引混合手段６に供給する場合は、流量調整弁３３は開閉弁でもよい。そして燃料電池への改質ガス供給量に比例した料のアノード排ガスが燃焼部２aの燃料となる。
【００６６】
この流量調整弁３３と３３ａの選択は、例えば制御装置１４への燃料選択指令により行うことができる。燃焼部２ａからの燃焼排ガスは配管１１３から熱交換手段１３に供給され、そこで冷やされてから配管１１４により外部に排出される。一方、配管１０１ａまたは１１１ａから供給される燃料は熱交換手段１３で加熱されてから吸引混合手段６に供給される。
【００６７】
（原料−水蒸気混合操作）
水蒸気発生手段２で発生した水蒸気は、流量調整弁３９で流量調整されて混合手段４に供給されるが、その流量調整は制御装置１４からの制御信号で行われる。すなわち制御装置１４に設けた入力手段から改質手段１への原料供給流量の設定値を入力すると、制御装置１４は流量調整弁３９に所定の弁開度を維持する制御信号を出力する。好適な原料ガスと水蒸気の混合割合は、原料ガスに含まれている炭素Ｃを基準に表示すると、例えば炭化水素の場合はＨ2Ｏ／Ｃ＝２．５〜３．５の範囲が好ましく、脂肪族アルコールの場合はＨ2Ｏ／Ｃ＝２〜３の範囲が好ましい。
【００６８】
混合手段４には前記のように水蒸気流量に対して所定割合のメタン、エタン、プロパン等の炭化水素、メタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル等のエーテル類または残留水素を含む燃料電池のアノード排ガス、さらには都市ガス、プロパンガス、天然ガスなどの原料ガスを配管１０９から混合する。そして混合手段４から均一な原料−水蒸気混合物が流出して改質手段１に供給される。
【００６９】
なお原料供給系８から供給される原料ガスは、配管１１１、脱硫装置９、流量調整弁３１および熱交換手段１３を経て配管１０９に流入する。そして原料ガスは制御装置１４からの制御信号により所定開度に維持された流量調整弁３１でその最大許容流量を制限され、熱交換手段１３で所定温度に加熱されてから混合手段４に供給される。
【００７０】
（改質反応操作）
前記のように、混合手段４から配管１０４に流出した原料−水蒸気混合物は改質手段１の供給部６８（図３）を経て予備改質室６１ａ内に流入する。平常運転時においては、主改質室６２ａから隔壁６２ｂを通して伝熱する熱エネルギーによって、予備改質室６１ａに充填された伝熱粒子層７１ｂが昇温されているので、予備改質室６１ａに流入した原料−水蒸気混合物はその伝熱粒子層７１ｂを通過する間に改質反応温度まで昇温する。
【００７１】
改質反応温度に達した原料−水蒸気混合物は、次いで改質触媒層７１ａを通過し、その間に原料−水蒸気混合物の一部が水蒸気改質反応して水素リッチな改質ガスに変換される。そして水素を含む改質ガスと反応しなかった残りの原料−水蒸気混合物が排出部６８ａから一体となって排出する。特にプロパン等の高炭素の炭化水素は高い収率でメタンに転化される。
【００７２】
予備改質室６１ａの排出部６８ａから排出した前記改質ガスと原料−水蒸気混合物は、主改質室６２ａの供給部６９ａから混合触媒層７２ａに流入する。その際、供給部６９ａには酸素含有ガス導入部６３から酸素含有ガスとして空気が供給され、その空気は混合触媒層７２ａに流入する原料−水蒸気混合物等に混入する。
【００７３】
酸素含有ガス導入部６３から供給される空気流量は制御装置１４で制御される流量調整弁３６によって調整される。すなわち、制御装置１４には水蒸気流量を調整する流量調整弁３５の制御情報が記憶されており、水蒸気流量は原料−水蒸気混合物の流量と相関関係にあるので、該制御情報から必要とする空気流量を算出して流量調整弁３６に最適な制御信号を出力する。
【００７４】
上記のように原料−水蒸気混合物は混合触媒層７２ａに流入するが、その原料−水蒸気混合物を構成する原料ガスの一部は流入した空気中の酸素と反応して酸化（部分酸化）し、その反応熱により原料−水蒸気混合物を改質反応に必要なレベルまで昇温する。すなわち自己酸化加熱が行われる。なお混合触媒層７２ａにおける平均温度は水蒸気改質反応に適した温度、例えば６５０℃〜７５０℃程度、標準的には７００℃前後の温度に維持される。また、主改質室６２aの温度を所定の値になるように酸素含有気体量をフィードバック制御することも可能である。
【００７５】
一方、混合触媒層７２ａにおける温度は、水蒸気改質反応に適した範囲にすることが重要であるが、それと共に、その下流側の伝熱粒子層７２ｂとの境界における温度が所定レベルに維持できるように管理することも重要である。例えば伝熱粒子層７２ｂとの境界における温度が６５０℃以上、好ましくは７００℃以上になるように、混合触媒層７２ａにおける平均温度を管理すると、前記予備改質室６１ａにおける伝熱粒子層７１ｂの温度は少なくとも５００℃以上に維持することができ、それによって予備改質室６１ａの水蒸気改質反応を十分に促進できる。
【００７６】
水素リッチな改質ガスは混合触媒層７２ａからその下流側の伝熱粒子層７２ｂに流入するが、その温度は６５０℃以上、好ましくは７００℃以上の温度になるように運転することが望ましい。前記のように、流入した改質ガスが伝熱粒子層７２ｂを通過する間に、その顕熱の一部が隔壁６２ｂを通して予備改質室６１ａの伝熱粒子層７１ｂに移動し、好適に設定された場合には、伝熱粒子層７２ｂから下流側の高温シフト触媒層７２ｃに流入する際の改質ガス温度は、シフト反応に適する５００℃以下に下降させることもできる。
【００７７】
高温シフト触媒層７２ｃに流入した改質ガスはシフト反応により含まれている一酸化炭素の殆どが炭酸ガスに変換される。すなわち前記のように、改質ガスに残存する水蒸気と一酸化炭素がシフト触媒の存在下に水素と炭酸ガスにシフト変換して水素を生成する。
【００７８】
次いで改質ガスは高温シフト触媒層７２ｃからその下流側の低温シフト触媒層７２ｄに流入し、そこで残存する一酸化炭素の大部分が水素に変換される。このように２段階のシフト反応を行うことにより、一酸化炭素を十分に低減できると共に、水素をより多く生成させることができる。高温シフト触媒層７２ｃおよび低温シフト触媒層７２ｄにおけるシフト反応は発熱反応であり、その反応熱の一部は前記のように隔壁６２ｂを通して補助改質室６１ａの伝熱粒子層７１ｂに移動する。
【００７９】
低温シフト触媒層７２ｄを通過した改質ガスは、主改質室６２ａの排出部６９から配管１０５（図１）に流出するが、通常、改質ガスの温度は１８０℃程度の高温であるので、熱交換手段１２で冷却してから混合手段５に流入させる。混合手段５に流入した改質ガスは配管１１０から供給される空気と混合し、次いでＣＯ低減手段３に流入する。ＣＯ低減手段３において改質ガスに残存する一酸化炭素が極めて微量なレベル（例えば１〜１０ｐｐｍ）まで低減され、配管１０７，配管３０１を経て燃料電池３００に供給される。
【００８０】
前記配管１１０から混合手段５に供給される空気の流量は、制御装置１４からの制御信号により流量調整弁３８の開度を変化して調整される。すなわち制御装置１４には水蒸気流量を調整する流量調整弁３５の制御情報が記憶されており、水蒸気流量は改質ガス流量と相関関係にあるので、該制御情報から必要とする空気流量を算出して流量調整弁３８に適正な制御信号を出力するように構成されている。
【００８１】
なお改質システムを停止する際には、制御装置１４は配管３０１の流路切換弁３０３を閉じ、配管３０２の流路切換弁３０４を開ける制御を行う。この制御により停止後しばらくの間改質装置１から流出する改質ガスを燃料電池３００から吸引混合手段６に切り換えて燃焼する。
【００８２】
次に本発明の特徴部分である改質システムの負荷制御方法について説明する。例えば燃料電池３００を含めた電力設備の総合的な制御を行う制御部（または操作部）が設けられ、その制御部（または操作部）は負荷状況に合わせて燃料電池で発電すべき出力を制御（または操作）すると共に、燃料電池の出力を増減するために必要な改質ガスの供給量の増減指令（負荷増減指令）を出力する。改質装置から供給される改質ガスの生成量を増減するには、改質装置へ供給する原料―水蒸気混合物の供給量を増減しなければならない。
【００８３】
しかし前記のように水蒸気発生手段による水蒸気供給量はステップ的に増減できず時間遅れを伴う。従って前記電力設備の制御部等から連続的に変化する負荷増減指令を改質システム側に出力しても、水蒸気供給はそれにスムーズに追従できない。そこでステップ状に変化する負荷増加減指令を改質システム側に出力して、電力系と改質系の応答速度の差を調整する方式を採用することが望ましい。図４はステップ状の負荷増減指令に対する改質システムにおける各制御対象の変化を説明する図であり、これを基に図１に示す改質システムの種々の負荷制御例を説明する。
【００８４】
（負荷制御方法１）
負荷制御方法１はステップ状に変化する負荷減少指令または付加増加指令に対して各制御対象をステップ状に変化させる制御を行うものである。ここで「ステップ状に変化」とは、例えば図４に示す「負荷減少指令」または「負荷増加指令」のようなあるレベルから他のレベルに急激に状態が変化することをいう。）
【００８５】
最初に負荷減少指令の場合について説明する。制御装置１４が図４の時間ｔ１において所定幅にステップする負荷減少指令を受けると、制御装置１４は先ず水蒸気発生手段２の燃焼量が負荷減少指令に応じた値（負荷減少幅に適合する値、以下の説明においても同様。）までステップ状に減少するように、流量調整弁３７の開度をステップ状に小さくする制御を行い、吸引混合手段６への吸引用空気量を減少する。
【００８６】
すると吸引混合手段６へ吸引される燃料もそれに応じて減少し、所定の空気―燃料比率を維持した状態で燃料供給がステップ状に減少し、それによって燃焼量（燃焼エネルギー量）もステップ状に減少する。水蒸気発生手段２の燃焼量がステップ状に減少すると、図４に実線で示すように水蒸気発生量、すなわち改質装置１へ供給される水蒸気供給量は時間遅れで徐々に減少し、時間ｔ２の時点で前記負荷減少指令に応じたレベルに達して安定する。
【００８７】
制御装置１４は上記水蒸気発生手段２の燃焼量を減少する制御と共に、改質装置１へ供給する原料ガス量と酸素含有ガス量を所定比率に維持した状態で、それら原料ガス量と酸素含有ガス量を前記負荷減少指令に応じた値までステップ状に減少する制御を行う。すなわち改質装置１への原料の供給量を調整する流量調整弁３１の開度をステップ状に小さくする制御を行うと共に、その原料ガスの減少量に対して混合触媒層７２aへの酸素含有ガス（酸化用空気）の供給量を所定割合で減少するように流量調整弁３６の開度をステップ状に小さくする制御を行う。
【００８８】
次に、前記のように水蒸気発生手段２から改質装置１への水蒸気供給量が負荷減少指令に応じたレベルに達した時点（時間ｔ２）で、制御装置１４はＣＯ低減手段３への酸素含有ガスの供給量を負荷減少指令に応じた値までステップ状に減少する。すなわち流量調整弁３８の開度をステップ状に小さくする制御を行う。
【００８９】
ここで、ｔ１からｔ２までの時間は燃料変化が水蒸気発生量変化に現れるまでの時間遅れ（応答時定数）によって決まるので、例えば実験等により予め応答時定数を測定し、それを基にｔ２に達する時間をタイマーまたはプログラム等により設定し、そのセットアップにより制御装置１４が流量調整弁３８の制御を開始する。なお、このような制御方法は以下に説明する他の制御についても同様に適用できる。
【００９０】
次に負荷増加指令について説明する。制御装置１４が図４の時間ｔ３において所定幅でステップする負荷増加指令を受けると、先ず水蒸気発生手段２の燃焼量が負荷増加指令に応じた値（負荷増加幅に適合する値、以下の説明においても同様。）までステップ状に増加するように、流量調整弁３７の開度をステップ状に大きくする制御を行い、吸引混合手段６への吸引用空気量を増加する。
【００９１】
すると吸引混合手段６へ吸引される燃料もそれに応じて増加し、所定の空気―燃料比率を維持した状態で燃料供給がステップ状に増加し、それによって燃焼量もステップ状に増加する。水蒸気発生手段２の燃焼量がステップ状に増加すると、図４に実線で示すように改質装置１へ供給される水蒸気供給量は時間遅れで徐々に増加し、時間ｔ４の時点で前記負荷増加指令に応じたレベルに達して安定する。
【００９２】
制御装置１４は上記水蒸気発生手段２の燃焼量を増加する制御と同時に、ＣＯ低減手段３への酸素含有気体の供給量を負荷増加指令に応じた値までステップ状に増加する。すなわち流量調整弁３８の開度をステップ状に大きくする制御を行う。
【００９３】
前記のように水蒸気発生手段２の水蒸気発生量が負荷増加指令に応じたレベルに達した時点（時間ｔ４）において、制御装置１４は改質装置１へ供給する原料ガス量と酸素含有ガス量を所定比率に維持した状態で前記負荷増加指令に応じた値までステップ状に増加する制御を行う。すなわち改質装置１への原料の供給量を調整する流量調整弁３１の開度をステップ状に大きくする制御を行うと共に、その原料ガスの増加量に対して混合触媒層７２aへの酸素含有ガス（酸化用空気）の供給量を所定割合で増加するように流量調整弁３６の開度をステップ状に大きくする制御を行う。
【００９４】
（負荷制御方法２）
負荷制御方法２はステップ状に変化する負荷減少指令または付加増加指令に対して各制御対象をランプ状または段階状に変化させる制御を行うものである。ここで「ランプ状に変化」とは例えば図４に点線で示す原料ガス変化のように、所定時間（例えばｔ１からｔ２までの時間）であるレベルから他のレベルに一定勾配で変化することをいう。また「段階状に変化」とは所定時間（例えばｔ１からｔ２までの時間）であるレベルから他のレベルまでを複数の小さいステップ状に分けて段階的に変化することをいう。
【００９５】
最初に負荷減少指令について説明する。制御装置１４が図４の時間ｔ１において所定幅にステップする負荷減少指令を受けると、制御装置１４は先ず水蒸気発生手段２の燃焼量が負荷減少指令に応じた値までランプ状または段階状に減少するように、流量調整弁３７の開度をランプ状または段階状に小さくする制御を行い、吸引混合手段６への吸引用空気量を減少する。
【００９６】
すると吸引混合手段６へ吸引される燃料もそれに応じて減少し、所定の空気―燃料比率を維持した状態で燃料供給がランプ状または段階状に減少し、それによって燃焼量も図４に点線で示すようにランプ状または段階状に減少する。水蒸気発生手段２の燃焼量がランプ状または段階状に減少すると、図４に点線で示すように改質装置１へ供給される水蒸気供給量は前記ランプ状または段階状に減少する燃焼量の変化に対し、僅かな時間遅れでそれに追従して減少していき、時間ｔ２より僅かに遅れた時点で前記負荷減少指令に応じたレベルに達して安定する。
【００９７】
制御装置１４は上記水蒸気発生手段２の燃焼量を減少する制御と同時に、改質装置１へ供給する原料ガス量と酸素含有ガス量を所定比率に維持した状態で、それら原料ガス量と酸素含有ガス量を前記負荷減少指令に応じた値までランプ状または段階状に減少する制御を行う。すなわち改質装置１への原料供給をランプ状または段階状に減少するように流量調整弁３１の開度を小さくする制御を行うと共に、その原料ガスの減少量に対して混合触媒層７２aへの酸素含有ガス（酸化用空気）の供給量を所定割合で減少するように流量調整弁３６の開度を小さくする制御を行う。
【００９８】
さらに制御装置１４は、前記水蒸気発生手段２の燃焼量を減少する制御と同時に、ＣＯ低減手段３への酸素含有気体の供給量を負荷減少指令に応じた値までランプ状または段階状に減少する。すなわち流量調整弁３８開度をランプ状または段階状に小さくする制御を行う。
【００９９】
前述した負荷制御方法１では、ＣＯ低減手段５への酸素含有気体の減少制御を水蒸気発生手段２から改質装置１への水蒸気供給量が負荷減少指令に応じたレベルに達した時点（時間ｔ２）で行い、それによってＣＯ低減手段５における一時的に水蒸気過剰状態になることを防止している。しかし負荷制御方法２では前記水蒸気供給量の減少速度が原料ガス量と酸素含有ガス量の減少速度と概略時間遅れなく追従できるので、ＣＯ低減手段５におけるＣＯ低減機能を損ないような水蒸気過剰状態になる恐れはない。そのため制御方法２では前記水蒸気発生手段２の燃焼量を減少する制御と同時にＣＯ低減手段５への酸素含有ガスの減少制御を行うことができる。
【０１００】
次に負荷増加指令について説明する。制御装置１４が図４の時間ｔ３において所定幅にステップする負荷増加指令を受けると、先ず水蒸気発生手段２の燃焼量を点線で示すように負荷増加指令に応じた値までランプ状または段階状に増加する。すなわち流量調整弁３７の開度をランプ状または段階状大きくする制御を行い、吸引混合手段６への吸引用空気量を増加する。
【０１０１】
すると吸引混合手段６へ吸引される燃料もそれに応じて増加し、所定の空気―燃料比率を維持した状態で燃料供給がランプ状または段階状に増加し、それによって燃焼量もランプ状または段階状に増加する。水蒸気発生手段２の燃焼量がランプ状または段階状に増加すると、図４に点線で示すように、改質装置１へ供給される水蒸気供給量は前記ランプ状または段階状に増加する燃焼量の変化に対し、僅かな時間遅れでそれに追従して増加していき、時間ｔ４より僅かに遅れた時点で前記負荷増加指令に応じたレベルに達して安定する。
【０１０２】
さらに制御装置１４は、前記水蒸気発生手段２の燃焼量を増加する制御と共に、改質装置１へ供給する原料ガス量と酸素含有ガス量を所定比率に維持した状態で前記負荷増加指令に応じた値までランプ状または段階状に増加する制御を行う。すなわち改質装置１への原料供給をランプ状または段階状に増加するように流量調整弁３１の開度を大きくする制御を行うと共に、その原料ガスの増加量に対して混合触媒層７２aへの酸素含有ガス（酸化用空気）の供給量を所定割合でランプ状または段階状に増加するように流量調整弁３６の開度を大きくする制御を行う。
【０１０３】
さらに制御装置１４は、前記水蒸気発生手段２の燃焼量を増加する制御と同時に、ＣＯ低減手段３への酸素含有気体の供給量を負荷増加指令に応じた値までランプ状または段階状に増加する。すなわち流量調整弁３８開度をランプ状または段階状に大きくする制御を行う。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明の改質システムの負荷制御方法は、発生電力量が変化する燃料電池に改質ガスを供給するシステムに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の負荷制御方法を実施する改質システムのプロセスフロー図。
【図２】燃料−空気混合物を供給する吸引混合手段６の構造を示す断面図。
【図３】図１に示した改質装置１の具体的構成を示す図。
【図４】ステップ状の負荷増減指令に対する改質システムにおける各制御対象の変化を説明する図。
【符号の説明】
【０１０６】
１    改質装置
２    水蒸気発生手段
２ａ  燃焼部
３  ＣＯ低減手段
４  混合手段
６  吸引混合手段
７  加圧空気供給系
８  原料供給系
９  脱硫装置
１０  水タンク
１２，１３  熱交換手段
１４  制御装置
【０１０７】
２０  エジェクタ
２１  固定部
２２  内部ノズル構造体
２３  外部ノズル構造体
２４，２５  開口部
２６  絞り部
【０１０８】
３１〜３９  流量調整弁
４０  水位検出手段
４１  圧力検出手段
４２  温度検出手段
【０１０９】
６１  外筒
６１ａ  予備改質室
６２    内筒
６２ａ  主改質室
６２ｂ  隔壁
６３    酸素含有ガス導入部
６４，６５，６６  マニホールド
６８    供給部
６８ａ  排出部
６９    排出部
６９ａ  供給部
７０  断熱壁
【０１１０】
７１ａ  改質触媒層
７１ｂ  伝熱粒子層
７２ａ  混合触媒層
７２ｂ  伝熱粒子層
７２ｃ  高温シフト触媒層
７２ｄ  低温シフト触媒層
７２ｅ  シフト触媒層
７３ａ〜７３ｅ  支持板
【０１１１】
８０  プレヒータ
８１，８２  配管
８３，８４  流量調整弁
８５  配管
１０１ａ〜１１４  配管
３００  燃料電池
３０１，３０２  配管
３０３，３０４  流路切換弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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