(57)【要約】【課題】運転条件の変動によらず、熱交換特性を維持できる触媒反応装置を提供する。【解決手段】供給される反応ガスを用いて発熱反応を生じる触媒反応層３ａと、内部を流体が流通し、触媒反応層３ａと熱交換可能な媒層３ｂと、を備える。冷媒層３ｂを流通する流体の乾き度を判定する乾き度判定手段、ここでは温度センサ４により検出した冷媒層３ｂから排出される水蒸気温度と所定温度を比較する比較手段（Ｓ２）を備える。さらに、乾き度の判定結果に基づいて、流体の乾き度を調節する乾き度調節手段、ここでは流体流量を調整する流量調節弁２を備える。【選択図】      図１
2004292261.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給される反応ガスを用いて発熱反応を生じる触媒反応層と、
内部を流体が流通し、前記触媒反応層と熱交換可能な冷媒層と、
前記冷媒層を流通する流体の乾き度を判断する乾き度判断手段と、
前記乾き度の判断結果に基づいて、流体の乾き度を調節する乾き度調節手段と、を備えることを特徴とする燃料改質システム用触媒反応装置。
【請求項２】
前記乾き度判断手段として、前記冷媒層から流出する流体温度と所定温度とを比較することにより流体の乾き度を判断する温度比較手段を備える請求項１に記載の燃料改質システム用触媒反応装置。
【請求項３】
前記乾き度調節手段として、前記冷媒層から流出する流体温度が、少なくとも流体の相変化温度以上の所定値となるように、流体温度を調節する温度調節手段を備える請求項１または２に記載の燃料改質システム用触媒反応装置。
【請求項４】
前記温度調節手段として、前記冷媒層を流通する流体流量を調節する流量調節手段を備える請求項３に記載の燃料改質システム用触媒反応装置。
【請求項５】
前記温度調節手段として、前記冷媒層に流入する流体を加熱する加熱手段を備える請求項３に記載の燃料改質システム用触媒反応装置。
【請求項６】
前記加熱手段として、前記冷媒層を流通する流体と水素リッチガスとの間で熱交換を行う熱交換手段と、
前記流体が前記熱交換手段を迂回する割合を調節する流量割合調節手段と、を備える請求項５に記載の燃料改質システム用触媒反応装置。
【請求項７】
前記乾き度判断手段としては、前記冷媒層から流出する流体温度に応じて求めた所定圧力と、前記冷媒層内の流体圧力とを比較することにより流体の乾き度を判断する圧力比較手段を備え、
前記乾き度調節手段として、前記冷媒層内の流体圧力を調整する圧力調節手段を備える請求項１に記載の燃料改質システム用触媒反応装置。
【請求項８】
前記触媒反応層において、一酸化炭素と水の反応により二酸化炭素と水素を生成する請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料改質システム用触媒反応装置。
【請求項９】
前記触媒反応層において、一酸化炭素と酸素との反応により、二酸化炭素を生成する請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料改質システム用触媒反応装置。
【請求項１０】
前記冷媒層を流れる流体として、水素リッチガスの生成原料となる水蒸気を気液二相状態で流通させる請求項１から９のいずれか一つに記載の燃料改質システム用触媒反応装置。
【請求項１１】
一酸化炭素を除去可能な触媒反応層と、
内部を流体が流通し、前記触媒反応層と熱交換可能な冷媒層と、を備え、
前記冷媒層を流通する流体の乾き度を、前記冷媒層が反応効率に適した温度に維持されるように調節することを特徴とする燃料改質システム用触媒反応装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料改質システム用の触媒反応装置に関する。特に、触媒反応装置における温度調節に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発熱反応を生じる触媒反応層を備えた燃料改質システム用の触媒反応装置として、蒸気との熱交換を行って触媒反応層の温度を調整することにより、反応効率を高く維持するものが知られている。
【０００３】
水素リッチガス中の一酸化炭素を低減する触媒反応層においては、一酸化炭素低減効率を高めるために、所定の温度範囲で運転する必要がある。一酸化炭素と水分との反応により二酸化炭素と水素とを生成するシフト反応では、この所定の温度範囲は約３００℃〜２００℃となる。また、一酸化炭素と酸素との反応により二酸化炭素を生成する選択酸化反応では、所定の温度範囲は約２００℃〜１００℃となる。
【０００４】
このような触媒反応装置では、炭化水素燃料を改質して得られた水素リッチガス中の一酸化炭素を低減する触媒反応層を、気液二相状態にある湿り水蒸気との熱交換により温度調節する。これにより、触媒反応層を所定の温度範囲に調整することができ、一酸化炭素低減効率や熱効率を高く維持することができる（例えば、特許文献１、２、参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１６３６０１号公報
【特許文献２】
特開２００２−４７００２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、上記触媒反応装置においては、運転負荷の変動により水蒸気の乾き度が変動し、これにより冷媒層の熱交換特性が急激に変動する場合がある。特に、触媒反応層からの吸熱が不十分となる場合には、反応温度が所定範囲を逸脱する部位が生じてしまう。このため、一酸化炭素低減効率を十分に高く維持するのが困難となる可能性があるという問題点があった。
【０００７】
そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、運転負荷の変動によらず、熱交換特性を維持できる触媒反応装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、供給される反応ガスを用いて発熱反応を生じる触媒反応層と、内部を流体が流通し、前記触媒反応層と熱交換可能な冷媒層と、前記冷媒層を流通する流体の乾き度を判断する乾き度判断手段と、を備える。さらに、前記乾き度の判断結果に基づいて、流体の乾き度を調節する乾き度調節手段と、を備える。
【０００９】
または、一酸化炭素を除去可能な触媒反応層と、内部を流体が流通し、前記触媒反応層と熱交換可能な冷媒層と、を備える。前記冷媒層を流通する流体の乾き度を、前記冷媒層が反応効率に適した温度に維持されるように調節する。
【００１０】
【作用及び効果】
冷媒層を流通する流体の乾き度を判断し、乾き度の判断結果に基づいて、流体の乾き度を調節する。これにより、運転負荷の変動にかかわらず冷媒層の熱交換特性の安定化することができる。
【００１１】
または、冷媒層を流通する流体の乾き度を、触媒反応層が反応効率に適した温度に維持されるように調節する。このように、流体の乾き度を調整することにより熱交換特性を安定化して、触媒反応層の温度を反応に適した温度に維持することができるので、触媒反応層における反応効率を高く維持することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料改質システム用の触媒反応装置として、図１に示すような概略構成のＣＯ低減装置１を用いる。ここでは、特に、ＣＯ低減装置１を、シフト反応により水素リッチガス中のＣＯを低減するシフト反応装置とする。
【００１３】
水を予熱することにより気液二相状態のＨ２Ｏ（以下、湿り水蒸気）を生成する図示しない水予熱装置、図示しない水予熱装置において生成された湿り水蒸気の流量を調節する流量調節弁２を備える。また、水素リッチガス中のＣＯを低減すると共に水素リッチガスと水蒸気との間で熱交換を行うシフト反応器３、シフト反応器３を流通する水蒸気の圧力を調節する減圧弁５、を備える。さらに、後述するようにシフト反応器３から排出される水蒸気の温度を検出する温度センサ４、ＣＯ低減装置１を制御するためのコントローラ２０を備える。なお、ここでいう水蒸気は、気液二相状態からなる湿り水蒸気の状態と、気相のみからなる乾き水蒸気の状態と、の両方の状態を含む。
【００１４】
シフト反応器３は触媒反応層３ａと、これと熱交換可能に配置された冷媒層３ｂと、から構成する。触媒反応層３ａには、約３００℃〜２００℃においてシフト反応（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２）が活性化する触媒を充填する。例えば、触媒Ｃｕ／ＺｎＯを充填する。このような触媒反応層３ａに水素リッチガスを流通させることにより、水素リッチガス中のＣＯ濃度を低減する。また、冷媒層３ｂには水蒸気を流通させて、触媒反応層３ａにおいて生じるシフト反応に伴う熱を吸収することにより触媒反応層３ａを適切な反応温度範囲に調整する。なお、反応温度範囲、触媒の種類については、上記に限定するものではない。
【００１５】
次に、このようなＣＯ低減装置１における水素リッチガス系１５について説明する。水素リッチガス系１５は、シフト反応器３の触媒反応層３ａに水素リッチガスを供給する手段を含む水素リッチガスの流通経路とする。
【００１６】
図示しない燃料改質装置において、炭化水素系燃料と水蒸気、酸化剤とから水素リッチガスを生成する。例えば、炭化水素系燃料として脱硫ガソリンを、酸化剤として空気を用いる。燃料改質装置において生成された水素リッチガス中には、図示しない燃料電池に備えた白金等の触媒の劣化原因となるＣＯが含まれている。そこで、図示しない高温シフト反応器において、シフト反応を生じることにより、水素リッチガス中のＣＯを約２％程度まで低減する。
【００１７】
このようにＣＯ濃度を低減した水素リッチガスをＣＯ低減装置１に供給する。水素リッチガスはＣＯ低減装置１のシフト反応器３に備えた触媒反応層３ａに供給される。水素リッチガスが触媒反応層３ａを流通する際に、さらにシフト反応が生じ、ＣＯ濃度を約０．５％程度まで低減する。このとき、シフト反応に伴って熱が生じるが、この熱は冷媒層３ｂに吸収されるので触媒反応層３ａは所定の温度範囲に維持される。
【００１８】
シフト反応器３においてＣＯが低減された水素リッチガスは、さらに図示しない選択酸化反応器に供給される。水素リッチガスが選択酸化反応器を流通する際にＣＯの選択酸化反応（ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２）が生じて、水素リッチガス中のＣＯ濃度が約１０ｐｐｍまで低減される。その後、図示しない燃料電池に供給されて発電に用いられる。
【００１９】
次に、ＣＯ低減装置１に備えた触媒反応層３ａの温度を調節するための水蒸気系１７について説明する。ここで、水蒸気系１７は、シフト反応器３の冷媒層３ｂに気液二相状態の湿り水蒸気を供給する手段を含む水蒸気の流通経路とする。
【００２０】
図示しない水予熱装置において水蒸気を生成する。このとき、水蒸気は気液二相状態の湿り水蒸気の状態に生成される。生成された湿り水蒸気は、流量調節弁２において流量調節されてからシフト反応器３の冷媒層３ｂに供給される。ここで、湿り水蒸気の流量を調節する手段としては、流量調節弁２の替わりにポンプを用いても良い。この場合には、ポンプの吐出量を調節することにより湿り水蒸気流量を調節する。
【００２１】
湿り水蒸気は冷媒層３ｂを流通する際に、触媒反応層３ａで生じる反応熱を吸収することにより触媒反応層３ａの温度を所定の温度範囲に維持する。ここで、冷媒層３ｂの下流に設置された減圧弁５を調節して冷媒層３ｂ内の水蒸気圧力を調節することにより、水蒸気温度を冷媒として適した温度に調節する。例えば、約１ＭＰａに加圧して、沸点を１８０℃に上昇させる。これにより、冷媒層３ｂを流れる湿り水蒸気中の液相のＨ２Ｏが気相に相変化する際の顕熱を用いて、触媒反応層３ａを効率良く冷却することができる。このとき、Ｈ２Ｏが触媒反応層３ａから吸収した反応熱により気相のみからなる乾き水蒸気とならないように、図示しない水予熱装置において予熱量を設定しておくことで、水蒸気温度を沸点程度に調整することができる。負荷変動に応じた水素リッチガスの流量の変動、つまり、触媒反応層３ａで生じる熱の変動に対しては、流量調節弁２を調整して冷媒層３ｂを流れる水蒸気の流量を調整することにより、水蒸気が乾き水蒸気の状態となって熱交換効率が低下するのを防ぐ。このとき、後行程において水蒸気を改質反応に用いるため、冷媒層３ｂから排出される水蒸気中に大量の液相が含まれないように水蒸気流量を調節する。
【００２２】
このように触媒反応層３ａの温度調節に用いられた水蒸気は、冷媒層３ｂから減圧弁５を介して燃料改質装置に供給されて、改質反応に用いられる。なお、ここでは図示しない水蒸気生成装置等を備え、流量調節弁２により水蒸気流量を調整することにより、要求される改質反応を行うのに不足する水蒸気分を補っても良い。
【００２３】
次に、水蒸気流量の補正方法について、図２のフローチャートを用いて説明する。
【００２４】
本実施形態においては、水蒸気流量を補正することにより、水蒸気の乾き度を調整して湿り水蒸気の状態を維持する。水蒸気流量を調節する流量調節弁２の開度αは、基本的には当該運転負荷における標準開度α０に基づくが、負荷変動に応じて補正が行われる。ここでは、負荷変動に応じて冷媒層３ｂから排出される水蒸気の乾き度、ひいては水蒸気の温度が変化するので、これに応じて開度αを調節する。標準開度α０は、予め実験等により運転負荷に応じた開度特性を求めておき、これをマップまたは数式化してコントローラ２０に記憶させておく。以下、水蒸気流量の補正方法について説明する。
【００２５】
ここでは運転負荷に応じた予熱量および水蒸気流量を設定してあるので、運転負荷の変動を検知したら、開度αを運転負荷に応じた基本開度α０に設定してから、本制御を運転負荷過渡期の間繰り返し行う。運転負荷過渡期には、水素リッチガスを用いたシフト反応により生じる熱と、冷媒層３ｂを流通する水蒸気流量とのバランスが崩れる可能性がある。これに対して以下のように流量調節弁２の開度αを補正することにより、冷媒層３ｂ内の水蒸気の乾き度を調整することができる。
【００２６】
ステップＳ１において、温度センサ４により、冷媒層３ｂから排出される水蒸気の温度検出値Ｔを読み込む。ここでは、この水蒸気温度の検出値Ｔの大きさに応じて、冷媒層３ｂ内の水蒸気の乾き度を推定する。ステップＳ２において検出値Ｔと目標値Ｔ０との比較を行う。ここで目標値Ｔ０は、水蒸気の乾き度が１とならず、かつ、触媒反応層３ａの温度を適切な反応温度範囲に調節するための冷媒として適した温度である。なお、乾き度は、蒸気の単位体積当たりの全質量に対する乾き飽和蒸気の占める質量の割合を示すものである。例えば、乾き度が１近傍では、ガスの流れの中を、液滴が噴霧状に流れている噴霧流の状態を示している。乾き度が０近傍では、液の流れの中を気泡が流れている気泡流の状態を示している。水蒸気の乾き度が１になった場合には、水の顕熱による熱の吸収を利用して触媒反応層３ａの冷却を行うことができないので、熱吸収効率が急激に低下する。水蒸気による冷却効率を維持するために、目標温度Ｔ０を、冷媒層３ｂの圧力下、ここでは１ＭＰａで、水蒸気が気相と液相の二相流からなり、かつ冷媒として適用できる温度とする。目標値Ｔ０は、水の沸点とするのが最も好ましい。
【００２７】
また、冷媒層３ｂから流出した後行程において、水蒸気を燃料改質装置の改質原料として用いることを想定した場合、未気化の水を大量に流出させることはあまり望ましくない。したがって、本実施形態においては、未気化の水を大量に流出させることがないよう、余裕をみて目標値Ｔ０を水の沸点よりも僅かに高い温度とする。具体的には、冷媒層３ｂにおける水の沸点が１８０℃に設定されているので、目標値Ｔ０を１９０℃とする。
【００２８】
ステップＳ２において、Ｔ＜Ｔ０の場合には、水蒸気の乾き度が小さく未気化の水が大量に存在する可能性があると推定できる。そこで、ステップＳ３に進み流量調節弁２の開度αを低減する。これにより、冷媒層３ｂで熱交換を行う水蒸気流量が減少するので、水蒸気が単位流量当たりに吸収する熱量が増大して、未気化の状態の水の存在を低減することができる。これは、例えば運転負荷増大の過渡期に相当する。
【００２９】
一方、ステップＳ２において、Ｔ＞Ｔ０の場合には、水蒸気の乾き度が１となり、水蒸気の加熱温度が過剰となって触媒反応層３ａの温度調節が不十分である可能性があると推定できる。水蒸気の乾き度が１となった場合には、水蒸気の熱交換効率が著しく低下するので、触媒反応層３ａの冷却を十分行えない場合がある。そこで、ステップＳ４に進み流量調節弁２の開度αを増大する。これにより、冷媒層３ｂに供給される水蒸気流量を増大して触媒反応層３ａからの熱の吸収を促進することができる。これは、例えば運転負荷減少の過渡期に相当する。
【００３０】
一方、ステップＳ２において、Ｔ＝Ｔ０の場合には、水蒸気の状態が好ましく、また、触媒反応層３ａの温度調節も十分に行うことができるので、そのままの開度αを維持する。このように流量調節弁２の開度αを補正したら、本フローを終了する。これは、例えば、運転負荷の変動が緩やかな場合に相当する。
【００３１】
上述したような制御を繰り返して行うことで、負荷変動時にも水蒸気温度を制御して水蒸気の乾き度を維持することができる。なお、負荷変動の他の運転条件によっても、水蒸気の乾き度が変化する場合には、上述した制御を燃料改質システム運転中に繰り返し行ってもよい。
【００３２】
次に、ＣＯ低減装置１、特にシフト反応器３の内部温度分布を示す。図３（ａ）には従来の内部温度分布を図３（ｂ）には、本実施形態における内部温度分布を示す。
【００３３】
従来は、運転条件の変動により、水蒸気の乾き度が１となる領域が冷媒層３ｂ内で大きくなる場合があった。水蒸気が乾いた領域では、熱伝達率が急激に小さくなることから、触媒反応層３ａから冷媒層３ｂへの熱通過が急激に減少する。熱通過が減少する領域では、反応温度が最適な範囲よりも高くなる可能性が生じ、副反応である逆シフト反応（ＣＯ２＋Ｈ２→ＣＯ＋Ｈ２Ｏ）の反応速度が大きくなる。このため、ＣＯ低減効率を十分に高くすることができない。
【００３４】
一方、本実施形態においては、水蒸気が乾いてしまう領域が最小限（Ｔ０＝水の沸点として開度αを補正した場合にはゼロ）となるため、触媒反応層３ａから冷媒層３ｂへの熱通過が高く維持される。これにより、触媒反応層３ａの温度が反応に最適な範囲に維持されるため、副反応である逆シフト反応が抑制される。これによりＣＯ低減効率を高くすることができる。
【００３５】
次に、本実施形態の効果を説明する。
【００３６】
供給される反応ガスを用いて発熱反応を生じる触媒反応層３ａと、内部を流体が流通し、触媒反応層３ａと熱交換可能な媒層３ｂと、を備える。冷媒層３ｂを流通する流体の乾き度を判断する乾き度判断手段と、乾き度の判断結果に基づいて、流体の乾き度を調節する乾き度調節手段と、を備える。これにより、流体の乾き度、ここでは水蒸気の乾き度を所定値に調節することができる。よって水蒸気を湿り水蒸気の状態に設定することができ、冷媒層３ｂの熱交換特性の安定化を確実にすることができる。また、水蒸気の乾き度が過剰に小さい値となるのを防ぐことで、冷媒層３ｂから排出される水蒸気内に大量の液相が含まれるのを防ぐことができる。
【００３７】
乾き度判断手段として、冷媒層３ｂから流出する流体温度、ここでは水蒸気温度と、所定温度とを比較することにより流体の乾き度を判断する温度比較手段（Ｓ２）を備える。所定温度として、乾き度が１より小さく、かつ、触媒反応層３ａを適切な温度に調節することのできる温度を設定する。ここでは、後行程において液状の水分が大量に存在するのを防ぐために、流体の沸点より僅かに大きな値を所定温度とする。これにより、簡単な構成で水蒸気の乾き度を判断することができる。
【００３８】
乾き度調節手段として、冷媒層３ｂから流出する流体温度が、少なくとも流体の相変化温度以上の所定値となるように、流体温度を調節する。このように流体の温度を調整することで、流体の乾き度を適切に調節することができる。
【００３９】
このように、水蒸気温度を検出することにより水蒸気の乾き度が適切であるかどうかを判断し、適切でないと判断された場合には、水蒸気温度を調節することにより水蒸気の乾き度を調節する。これにより、簡単な構成で冷媒層３ｂにおける水蒸気の乾き度が１となる領域を抑制することができ、確実に熱交換特性を安定化することができる。例えば、検出温度が水蒸気の相変化温度になるように水蒸気温度を調節することで、乾き度が１となる領域をゼロとすることができる。
【００４０】
温度調節手段として、冷媒層３ｂを流通する水蒸気流量を調節する流量調節弁２を備える。これにより、簡単な構成で、水蒸気の乾き度を所定値に調節することができ、冷媒層３ｂの熱交換特性を安定化することができる。
【００４１】
触媒反応層３ａにおいて、ＣＯと水の反応により二酸化炭素と水素を生成する。つまり、ＣＯ低減装置１としてシフト反応装置を用いる。これにより、シフト反応の温度調節を適切にすることができ、シフト反応の反応効率を高くすることができる。
【００４２】
冷媒層３ｂを流れる流体として、水素リッチガスの生成原料となる水蒸気を気液二相状態で流通させる。これにより、触媒反応層３ａで生じる反応熱が、水素リッチガスの生成原料となる水蒸気に吸収されるので、反応熱の放熱手段が不要となり装置構成を簡単にすることができる。また、改質反応に用いる水蒸気を生成するための熱の一部として、ＣＯ低減装置１における反応熱を用いることができるので、システムの熱効率を向上することができる。
【００４３】
ＣＯを除去可能な触媒反応層３ａと、内部を流体、ここでは水蒸気が流通し、触媒反応層３ａと熱交換可能な冷媒層３ｂと、を備え、冷媒層３ｂを流通する水蒸気の乾き度を、冷媒層３ｂが反応効率に適した温度に維持されるように調節する。これにより、冷媒層３ｂの熱交換特性が安定化するように乾き度を調節して、触媒反応層３ａの温度をＣＯ低減効率が高く維持されるように調節することができる。
【００４４】
次に、第２実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４５】
触媒反応装置の概略構成を図４に示す。触媒反応装置として第１実施形態においてはシフト反応器３を備えたＣＯ低減装置１を用いたのに対して、ここでは選択酸化反応器６を備えるＣＯ低減装置７を用いる。
【００４６】
選択酸化反応器６を、触媒反応層６ａと、これと熱交換可能に配置された冷媒層６ｂとから構成する。触媒反応層６ａでは、約２００℃〜１００℃において選択酸化反応（２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２）が活性化する触媒を充填する。例えば、触媒Ｒｕ／Ａｌ２Ｏ３を充填する。なお、反応温度範囲、触媒種類については、上記に限定するものではない。
【００４７】
このような構成のＣＯ低減装置７における水素リッチガス系１５の構成を説明する。
【００４８】
図示しない燃料改質装置において改質反応を生じることにより生成された水素リッチガスは、図示しないシフト反応器に供給され、シフト反応によりＣＯ濃度が０．５％程度まで低減される。その後、空気供給装置により酸化剤としての空気を混入されてから、選択酸化反応器６の触媒反応層６ａに供給される。ここで、発熱を伴う選択酸化反応を生じることにより、ＣＯを約１０ｐｐｍ程度まで低減する。このときに生じる反応熱が、冷媒層６ｂに吸収されることにより、触媒反応層６ａは所定の温度に維持される。
【００４９】
ＣＯ濃度が低減された水素リッチガスは、図示しない燃料電池に供給されて、発電反応に用いられる。
【００５０】
一方、水蒸気系１７については、第１の実施形態と同様である。ただし、ここでは、湿り蒸気を冷媒として適した温度にするため、減圧弁５により調整する冷媒層６ｂの圧力を第１実施形態より低く設定する。例えば、約０．５ＭＰａに加圧して、沸点を約１５０℃に設定する。
【００５１】
目標値Ｔ０は、水の沸点とするのが好ましいが、本実施形態では、後行程に未気化の水を大量に流出したくないので、余裕をみて目標値Ｔ０を沸点より僅かに高い温度とする。具体的には、１６０℃とする。
【００５２】
このように構成することで、第１と同様に、図３に示すような温度分布を得ることができる。
【００５３】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００５４】
触媒反応層６ａにおいて、ＣＯと酸素との反応により、二酸化炭素を生成する。つまりＣＯ低減装置７として、選択酸化反応装置を用いる。これにより、選択酸化反応の温度調節を適切に行うことができ、選択酸化反応の反応効率を高くすることができる。
【００５５】
次に、第３の実施形態について説明する。以下、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。第２実施形態においては、水蒸気を湿り水蒸気に維持するために水蒸気流量を調整したが、ここでは水蒸気圧力を調整することにより冷媒層６ｂ内の水蒸気の乾き度を調節する。
【００５６】
選択酸化反応器６を備えたＣＯ低減装置８を用いる。ＣＯ低減装置８の構成を図５に示す。
【００５７】
ここでは、水蒸気流量の補正を行わないため、冷媒層６ｂの上流側に配置した流量調節弁２を省略する。また、冷媒層６ｂの下流側には、減圧弁５の替わりに圧力調節弁１０を備える。冷媒層６ｂと圧力調節弁１０との間には、温度センサ４と圧力センサ９を備える。
【００５８】
水蒸気の圧力は、基本的には湿り水蒸気が冷媒として適した温度になる圧力を目標値として、圧力調節弁１０の開度βにより調整される。ここでは、例えば０．５ＭＰａに調整する。要求負荷に応じて流通する水蒸気流量が変化するので、要求負荷に応じて常に冷媒層６ｂが０．５ＭＰａ程度になるように基本開度β０を設定する。ただし、冷媒層６ｂの圧力は、温度センサ４の検出値Ｔに応じて補正を行う。この補正について、図６のフローチャートを用いて説明する。要求負荷に変化があることを検知したら、圧力調節弁１０をその要求負荷に応じた基本開度β０に設定してから、本フローを開始する。
【００５９】
ステップＳ１１において、温度センサ４を用いて冷媒層６ｂから排出される水蒸気の温度検出値Ｔを読み込む。ステップＳ１２において、圧力センサ９を用いて水蒸気の圧力検出値Ｐを読み込む。次にステップＳ１３において、温度検出値Ｔに対する圧力の目標値Ｐｉを読み込む。ここで、目標値Ｐｉは、検出値Ｔにおける水の飽和圧力であり、予め記憶しておく。例えば、温度検出値Ｔが所定の温度である目標値Ｔ０（＝１５０℃）であれば、圧力の目標値Ｐｉは０．５ＭＰａとなり、補正の必要がない。一方、検出値Ｔが所定の温度より高い場合には、圧力の目標値Ｐｉは０．５ＭＰａより大きくなるので、冷媒層６ｂ内に湿り水蒸気を流通させるためには冷媒層６ｂ内の圧力が高くなるように圧力調節弁１０の開度βを補正する必要がある。
【００６０】
そこで、ステップＳ１４において検出値Ｐと、検出温度Ｔより求めた目標値Ｐｉを比較する。Ｐ＜Ｐｉの場合には、水蒸気の乾き度が１であると推定することができ、このときには、水蒸気の冷却効率が低下して触媒反応層６ａの温度調整が不十分となっている可能性がある。そこで、ステップＳ１５に進み、圧力調節弁１０の開度βを小さくすることにより冷媒層６ｂの圧力を増大させる。このように、水蒸気の圧力を増加して飽和水蒸気圧に調整することにより、水蒸気温度を所定の温度、ここでは１５０℃程度に調節することができる。その結果、乾き度が１より小さくなり、水蒸気を気相と液相との二相状態から構成することができ、水蒸気の冷却性能を維持することができる。
【００６１】
一方、ステップＳ１４において、Ｐ≧Ｐｉの場合、すなわち、水蒸気が湿っている状態では、水蒸気温度が冷媒として適切であり、かつ、冷媒性能も維持できていると判断する。つまり、触媒反応層６ａの温度調整を十分に行うことができるので、圧力調節弁１０の開度βを基本開度β０のまま維持する。
【００６２】
このような制御フローを負荷変化が生じるたびに繰り返すことにより、冷媒層６ｂ内に、常に乾き度が１より小さい湿り水蒸気を流通させることができる。なお、本フローを所定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に繰り替えし行う場合には、ステップＳ１４において、検出値Ｐと目標値Ｐｉを比較した際に、Ｐ＞Ｐｉの場合には、開度βを増大することにより冷媒層６ｂ内の圧力を低下する。これにより、水蒸気流内に過剰な液相が生成されるのを防ぎ、下流側で改質反応に用いる水蒸気を確保することができる。また、Ｐ＝Ｐｉの場合には、開度βを維持することにより、冷媒層６ｂ内における水蒸気の乾き度を１より小さい値に維持する。
【００６３】
このように制御することで、第２実施形態と同等の温度分布を得ることができる。
【００６４】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第２の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００６５】
乾き度判断手段は、冷媒層６ｂから流出する流体温度に応じて求めた所定圧力と、冷媒層６ｂ内の流体圧力とを比較することにより流体の乾き度を判断する圧力比較手段（Ｓ１４）を備える。また、乾き度調節手段として、冷媒層６ｂ内の流体圧力を調整する圧力調節弁１０を備える。ここでは、温度センサ４により検出した温度検出値Ｔから圧力目標値Ｐｉを求め、これと圧力検出値Ｐとを比較することにより水蒸気の乾き度を判断する。その判断結果に応じて、水蒸気圧力を調整することにより、水蒸気の乾き度を所定の値に調整する。これにより、水蒸気の流量調節の自由度が小さい場合においても、水蒸気の乾き度を所定値に調節することができ、水蒸気の熱交換特性を安定化することができる。その結果、運転条件に関わらず、ＣＯ低減効率を高く維持することができる。
【００６６】
なお、本実施形態においては、選択酸化反応器６を、シフト反応器３に置き換えてもよい。
【００６７】
次に、第４の実施形態について説明する。以下、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６８】
ここで用いるＣＯ低減装置１１の構成を図７に示す。本実施形態は、第２実施形態における水蒸気流量の補正や、第３の実施形態における水蒸気圧力の補正を行わない場合である。ここでは、水蒸気温度を調整することにより、冷媒層６ｂ内の水蒸気の乾き度を１より小さい値に維持する。
【００６９】
選択酸化反応器６の触媒反応層６ａを流通した水素リッチガスと、冷媒層６ｂを流通する以前の水蒸気との間で熱交換を行う熱交換器１３を備える。また、図示しない水予熱装置で生成した水蒸気のうち、熱交換器１３に流通させる流量割合を設定する三方弁１２を備える。図示しない水予熱装置から供給された水蒸気は、一部が熱交換器１３に供給され、その他は熱交換器１３を迂回する迂回路を流通して、熱交換器１３の下流側で合流し、選択酸化反応器６に供給される。選択酸化反応器６の冷媒層６ｂの下流側には、減圧弁５を備え、冷媒層６ｂ内の圧力を調整可能とする。また、冷媒層６ｂと減圧弁５との間には、温度センサ４を備え、冷媒層６ｂから排出される水蒸気温度を検出可能とする。
【００７０】
次に、このような構成のＣＯ低減装置１１内の水素リッチガス系１５および水蒸気系１７について説明する。
【００７１】
水素リッチガスは、図示しない空気供給装置により流量を調整した空気が混入されてから、選択酸化反応器６の触媒反応層６ａに供給される。触媒反応層６ａでは、発熱を伴ってＣＯの選択酸化反応を生じる。触媒反応層６ａから流出した水素リッチガスは熱交換器１３の水素リッチガス流路内を流通し、水蒸気流路を流れる水蒸気との間で熱交換を行ってから燃料電池に供給される。
【００７２】
一方、水蒸気は、図示しない水予熱装置で生成されたら、三方弁１２に供給される。三方弁１２では、水蒸気が熱交換器１３を通過する経路と、熱交換器１３を迂回する経路とに分けられる。熱交換器１３を通過する水蒸気は、水素リッチガスから熱を吸収し、熱交換器１３を迂回した湿り水蒸気と合流した後、冷媒層６ｂに流入する。三方弁１２は、熱交換器１３を迂回する流量がゼロの時に開度γを１、迂回しない流量がゼロの時に開度γを０とする。この三方弁１２の開度γは、合流した水蒸気の温度を温度センサ４により検出した値に応じて調整する。
【００７３】
この三方弁１２の開度γの補正方法を、図８に示したフローチャートを用いて説明する。本フローは、運転負荷が変動する負荷過渡期の間、所定時間毎に繰り返し行うことにより、水蒸気の乾き度を１より小さい値に維持する。なお、運転負荷過渡期終了後には、三方弁１２の開度γは運転負荷に応じた所定の開度に設定する。
【００７４】
ステップＳ２１において、温度センサ４の検出値Ｔを読み込む。ステップＳ２２において、検出値Ｔと目標値Ｔ０とを比較する。ここで、目標値Ｔ０は、水蒸気の乾き度が１とならず、且つ、冷媒として適した温度である。目標値Ｔ０は水の沸点とするのが好ましい。ただし、本実施形態では、後行程に未気化の水を大量に流出したくないので、余裕をみて、目標値Ｔ０を水の沸点よりも僅かに高い温度としている。具体的には、減圧弁５による加圧、例えば約０．５ＭＰａにおける沸点約１５０℃より僅かに高い１６０℃としている。
【００７５】
ステップＳ２２において、Ｔ＜Ｔ０と判断されたら、水蒸気の乾き度が小さく、未気化の水が大量に存在する可能性があるので、ステップＳ２３に進み、開度γを増大する。これにより、熱交換器１３を流通する水蒸気の割合を増大して、水蒸気温度を高くする。その結果、未気化の水を低減することができ、水蒸気を燃料改質反応に用いることができる。これは、例えば運転負荷増大の過渡期に相当する。
【００７６】
一方、ステップＳ２２において、Ｔ＞Ｔ０と判断されたら、水蒸気の乾き度が１であり、水蒸気の冷却性能が低下していると判断する。つまり、水蒸気の過熱度が過剰であり、触媒反応層６ａの温度調整が不十分である可能性がある。そこで、三方弁１２の開度γを低減して熱交換器１３を流通する水蒸気の割合を低減することにより水蒸気温度を低下させる。これは、例えば運転負荷減少の過渡期に相当する。
【００７７】
一方、ステップＳ２２において、Ｔ＝Ｔ０と判断されたら、ステップＳ２５に進む。このとき、冷媒層６ｂを流通する水蒸気の温度および乾き度の状態は適切であると判断し、三方弁１２の開度γを維持する。これは、例えば運転負荷の変動が緩やかな場合に相当する。
【００７８】
このように三方弁１２の開度γを調整することにより、冷媒層６ｂを流通する水蒸気温度を調整したら、本フローを終了する。このような制御を繰り返し行うことにより、水蒸気を冷媒に適した温度に維持できると共に、冷媒層６ｂ内の水蒸気の乾き度を１より小さく維持することができる。
【００７９】
なお、本実施形態の温度分布は、第２実施形態と同様に示すことができる。
【００８０】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第２実施形態と異なる部分のみを説明する。
【００８１】
温度調節手段として、冷媒層６ｂに流入する流体を加熱する加熱手段を備える。これにより、流体の流量や圧力の調節自由度が小さい場合においても、流体の乾き度を所定値に調節することができ、冷媒層６ｂの熱交換特性を安定化することによりＣＯ低減効率を維持することができる。
【００８２】
ここでは、加熱手段として、冷媒層６ｂを流通する流体と水素リッチガスとの間で熱交換を行う熱交換器１３と、流体が熱交換器１３を迂回する割合を調節する三方弁１２と、を備える。これにより、熱交換器１３を流通する水蒸気流量を調節することができ、水蒸気の加熱量を所定値に調節することができる。その結果、水蒸気の乾き度の調節を確実に行うことができるので、ＣＯ低減効率を高効率に維持することができる。
【００８３】
なお、本実施形態においては、冷媒として水蒸気を用いたが、他の流体を用いることもできる。例えば、改質原料である炭化水素系燃料を用いてもよい。または、他の冷媒と触媒反応層３ａとの間で熱交換を行い、さらに冷媒と改質原料との間で熱交換を行ってもよい。
【００８４】
このように、本発明は、上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が為し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に用いる触媒反応装置の概略構成図である。
【図２】第１の実施形態における水蒸気流量制御のフローチャートである。
【図３】第１の実施形態における内部温度分布を示す図である。
【図４】第２の実施形態に用いる触媒反応装置の概略構成図である。
【図５】第３の実施形態に用いる触媒反応装置の概略構成図である。
【図６】第３の実施形態における水蒸気流量制御のフローチャートである。
【図７】第４の実施形態に用いる触媒反応装置の概略構成図である。
【図８】第４の実施形態における水蒸気流量制御のフローチャートである。
【符号の説明】
２    流量調節弁（流量調節手段）
３    シフト反応器
３ａ  触媒反応層
３ｂ  冷媒層
６    選択酸化反応器
６ａ  触媒反応層
６ｂ  冷媒層
１０  圧力調節弁（圧力調節手段）
１２  三方弁（流量割合調節手段）
１３  熱交換器（熱交換手段）
Ｓ２、Ｓ２２  ・・・温度比較手段
Ｓ１４・・・圧力比較手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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