(57)【要約】【課題】簡単な構成でありながら、燃料電池発電システムの負荷変動時などにも安定した一酸化炭素除去能力を有する燃料処理装置を提供すること。【解決手段】炭化水素系原料（４０、４０ａ）を水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガス４４に改質する改質部１１と、改質部１１に改質用プロセス水４１を供給するプロセス水供給系統３と、改質ガス４４を変成して、改質ガス４４中の一酸化炭素含有量を減少させる変成触媒部１４、並びに改質用プロセス水４１と変成触媒部１４との間で熱交換させる第１の熱交換部１３を有する変成部１２と、変成触媒部１４の温度を検出する温度検出器１７で検出される温度に基いて、改質用プロセス水４１の供給量を調節するプロセス水量調節装置５を備え、プロセス水量調節装置５は炭化水素系原料流量とあらかじめ設定されたＳ／Ｃ範囲とから算出される流量範囲内で改質用プロセス水４１の供給量を増減する。【選択図】　図１
2004006093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系原料を処理して水素を主成分とする燃料ガスに改質する燃料処理装置において；
前記炭化水素系原料を水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガスに改質する改質部と；
前記改質部に改質用プロセス水を供給するプロセス水供給系統と；
前記改質ガスを変成して、該改質ガス中の一酸化炭素含有量を減少させる変成触媒部、並びに前記改質用プロセス水と前記変成触媒部との間で熱交換させる第１の熱交換部を有する変成部と；
前記変成触媒部の温度を検出する温度検出器と；
前記温度検出器で検出される温度に基いて、前記改質用プロセス水の供給量を調節するプロセス水量調節装置を備え；
前記プロセス水量調節装置は前記炭化水素系原料流量とあらかじめ設定されたＳ／Ｃ範囲とから算出される流量範囲内で前記プロセス水の供給量を増減する；
燃料処理装置。
【請求項２】
炭化水素系原料を処理して水素を主成分とする燃料ガスに改質する燃料処理装置において；
前記炭化水素系原料を水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガスに改質する改質部と；
前記改質部に改質用プロセス水を供給するプロセス水供給系統と；
前記改質ガスを変成して、該改質ガス中の一酸化炭素含有量を減少させる変成触媒部と；
前記変成触媒部で変成された改質ガスを選択酸化する選択酸化触媒部、並びに前記改質用プロセス水と前記選択酸化触媒部との間で熱交換させる第２の熱交換部を有する選択酸化部と；
前記選択酸化触媒部の温度を検出する温度検出器と；
前記温度検出器で検出される温度に基いて、前記改質用プロセス水の供給量を調節するプロセス水量調節装置を備え；
前記プロセス水量調節装置は前記炭化水素系原料流量とあらかじめ設定されたＳ／Ｃ範囲とから算出される流量範囲内で前記改質用プロセス水の供給量を増減する；
燃料処理装置。
【請求項３】
請求項１乃至請求項２のいずれか１項に記載の燃料処理装置と；
前記燃料処理装置で得られた燃料ガスを燃料とし、空気中の酸素を酸化剤として発電を行う燃料電池スタックを備える；
燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムに用いて好適な水素リッチガスを生成する燃料処理装置に関し、特に燃料電池発電システムの負荷変動時などにも安定した一酸化炭素除去能力を有する燃料処理装置に関する。また本発明は、燃料電池発電システムの負荷変動時などにも安定した発電能力が発揮できる燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池発電システムは、例えば都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、下水汚泥より発生する消化ガス、メタノールや灯油のような原料燃料を、燃料処理装置を用いて水蒸気改質法により水素ガスに富む燃料ガスに改質し、改質された燃料ガスを燃料電池スタックの燃料極に供給するものである。固体高分子型燃料電池発電システムの燃料ガスは、燃料電池スタックの発電性能を維持するために一酸化炭素含有量を一般的に約１０ｐｐｍ以下にする必要がある。そこで、燃料ガス中の一酸化炭素含有量を１０ｐｐｍ以下とするため、燃料処理装置内には改質器以外に一酸化炭素変成器、一酸化炭素選択酸化器を持つのが一般的である。
【０００３】
ところで、一酸化炭素変成器および一酸化炭素選択酸化器における反応の熱力学的性質としては、発熱反応に分類される。また安定した一酸化炭素除去性能を維持するために、一酸化炭素変成器および一酸化炭素選択酸化器では反応温度をある温度範囲内に維持する必要がある。この温度範囲は、例えば一酸化炭素変成器で２００〜３５０℃、一酸化炭素選択酸化器で１００〜２００℃程度となっている。そして、家庭用のように発電容量の小さな燃料電池発電システムにおいては、システム全体の容積を小さくするため、改質部、変成部、選択酸化部等を含む一体型燃料処理装置が用いられることが多い。一体型燃料処理装置において、改質部は通常燃焼部の近くに配置され、改質部温度は燃焼部温度から比較的簡単に制御できることが多い。また、変成部温度は改質部温度よりも数百度低いため、変成部と燃焼部の間に改質部をはさむ構造になっていることも多い。そこで、一体型燃料処理装置における変成部温度は、燃焼部温度を制御することによって間接的に変成部温度を制御している場合が多い。
【０００４】
一方、水蒸気改質法を用いる燃料処理装置においては、原料燃料の量に応じてある設定比率（Ｓ／Ｃ）の範囲内で改質用プロセス水を投入する必要がある。ここで、Ｓ／Ｃは、投入水蒸気モル数と投入燃料中の炭素モル数との比である。この改質用プロセス水は水蒸気改質法の原料となるほか、燃料処理装置内に設けられた変成部の熱交換器にて改質用プロセス水が蒸発する際の潜熱を用いて、一酸化炭素変成触媒部を冷却する役割を持たせることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の一体型燃料処理装置においては、以下のような課題がある。
▲１▼燃料極出口ガスを燃焼部に戻して燃焼させる形式の燃料処理装置の場合に、燃料電池発電システムの負荷増段時や負荷変動時などに、燃焼部に対しての燃料電池の燃料極出口ガス供給量が変動する。すると、燃料極出口ガス供給量が過剰な場合には、変成部熱交換器の改質用プロセス水が完全に蒸発してしまい、変成触媒部の温度が過昇温する場合がある。すると、変成触媒部の触媒としての作用が不安定になることがある。選択酸化触媒部についても、選択酸化触媒部の温度が過昇温すると、触媒としての作用が不安定になる点は同様である。
▲２▼一酸化炭素変成器および一酸化炭素選択酸化器の温度制御に関しては、燃焼部への原料燃料供給量を制御し改質部温度からの伝熱で２次的に当該温度を制御する構成とすると、制御動作に対する時定数が大きくなって、応答が遅く制御が間に合わない場合が多い。すると、変成触媒において十分な一酸化炭素除去が可能な温度域を外れ、一酸化炭素除去性能が一時的に低下する。すると、燃料電池スタックに供給される燃料ガスに含まれる一酸化炭素の含有率が増大して、結果として燃料電池スタックの発電出力が下がると共に、燃料電池スタックの寿命を縮めてしまう。
▲３▼燃料電池スタック冷却水などで外部から変成触媒部を冷却し、燃料電池発電システムの負荷変動時などの一時的な温度変動に対して冷却水の流量によって対応する構成を用いることもできる。しかし、システム全体としての構成機器点数が増加するため、燃料電池発電システムの製造コストが増加するほか、変成触媒部の発熱を燃料処理装置内に取り込めず、燃料処理効率が下がる。
【０００６】
本発明は、上述する課題を解決したもので、簡単な構成でありながら、燃料電池発電システムの負荷変動時などにも安定した一酸化炭素除去能力を有する燃料処理装置を提供することを目的とする。また本発明は、負荷変動時などにも安定した電気出力を維持できる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による燃料処理装置は、例えば図１に示すように、炭化水素系原料（４０、４０ａ）を処理して水素を主成分とする燃料ガス４２に改質する燃料処理装置において、炭化水素系原料（４０、４０ａ）を水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガス４４に改質する改質部１１と、改質部１１に改質用プロセス水４１を供給するプロセス水供給系統３と、改質ガス４４を変成して、改質ガス４４中の一酸化炭素含有量を減少させる変成触媒部１４、並びに改質用プロセス水４１と変成触媒部１４との間で熱交換させる第１の熱交換部１３を有する変成部１２と、変成触媒部１４の温度を検出する温度検出器１７と、温度検出器１７で検出される温度に基いて、改質用プロセス水４１の供給量を調節するプロセス水量調節装置５を備え、プロセス水量調節装置５は前記炭化水素系原料流量とあらかじめ設定されたＳ／Ｃ範囲とから算出される流量範囲内で改質用プロセス水４１の供給量を増減する構成としている。
【０００８】
このように構成すると、第１の熱交換部１３にて改質用プロセス水４１の蒸発潜熱により効果的に変成触媒部１４の冷却を行えるため、改質用プロセス水４１の流量を調整することにより変成触媒部１４の冷却量の調整を速やかに行うことができ、変成触媒部１４の温度異常による一酸化炭素の発生を未然に防ぐことができる。また、プロセス水量調節装置５の改質用プロセス水４１の流量制御範囲をあらかじめ設定されたＳ／Ｃ範囲によって制約しているため、改質用プロセス水４１の改質部１１への供給不足による改質触媒炭化を防ぐことができる。
【０００９】
好ましくは、本発明による燃料処理装置は、例えば図１に示すように、さらに燃料極出口ガス３１又は燃焼燃料３２の少なくとも一方を燃焼する燃焼部１０と、改質燃料４０を改質部１１に供給する改質燃料ブロワ２と、燃焼燃料量制御装置７を備えるとよい。燃焼燃料量制御装置７は、改質部１１の改質触媒温度が一定になるように燃焼部１０に供給する燃料極出口ガス３１又は燃焼燃料３２の供給量並びに燃焼に必要とされる空気量を制御している。
【００１０】
好ましくは、炭化水素系原料（４０、４０ａ）は、改質燃料４０を燃料処理装置１に供給して、燃料処理装置１の内部で改質燃料４０と改質用プロセス水４１の混合流体４０ａとするものでもよく、また燃料処理装置１の外部で改質燃料４０と改質用プロセス水４１の混合流体４０ａを生成して、この混合流体４０ａを燃料処理装置１に供給して、改質部１１にて改質するものでもよい。ここで、改質燃料４０は変成部１２における第１の熱交換部１３を通さず、直接改質部１１に供給してもよく、また改質燃料４０と改質用プロセス水４１の混合流体を第１の熱交換部１３を通した後で、改質部１１に供給してもよく、更に改質用プロセス水４１と変成部１２の第１の熱交換部１３とは別系統で、改質燃料４０と変成部１２との間で熱交換させる第３の熱交換部を設けてもよい。また、変成触媒温度検出部１７は変成触媒部１４の温度を直接検出してもよいし、また変成触媒部１４出口における変成ガス４３の温度を検出してもよい。
【００１１】
さらに、プロセス水量調節装置５による改質用プロセス水４１の流量制御は改質用プロセス水ポンプ３の回転数を調節する方法でもよいし、改質用プロセス水ポンプ３の下流にコントロールバルブを設置し（不図示）、その開度を調節してもよい。また、燃料処理装置運転時の初期改質用プロセス水４１の流量は、改質燃料４０の供給流量とあらかじめ設定された初期運転時のＳ／Ｃ値から計算された量である。そして、燃料処理装置の運転中、変成触媒温度検出部１７の温度が過昇温しきい値よりも上昇した場合、プロセス水量調節装置５はあらかじめ設定されたＳ／Ｃ範囲と改質燃料４０の流量から計算される流量範囲内で、改質用プロセス水４１の流量を増加させて、変成触媒部１４の冷却を強める。他方、燃料処理装置の運転中、変成触媒温度検出部１７の温度が過降温しきい値よりも低下した場合、プロセス水量調節装置５はあらかじめ設定されたＳ／Ｃ範囲と改質燃料４０の流量から計算される流量範囲内で改質用プロセス水４１の流量を減少させて、変成触媒部１４の冷却を弱める。
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明による燃料処理装置は、例えば、図５に示すように、炭化水素系原料（４０、４０ａ）を処理して水素を主成分とする燃料ガス４２に改質する燃料処理装置において、炭化水素系原料（４０、４０ａ）を水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガス４４に改質する改質部１１と、改質部１１に改質用プロセス水４１を供給するプロセス水供給系統３と、改質ガス４４を変成して、改質ガス４４中の一酸化炭素含有量を減少させる変成触媒部１４と、変成触媒部１４で変成された改質ガスを選択酸化する選択酸化触媒部１９、並びに改質用プロセス水４１と選択酸化触媒部１９との間で熱交換させる第２の熱交換部１８を有する選択酸化部と、選択酸化触媒部１９の温度を検出する温度検出器２０と、温度検出器２０で検出される温度に基いて、改質用プロセス水４１の供給量を調節するプロセス水量調節装置５を備え、プロセス水量調節装置５は前記炭化水素系原料流量とあらかじめ設定されたＳ／Ｃ範囲とから算出される流量範囲内で改質用プロセス水４１の供給量を増減する構成としている。
【００１３】
このように構成すると、第２の熱交換部１８にて改質用プロセス水４１の蒸発潜熱により効果的に選択酸化触媒部１９の冷却を行えるため、改質用プロセス水４１の流量を調整することにより選択酸化触媒部１９の冷却量の調整を速やかに行うことができ、選択酸化触媒部１９の温度異常による一酸化炭素の発生を未然に防ぐことができる。また、プロセス水量調節装置５の改質用プロセス水４１の流量制御範囲をあらかじめ設定されたＳ／Ｃ範囲によって制約しているため、改質用プロセス水４１の改質部１１への供給不足による改質触媒炭化を防ぐことができる。
【００１４】
好ましくは、炭化水素系原料（４０、４０ａ）を改質燃料４０として、選択酸化部１５における第２の熱交換部１８を通さず、直接改質部１１あるいは変成部１２に炭化水素系原料を供給してもよい。また炭化水素系原料（４０、４０ａ）を改質燃料４０と改質用プロセス水４１の混合流体４０ａとして、第２の熱交換部１８を通した後で、改質部１１あるいは変成部１２に炭化水素系原料を供給してもよい。更に、炭化水素系原料（４０、４０ａ）を改質燃料４０として、改質用プロセス水４１と選択酸化部１５の第２の熱交換部１８とは別系統で、炭化水素系原料４０と選択酸化部１５との間で熱交換する第４の熱交換部を設けてもよい。選択酸化触媒温度検出部２０は選択酸化触媒部１９の温度を直接検出してもよく、また選択酸化触媒部１９出口における燃料ガス４２の温度を検出してもよい。
【００１５】
また、燃料処理装置の運転中、選択酸化触媒温度検出部２０の温度が過昇温しきい値よりも上昇した場合、プロセス水量調節装置５はあらかじめ設定されたＳ／Ｃ範囲と改質燃料４０の流量から計算される流量範囲内で改質用プロセス水４１の流量を増加させて、選択酸化触媒部１９の冷却を強める。他方、燃料処理装置の運転中、選択酸化触媒温度検出部２０の温度が過降温しきい値よりも低下した場合、プロセス水量調節装置５はあらかじめ設定されたＳ／Ｃ範囲と改質燃料４０の流量から計算される流量範囲内で改質用プロセス水４１の流量を減少させて、選択酸化触媒部１９の冷却を弱める。
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明による燃料電池発電システムは、例えば図１又は図５に示すように、燃料処理装置と、燃料処理装置で得られた燃料ガス４２を燃料とし、空気中の酸素を酸化剤として発電を行う燃料電池スタック８を備える。
【００１７】
【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。図１から図３は発明を実施する形態の一例であって、図中、図と同一又は類似の符号を付した部分は同一物又は相当物を表し、重複した説明は省略する。図１は本発明による第１の実施の形態である燃料処理装置の模式的ブロック図である。図において、燃料処理装置は、燃料処理器１、改質燃料供給系統としての改質燃料ブロワ２、プロセス水供給系統としての改質用プロセス水ポンプ３、プロセス水量調節装置５、改質燃料流量センサ６並びに燃焼燃料量制御装置７を備える。ここで、燃料処理器１は、燃焼部１０、ボイラ１６、改質部１１、変成部１２、並びに選択酸化部１５を備えている。また、燃料電池発電システムは、燃料処理装置と燃料電池スタック８にて構成されている。
【００１８】
燃焼部１０は、燃料極出口ガス３１又は燃焼燃料３２の少なくとも一方を空気３０と共に燃焼して、燃料処理器１全体を加熱すると共に、特に改質部１１を改質触媒の反応温度に維持する。改質部１１は、炭化水素系原料としての改質燃料４０を水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガス４４に改質するもので、例えば改質触媒が用いられる。改質燃料４０には都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、下水汚泥より発生する消化ガス等のように常温で気体や、メタノールや灯油のように常温で液体のものが含まれる。
【００１９】
変成部１２は、第１の熱交換部としての変成器熱交換部１３、変成触媒部１４、変成触媒温度検出器１７を有している。変成器熱交換部１３は、改質用プロセス水４１と変成触媒部１４との間で熱交換させるもので、２流体が伝熱板をはさんで対向流や平行流で流れている熱交換器、コイル式熱交換器、プレート式熱交換器等が用いられる。変成触媒部１４は、改質ガス４４を変成して、改質ガス４４中の一酸化炭素含有量を減少させる。変成触媒温度検出器１７は燃料処理装置運転中、常に変成触媒部１４の温度を検出するもので、例えば熱電対、サーミスタ、放射温度計等が用いられる。選択酸化部１５は、選択酸化触媒を用いて変成ガス４３中に含まれる一酸化炭素を酸化剤として空気３０ａを用いて選択酸化して、燃料ガス４２を燃料電池スタック８に供給する。
【００２０】
改質燃料ブロワ２は、改質燃料４０を改質部１１に供給する。プロセス水供給系統３は、改質部１１に改質用プロセス水４１を供給する。ここでは、改質部１１の入口にて、改質燃料４０と改質用プロセス水４１が混合された混合流体４０ａとなる。混合流体４０ａは、燃料処理器１の内部で生成されるので、ボイラ１６を燃料処理器１の内部に収容して熱効率を高めることができる。プロセス水量調節装置５は、温度検出器１７で検出される温度に基いて、改質用プロセス水４１の供給量を調節する。改質燃料流量センサ６は、改質燃料ブロワ２によって改質部１１に供給される改質燃料４０の流量を測定するもので、例えば差圧式やドップラー式の計器が用いられる。燃焼燃料量制御装置７は、改質部１１の改質触媒温度が一定になるように燃焼部１０に供給する燃料極出口ガス３１又は燃焼燃料３２の供給量、並びに燃焼に必要とされる空気量を制御している。燃料電池スタック８は、燃料処理装置で得られた燃料ガス４２を燃料とし、空気中の酸素を酸化剤として発電を行うもので、例えば固体高分子型の燃料電池が用いられる。
【００２１】
このように構成された装置における改質燃料と改質用プロセス水の流れを説明する。燃料処理装置では、改質用プロセス水ポンプ３から供給される改質用プロセス水４１をボイラ１６で予熱し、改質燃料ブロワ２から供給される改質燃料４０と予熱された改質用プロセス水４１を混合して混合流体４０ａとする。そして、混合流体４０ａは改質部１１の変成器熱交換部１３で加熱されて、気化して原料混合ガス４５となる。変成器熱交換部１３を出た原料混合ガス４５は改質部１１で改質ガス４４に改質される。改質部１１から排出される改質ガス４４は、変成部１２および選択酸化部１５で一酸化炭素濃度が低減されたあとで、燃料ガス４２として燃料電池スタック８の燃料極（不図示）に供給される。変成触媒部１４で発生する反応熱は、変成器熱交換部１３で改質用プロセス水４１と改質燃料４０の混合流体が吸収する。
【００２２】
燃焼部１０には燃料電池スタック８の燃料極出口ガス３１および空気３０を供給し、改質部１１における改質反応の熱源とする。改質部１１における改質反応の熱源が不足した場合には、燃焼燃料３２を燃焼部１０に供給して、熱供給量を増加させることができる。燃焼燃料３２には、炭化水素系原料４０を用いてもよいが、一酸化炭素を発生するため炭化水素系原料４０として利用できない低級燃料を用いてもよい。選択酸化部１５には選択酸化用の酸化剤として空気３０ａを改質燃料４０の流量に応じて供給する。
【００２３】
続いて、プロセス水量調節装置５の詳細を説明する。図２はプロセス水量調節装置の詳細を説明する構成ブロック図である。プロセス水量調節装置５は、変成触媒／選択酸化触媒温度判断部５２、Ｓ／Ｃ比調整部５４、プロセス水供給量演算部５６、並びにプロセス水供給量調節計５８を備えている。変成触媒／選択酸化触媒温度判断部５２には、過昇温しきい値５２２と過降温しきい値５２４のレジスタが設けられている。Ｓ／Ｃ比調整部５４には、Ｓ／Ｃ比通常設定値５４２、Ｓ／Ｃ比オフセット値５４４、Ｓ／Ｃ比設定上限値５４６、Ｓ／Ｃ比設定下限値５４８のレジスタが設けられている。なお、ここでは変成触媒温度検出器１７と選択酸化触媒温度検出部２０を同時に取上げる事で、図１に示す第１の実施の形態、並びに図５に示す第２の実施の形態の双方に対処する構成を示している。
【００２４】
変成触媒／選択酸化触媒温度判断部５２は、変成触媒温度検出器１７又は選択酸化触媒温度検出部２０の温度検出信号を入力し、過昇温しきい値５２２並びに過降温しきい値５２４と比較する。過昇温しきい値５２２は、触媒としての動作上限温度を基準として定めるもので、変成触媒部１４に対しては例えば２２０℃〜２３０℃、選択酸化触媒部１９に対しては例えば１９０℃〜２００℃とする。過降温しきい値５２４は、触媒としての動作下限温度を基準として定めるもので、変成触媒部１４に対しては例えば１６０℃〜１７０℃、選択酸化触媒部１９に対しては例えば１２０℃〜１３０℃とする。
【００２５】
Ｓ／Ｃ比調整部５４は、Ｓ／Ｃ比設定上限値５４６に設定されたＳ／Ｃ比、例えば５．０と、Ｓ／Ｃ比設定下限値５４８に設定されたＳ／Ｃ比、例えば２．５の間で、変成触媒／選択酸化触媒温度判断部５２の触媒温度に応じた最適なＳ／Ｃ比を算出する。Ｓ／Ｃ比通常設定値５４２には、燃料処理器１が正常に動作している場合に適する最適値、例えば３．０が設定されている。Ｓ／Ｃ比オフセット値５４４には、燃料処理器１の内部に設けられる流量計や圧力計のような各種センサに計測誤差が発生している場合でも、燃料処理器１が適切に動作できるようにＳ／Ｃ比通常設定値５４２を微調整するのに適するオフセット値が設定されている。このオフセット値には、例えば０．０５が設定されている。Ｓ／Ｃ比設定上限値５４６とＳ／Ｃ比設定下限値５４８には、燃料処理器１が故障することなく動作できる上限と下限のＳ／Ｃ比が設定されている。
【００２６】
プロセス水供給量演算部５６は、Ｓ／Ｃ比調整部５４で算出された最適なＳ／Ｃ比と、改質燃料流量センサ６で測定された改質燃料４０の流量により、供給すべきプロセス水の供給量を演算する。プロセス水供給量調節計５８は、プロセス水供給量演算部５６で演算されたプロセス水の供給量となるように、改質用プロセス水ポンプ３の回転数を調節したり、あるいは改質用プロセス水ポンプ３の下流に設置されたコントロールバルブ（不図示）の弁開度を調節する。
【００２７】
このように構成された装置の動作を次に説明する。図３は変成触媒部温度（又は選択酸化触媒温度検出部）とプロセス水量調節装置の選定するＳ／Ｃの推移を示した図で、Ｓ／Ｃ比オフセット値５４４を用いない場合を示してある。時刻ｔ０において、プロセス水量調節装置５は、通常運転時の流量としてＳ／Ｃ比通常設定値５４２に設定されたＳ／Ｃを用いて、改質燃料４０の流量から計算される流量の改質用プロセス水４１を燃料処理器１に供給している。変成触媒部１４の温度は、過昇温しきい値５２２と過降温しきい値５２４の中間にあるものとする。
【００２８】
燃料処理装置運転中、時刻ｔ１において、変成触媒温度検出部１７の温度が過上昇して過昇温しきい値５２２を超えた場合、プロセス水量調節装置５は、Ｓ／Ｃ比設定上限値５４６とＳ／Ｃ比設定下限値５４８を用いて設定されたＳ／Ｃ範囲内であって、プロセス水供給量演算部５６により改質燃料４０の流量から計算される流量範囲内で、改質用プロセス水４１の流量を最大限増加し、変成触媒部１４の冷却を強める。ここでは、Ｓ／Ｃ比調整部５４は、Ｓ／Ｃ比設定上限値５４６をＳ／Ｃ比調整部５４で算出された最適なＳ／Ｃ比としている。そして、時刻ｔ２において、変成触媒温度検出部１７の温度が過昇温しきい値５２２を下回った時点で、プロセス水量調節装置５は改質用プロセス水４１の流量をＳ／Ｃ比通常設定値５４２で設定されたＳ／Ｃ比を用いて通常運転時の流量に戻す。
【００２９】
時刻ｔ３において、変成触媒温度検出部１７の温度が過下降して過降温しきい値５２４を下回った場合、プロセス水量調節装置５は、Ｓ／Ｃ比設定上限値５４６とＳ／Ｃ比設定下限値５４８を用いて設定されたＳ／Ｃ範囲内であって、プロセス水供給量演算部５６により改質燃料４０の流量から計算される流量範囲内で、改質用プロセス水４１の流量を最小限まで減少し、変成触媒部１４の冷却を弱める。ここでは、Ｓ／Ｃ比調整部５４は、Ｓ／Ｃ比設定下限値５４８をＳ／Ｃ比調整部５４で算出された最適なＳ／Ｃ比としている。そして、時刻ｔ４において、変成触媒温度検出部１７の温度が過降温しきい値５２４を上回った時点で、プロセス水量調節装置５は改質用プロセス水４１の流量をＳ／Ｃ比通常設定値５４２で設定されたＳ／Ｃ比を用いて通常運転時の流量に戻す。
【００３０】
このように構成すると、プロセス水量調節装置５による改質用プロセス水４１の流量制御範囲は、Ｓ／Ｃ比設定上限値５４６とＳ／Ｃ比設定下限値５４８を用いて設定されたＳ／Ｃ範囲内に制約されているため、改質用プロセス水４１の改質部１１への供給不足による改質触媒炭化を防ぐことができる。また、燃料処理器１では改質用プロセス水４１が変成器熱交換部１３にて蒸発潜熱により効果的に変成触媒部１４の冷却を行うと共に、プロセス水量調節装置５は、Ｓ／Ｃ比設定上限値５４６とＳ／Ｃ比設定下限値５４８を用いて設定されたＳ／Ｃ範囲内で最適なＳ／Ｃ比を用いて、改質用プロセス水４１の流量を調整することにより、変成触媒部１４の冷却量の調整を速やかに行うことができ、変成触媒部１４の温度異常による一酸化炭素の発生を未然に防ぐことができる。ここで、最適なＳ／Ｃ比とは、変成触媒部温度を一定に保持するのに最適な値や、温度計の誤差が増大した場合でも熱バランスを制御して改質反応上最適な温度に保持するのに最適な値をいう。
【００３１】
図４は変成触媒部温度（又は選択酸化触媒温度検出部）とプロセス水量調節装置の選定するＳ／Ｃの推移を示した図で、Ｓ／Ｃ比オフセット値５４４を用いる場合を示してある。時刻ｔ５において、プロセス水量調節装置５は、通常運転時の流量としてＳ／Ｃ比通常設定値５４２に設定されたＳ／Ｃを用いて、改質燃料４０の流量から計算される流量の改質用プロセス水４１を燃料処理器１に供給している。
【００３２】
燃料処理装置運転中、時刻ｔ６において、変成触媒温度検出部１７の温度が過上昇して過昇温しきい値５２２を超えた場合、プロセス水量調節装置５は、Ｓ／Ｃ比設定上限値５４６をＳ／Ｃ比調整部５４で算出された最適なＳ／Ｃ比として、プロセス水供給量演算部５６により改質燃料４０の流量から計算される流量範囲内で、改質用プロセス水４１の流量を最大限増加し、変成触媒部１４の冷却を強める。そして、時刻ｔ７において、変成触媒温度検出部１７の温度が過昇温しきい値５２２を下回った時点で、Ｓ／Ｃ比調整部５４はＳ／Ｃ比通常設定値５４２にＳ／Ｃ比オフセット値５４４で設定されたＳ／Ｃ比を加算して、新たなＳ／Ｃ比通常設定値５４２を算出する。そして、プロセス水量調節装置５は新たなＳ／Ｃ比通常設定値５４２を用いて、改質用プロセス水４１の流量として更新された通常運転時の流量を用いる。
【００３３】
次に、時刻ｔ８において、再び変成触媒温度検出部１７の温度が過上昇して過昇温しきい値５２２を超えた場合、プロセス水量調節装置５は、Ｓ／Ｃ比設定上限値５４６をＳ／Ｃ比調整部５４で算出された最適なＳ／Ｃ比として、プロセス水供給量演算部５６により改質燃料４０の流量から計算される流量範囲内で、改質用プロセス水４１の流量を最大限増加し、変成触媒部１４の冷却を強める。そして、時刻ｔ９において、変成触媒温度検出部１７の温度が過昇温しきい値５２２を下回った時点で、Ｓ／Ｃ比調整部５４は直近のＳ／Ｃ比通常設定値５４２にＳ／Ｃ比オフセット値５４４で設定されたＳ／Ｃ比を加算して、新たなＳ／Ｃ比通常設定値５４２を算出する。そして、プロセス水量調節装置５は新たなＳ／Ｃ比通常設定値５４２を用いて、改質用プロセス水４１の流量として更新された通常運転時の流量を用いる。
【００３４】
このように構成すると、経時変化などによりプロセス水量調節装置５の水量調節や改質燃料４０の流量に誤差が生じて実Ｓ／Ｃが適正な値でなくなった場合でも、Ｓ／Ｃ比調整部５４がＳ／Ｃ比オフセット値５４４を用いてＳ／Ｃ比通常設定値５４２を随時更新して、通常運転時のプロセス水量をプロセス水量調節装置５により調節することにより、安定した運転点に自動調整できる。すると、プロセス水量調節装置５が変成触媒部１４の温度を制御することにより、改質用プロセス水４１の流量が変成触媒部温度バランスを基準として適正に保たれ、適正なＳ／Ｃでの運転を保つことができる。一般に変成触媒部温度検出部１７にはソリッドステートの素子を用いているので、信頼性が高く経年変化も流量センサに比較すると小さい。
【００３５】
図５は本発明による第２の実施の形態である燃料処理装置の模式的ブロック図である。図５において、前記図１と同一作用をするものには同一符号を付して、説明を省略する。燃料処理器１は、燃焼部１０、ボイラ１６、改質部１１、変成部１２、並びに選択酸化部１５を備えている。選択酸化部１５は第２の熱交換部としての選択酸化器熱交換部１８、選択酸化触媒部１９、選択酸化触媒温度検出部２０を有している。選択酸化器熱交換部１８は、改質用プロセス水４１と選択酸化触媒部１９との間で熱交換させるものである。選択酸化触媒温度検出部２０は、燃料処理装置運転中、常に選択酸化触媒温度を検出するもので、例えば熱電対が用いられる。
【００３６】
このように構成された装置における改質燃料と改質用プロセス水の流れを説明する。燃料処理装置では、改質用プロセス水ポンプ３から供給される改質用プロセス水４１をボイラ１６で予熱し、改質燃料ブロワ２から供給される改質燃料４０と予熱された改質用プロセス水４１が混合される。そして、選択酸化器熱交換部１８と変成器熱交換部１３とで混合流体が加熱されて、気化して原料混合ガス４５となる。変成器熱交換部１３を出た原料混合ガス４５を改質部１１で改質ガス４４に改質される。改質部１１から排出される改質ガス４４は、変成部１２および選択酸化部１５で一酸化炭素濃度を低減されたあとで、燃料ガス４２として燃料電池スタック８の燃料極（不図示）に供給する。選択酸化触媒部１９と変成触媒部１４で発生する反応熱は、選択酸化器熱交換部１８と変成器熱交換部１３で改質用プロセス水４１と改質燃料４０の混合流体が吸収する。
【００３７】
このように構成された装置の動作を再び図３、図４を参照して説明する。図３に示す時刻ｔ０において、プロセス水量調節装置５は、通常運転時の流量としてＳ／Ｃ比通常設定値５４２に設定されたＳ／Ｃを用いて、改質燃料４０の流量から計算される流量の改質用プロセス水４１を燃料処理器１に供給している。選択酸化触媒部１９の温度は、過昇温しきい値５２２と過降温しきい値５２４の中間にあるものとする。
【００３８】
燃料処理装置運転中、時刻ｔ１において、選択酸化触媒温度検出部２０の温度が過上昇して過昇温しきい値５２２を超えた場合、プロセス水量調節装置５は、Ｓ／Ｃ比設定上限値５４６とＳ／Ｃ比設定下限値５４８を用いて設定されたＳ／Ｃ範囲内であって、プロセス水供給量演算部５６により改質燃料４０の流量から計算される流量範囲内で、改質用プロセス水４１の流量を最大限増加し、選択酸化触媒部１９の冷却を強める。ここでは、Ｓ／Ｃ比調整部５４は、Ｓ／Ｃ比設定上限値５４６をＳ／Ｃ比調整部５４で算出された最適なＳ／Ｃ比としている。そして、時刻ｔ２において、選択酸化触媒温度検出部２０の温度が過昇温しきい値５２２を下回った時点で、プロセス水量調節装置５は改質用プロセス水４１の流量をＳ／Ｃ比通常設定値５４２で設定されたＳ／Ｃ比を用いて通常運転時の流量に戻す。
【００３９】
時刻ｔ３において、選択酸化触媒温度検出部２０の温度が過下降して過降温しきい値５２４を下回った場合、プロセス水量調節装置５は、Ｓ／Ｃ比設定上限値５４６とＳ／Ｃ比設定下限値５４８を用いて設定されたＳ／Ｃ範囲内であって、プロセス水供給量演算部５６により改質燃料４０の流量から計算される流量範囲内で、改質用プロセス水４１の流量を最小限まで減少し、選択酸化触媒部１９の冷却を弱める。ここでは、Ｓ／Ｃ比調整部５４は、Ｓ／Ｃ比設定下限値５４８をＳ／Ｃ比調整部５４で算出された最適なＳ／Ｃ比としている。そして、時刻ｔ４において、選択酸化触媒温度検出部２０の温度が過降温しきい値５２４を上回った時点で、プロセス水量調節装置５は改質用プロセス水４１の流量をＳ／Ｃ比通常設定値５４２で設定されたＳ／Ｃ比を用いて通常運転時の流量に戻す。
【００４０】
このように構成すると、プロセス水量調節装置５による改質用プロセス水４１の流量制御範囲は、Ｓ／Ｃ比設定上限値５４６とＳ／Ｃ比設定下限値５４８を用いて設定されたＳ／Ｃ範囲内に制約されているため、改質用プロセス水４１の改質部１１への供給不足による改質触媒炭化を防ぐことができる。また、燃料処理器１では改質用プロセス水４１が選択酸化器熱交換部１８にて蒸発潜熱により効果的に選択酸化触媒部１９の冷却を行うと共に、プロセス水量調節装置５は、Ｓ／Ｃ比設定上限値５４６とＳ／Ｃ比設定下限値５４８を用いて設定されたＳ／Ｃ範囲内で最適なＳ／Ｃ比を用いて、改質用プロセス水４１の流量を調整することにより、選択酸化触媒部１９の冷却量の調整を速やかに行うことができ、選択酸化触媒部１９の温度異常による一酸化炭素の発生を未然に防ぐことができる。
【００４１】
次に、図４の時刻ｔ５において、プロセス水量調節装置５は、通常運転時の流量としてＳ／Ｃ比通常設定値５４２に設定されたＳ／Ｃを用いて、改質燃料４０の流量から計算される流量の改質用プロセス水４１を燃料処理器１に供給している。選択酸化触媒部１９の温度は、過昇温しきい値５２２と過降温しきい値５２４の中間にあるものとする。
【００４２】
燃料処理装置運転中、時刻ｔ６において、選択酸化触媒温度検出部２０の温度が過上昇して過昇温しきい値５２２を超えた場合、プロセス水量調節装置５は、Ｓ／Ｃ比設定上限値５４６をＳ／Ｃ比調整部５４で算出された最適なＳ／Ｃ比として、プロセス水供給量演算部５６により改質燃料４０の流量から計算される流量範囲内で、改質用プロセス水４１の流量を最大限増加し、選択酸化触媒部１９の冷却を強める。そして、時刻ｔ７において、選択酸化触媒温度検出部２０の温度が過昇温しきい値５２２を下回った時点で、Ｓ／Ｃ比調整部５４はＳ／Ｃ比通常設定値５４２にＳ／Ｃ比オフセット値５４４で設定されたＳ／Ｃ比を加算して、新たなＳ／Ｃ比通常設定値５４２を算出する。そして、プロセス水量調節装置５は新たなＳ／Ｃ比通常設定値５４２を用いて、改質用プロセス水４１の流量として更新された通常運転時の流量を用いる。
【００４３】
次に、時刻ｔ８において、再び選択酸化触媒温度検出部２０の温度が過上昇して過昇温しきい値５２２を超えた場合、プロセス水量調節装置５は、Ｓ／Ｃ比設定上限値５４６をＳ／Ｃ比調整部５４で算出された最適なＳ／Ｃ比として、プロセス水供給量演算部５６により改質燃料４０の流量から計算される流量範囲内で、改質用プロセス水４１の流量を最大限増加し、選択酸化触媒部１９の冷却を強める。そして、時刻ｔ９において、選択酸化触媒温度検出部２０の温度が過昇温しきい値５２２を下回った時点で、Ｓ／Ｃ比調整部５４は直近のＳ／Ｃ比通常設定値５４２にＳ／Ｃ比オフセット値５４４で設定されたＳ／Ｃ比を加算して、新たなＳ／Ｃ比通常設定値５４２を算出する。そして、プロセス水量調節装置５は新たなＳ／Ｃ比通常設定値５４２を用いて、改質用プロセス水４１の流量として更新された通常運転時の流量を用いる。
【００４４】
このように構成すると、経時変化などによりプロセス水量調節装置５の水量調節や改質燃料４０の流量に誤差が生じて実Ｓ／Ｃが適正な値でなくなった場合でも、Ｓ／Ｃ比調整部５４がＳ／Ｃ比オフセット値５４４を用いてＳ／Ｃ比通常設定値５４２を随時更新して、通常運転時のプロセス水量をプロセス水量調節装置５により調節することにより、安定した運転点に自動調整できる。すると、プロセス水量調節装置５が選択酸化触媒部１９の温度を制御することにより、改質用プロセス水４１の流量が選択酸化触媒部温度バランスを基準として適正に保たれ、適正なＳ／Ｃでの運転を保つことができる。一般に選択酸化触媒温度検出部２０にはソリッドステートの素子を用いているので、信頼性が高く経年変化も流量センサに比較すると小さい。
【００４５】
なお、上記の実施の形態においては、変成触媒／選択酸化触媒温度判断部に用いる過昇温しきい値と過降温しきい値として固定値を用いているが、例えば変成触媒／選択酸化触媒温度の上昇時と下降時で異なる値としてヒステリシスを持たせてもよい。また、上記の実施の形態においては、Ｓ／Ｃ比調整部に用いるＳ／Ｃ比通常設定値、Ｓ／Ｃ比オフセット値、Ｓ／Ｃ比設定上限値、並びにＳ／Ｃ比設定下限値として固定値を用いているが、例えば直近の過昇温しきい値や過降温しきい値と抵触する頻度に応じて、適切なＳ／Ｃ比で運転されるように変動させてもよい。
【００４６】
また、上記第１及び第２の実施の形態においては、燃料処理器の内部にて、改質燃料と改質用プロセス水が混合されて混合流体となる場合を示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、混合流体は燃料処理器の外部で生成されて、混合された混合流体を燃料処理器内部の改質部に供給する構成としてもよい。燃料処理器の外部で混合流体を生成すると、改質部での改質条件に適合した物性の混合流体を燃料処理器に供給できる。この場合、改質用プロセス水を供給するプロセス水供給系統は、混合流体の供給系統とは別に設けられた、プロセス水量調節装置により給水量の制御される給水系統でもよく、また混合流体への改質用プロセス水の供給系統でもよい。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、炭化水素系原料を処理して水素を主成分とする燃料ガスに改質する燃料処理装置において、前記炭化水素系原料を水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガスに改質する改質部と、前記改質部に改質用プロセス水を供給するプロセス水供給系統と、前記改質ガスを変成して、該改質ガス中の一酸化炭素含有量を減少させる変成触媒部、並びに前記改質用プロセス水と前記変成触媒部との間で熱交換させる第１の熱交換部を有する変成部と、前記変成触媒部の温度を検出する温度検出器と、前記温度検出器で検出される温度に基いて、前記改質用プロセス水の供給量を調節するプロセス水量調節装置を備える構成としているので、第１の熱交換部にて改質用プロセス水の蒸発潜熱により効果的に変成触媒部の冷却を行えるため、プロセス水量調節装置が改質用プロセス水の流量を調整することにより変成触媒部の冷却量の調整を速やかに行うことができ、変成触媒部の温度異常による一酸化炭素の発生を未然に防ぐことができる。また、プロセス水量調節装置の改質用プロセス水の流量制御範囲をあらかじめ設定されたＳ／Ｃ範囲によって制約しているため、改質用プロセス水の改質部への供給不足による改質触媒炭化を防ぐことができる。
【００４８】
また、本発明の燃料処理装置と、従来装置として説明した燃料電池スタック冷却水などで外部から変成触媒部を冷却する形式と比較すると、改質用プロセス水自体を変成触媒部の冷却に用いているので、燃料処理装置の熱効率が高く、また機器点数が少なくなり製造コストを低減することができる。
【００４９】
本発明によれば、炭化水素系原料を処理して水素を主成分とする燃料ガスに改質する燃料処理装置において、前記炭化水素系原料を水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガスに改質する改質部と、前記改質部に改質用プロセス水を供給するプロセス水供給系統と、前記改質ガスを変成して、該改質ガス中の一酸化炭素含有量を減少させる変成触媒部と、前記変成触媒部で変成された改質ガスを選択酸化する選択酸化触媒部、並びに前記改質用プロセス水と前記選択酸化触媒部との間で熱交換させる第２の熱交換部を有する選択酸化部と、前記選択酸化触媒部の温度を検出する温度検出器と、前記温度検出器で検出される温度に基いて、前記改質用プロセス水の供給量を調節するプロセス水量調節装置を備える構成としているので、第２の熱交換部にて改質用プロセス水の蒸発潜熱により効果的に選択酸化触媒部の冷却を行えるため、プロセス水量調節装置が改質用プロセス水の流量を調整することにより選択酸化触媒部の冷却量の調整を速やかに行うことができ、選択酸化触媒部の温度異常による一酸化炭素の発生を未然に防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である燃料処理装置の模式的ブロック図である。
【図２】プロセス水量調節装置の詳細を説明する構成ブロック図である
【図３】変成触媒部温度（又は選択酸化触媒温度検出部）とプロセス水量調節装置の選定するＳ／Ｃの推移を示した図である。
【図４】変成触媒部温度（又は選択酸化触媒温度検出部）とプロセス水量調節装置の選定するＳ／Ｃの推移を示した図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態である燃料処理装置の模式的ブロック図である。
【符号の説明】
１　燃料処理器
２　改質燃料ブロワ
３　プロセス水ポンプ
５　プロセス水調節装置
８　燃料電池スタック
１０　燃焼部
１１　改質部
１２　変成部
１３　変成器熱交換部（第１の熱交換部）
１４　変成触媒部
１５　選択酸化触媒部
１６　ボイラ
１７　変成触媒温度検出部
１８　選択酸化器熱交換部（第２の熱交換部）
１９　選択酸化触媒部
２０　選択酸化触媒温度検出部
３０　空気
３１　燃料極出口ガス
３２　燃焼燃料
３３　燃焼排ガス
４０　改質燃料
４１　改質用プロセス水
４２　燃料ガス
４３　変成ガス
４４　改質ガス
【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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