(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料の改質処理を行って水素を含有する水素含有ガスを生成する改質器と、前記水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を一酸化炭素変成触媒によって二酸化炭素に変成処理する一酸化炭素変成器と、前記一酸化炭素変成器から供給される変成処理後の水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を一酸化炭素除去触媒によって選択酸化させる一酸化炭素除去器とを備える水素含有ガス生成装置であって、
前記一酸化炭素変成触媒及び前記一酸化炭素除去触媒を還元処理する還元処理用ガスを、前記改質器、前記一酸化炭素変成器及び前記一酸化炭素除去器を含む循環経路に通流させるガス付勢手段と、
前記還元処理用ガスの前記循環経路における前記一酸化炭素除去器の直前に相当する箇所に設けられて、凝縮器にて前記還元処理用ガス中の水蒸気を凝縮し且つ前記凝縮器によって凝縮された前記還元処理用ガス中の凝縮水を分離器にて分離する水分除去手段とを備え、
前記ガス付勢手段は、前記循環経路において前記凝縮器の直前に相当する箇所に設けられ、前記還元処理用ガスは前記凝縮器、前記分離器、前記一酸化炭素除去器の順に通流する水素含有ガス生成装置。
【請求項２】
前記還元処理用ガスは、前記凝縮器よりも下流側から前記循環経路に流入するように構成されている請求項１記載の水素含有ガス生成装置。
【請求項３】
前記ガス付勢手段は、前記還元処理用ガスが前記一酸化炭素除去器、前記一酸化炭素変成器及び前記改質器の順に前記循環経路を通流するように前記還元処理用ガスを付勢するように構成されている請求項１又は２記載の水素含有ガス生成装置。
【請求項４】
前記ガス付勢手段は、前記還元処理用ガスが前記改質器、前記一酸化炭素変成器及び前記一酸化炭素除去器の順に前記循環経路を通流するように前記還元処理用ガスを付勢するように構成されている請求項１又は２記載の水素含有ガス生成装置。
【請求項５】
前記原燃料を脱硫触媒にて脱硫処理する脱硫器を備え、その脱硫器と前記改質器とが、前記脱硫器によって脱硫処理された原燃料ガスを前記改質器に供給するように接続され、
前記循環経路に前記脱硫器が含まれるように構成されている請求項１〜４の何れか一項に記載の水素含有ガス生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原燃料の改質処理を行って水素を含有する水素含有ガスを生成する改質器と、前記水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を一酸化炭素変成触媒によって二酸化炭素に変成処理する一酸化炭素変成器と、前記一酸化炭素変成器から供給される変成処理後の水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を一酸化炭素除去触媒によって選択酸化させる一酸化炭素除去器とを備える水素含有ガス生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池における発電反応用の燃料ガスとしての水素含有ガスを生成するための装置として、原燃料の改質処理を行って水素を含有する水素含有ガスを生成する改質器と、その水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を一酸化炭素変成触媒によって二酸化炭素に変成処理する一酸化炭素変成器と、一酸化炭素変成器から供給される変成処理後の水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を一酸化炭素除去触媒によって選択酸化させる一酸化炭素除去器とを備えたものがある。但し、燃料電池の電極セルでは、一酸化炭素による被毒の問題が発生するため、燃料電池に供給する水素含有ガスに含まれる一酸化炭素濃度を非常に低いレベルにまで低減しておくことが必要である。つまり、水素含有ガス生成装置の一酸化炭素変成器の一酸化炭素変成触媒及び一酸化炭素除去器の一酸化炭素除去触媒の触媒性能を常時高いレベルに維持しておく必要がある。
【０００３】
上述した水素含有ガスを生成するとき一酸化炭素変成器及び一酸化炭素除去器では酸化反応が行われていることを考慮すると、水素含有ガス生成装置の運転に先立って、一酸化炭素変成器の一酸化炭素変成触媒及び一酸化炭素除去器の一酸化炭素除去触媒の還元処理を行い、各触媒の活性化を行っておくことが好ましい。
例えば、特許文献１に記載の水素含有ガス生成装置は、還元処理用ガスを一酸化炭素除去器、一酸化炭素変成器及び改質器に順次通流させることで、一酸化炭素除去触媒及び一酸化炭素変成触媒の還元処理を行っている。この水素含有ガス生成装置において、還元処理用ガスは窒素ガスに所定の濃度で水素ガスを混合したものであり、ガスボンベから供給され、改質器を通流した後で廃棄される。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３５６３１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の水素含有ガス生成装置では、一酸化炭素除去器、一酸化炭素変成器及び改質器に供給される還元処理用ガスは、それらを通流した後で廃棄されるように構成されている。そのため、この還元処理を行う為に大量の還元処理用ガスが必要になり、結果として還元処理に要するコストが大きくなるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コストで触媒の活性化を適切に行える水素含有ガス生成装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明に係る水素含有ガス生成装置の特徴構成は、原燃料の改質処理を行って水素を含有する水素含有ガスを生成する改質器と、前記水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を一酸化炭素変成触媒によって二酸化炭素に変成処理する一酸化炭素変成器と、前記一酸化炭素変成器から供給される変成処理後の水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を一酸化炭素除去触媒によって選択酸化させる一酸化炭素除去器とを備える水素含有ガス生成装置であって、
前記一酸化炭素変成触媒及び前記一酸化炭素除去触媒を還元処理する還元処理用ガスを、前記改質器、前記一酸化炭素変成器及び前記一酸化炭素除去器を含む循環経路に通流させるガス付勢手段と、
前記還元処理用ガスの前記循環経路における前記一酸化炭素除去器の直前に相当する箇所に設けられて、凝縮器にて前記還元処理用ガス中の水蒸気を凝縮し且つ前記凝縮器によって凝縮された前記還元処理用ガス中の凝縮水を分離器にて分離する水分除去手段とを備え、
前記ガス付勢手段は、前記循環経路において前記凝縮器の直前に相当する箇所に設けられ、前記還元処理用ガスは前記凝縮器、前記分離器、前記一酸化炭素除去器の順に通流する点にある。
本特徴構成において、一酸化炭素除去器の直前に相当する箇所に水分除去手段が設けられるということは、水分除去手段によって循環経路中の水蒸気の濃度が低下された後、その水蒸気の濃度が維持された状態又は水蒸気の濃度が増大されない状態で一酸化炭素除去器にガスが流入する状態を意味する。
【０００８】
上記特徴構成によれば、ガス付勢手段は、前記一酸化炭素変成触媒及び前記一酸化炭素除去触媒を還元処理する還元処理用ガスを、前記改質器、前記一酸化炭素変成器及び前記一酸化炭素除去器を含む循環経路に通流させ、水分除去手段は、前記還元処理用ガスの前記循環経路における前記一酸化炭素除去器の直前に相当する箇所に設けられて、凝縮器にて前記還元処理用ガス中の水蒸気を凝縮し且つ前記凝縮器によって凝縮された前記還元処理用ガス中の凝縮水を分離器にて分離するように機能する。つまり、還元処理用ガスが改質器、一酸化炭素変成器及び一酸化炭素除去器を含む循環経路を通流し、還元処理用ガスの再利用が行われるので、還元処理に要するコストを小さくできる。
また、一酸化炭素変成触媒及び一酸化炭素除去触媒の還元処理を行うことで還元処理用ガスに含まれる水蒸気の濃度が上昇しても、循環経路における一酸化炭素除去器の直前に相当する箇所に上記水分除去手段が設けられるので、一酸化炭素除去器へは、含まれる水蒸気の濃度が低い乾燥した還元処理用ガスが供給される。その結果、一酸化炭素除去触媒の表面への水の付着を防止して、一酸化炭素除去触媒の表面積が減少しないように、つまり、触媒の活性が低下しないようにできる。
従って、低コストで触媒の活性化を適切に行える水素含有ガス生成装置を提供できる。
【００１０】
加えて、凝縮器に流入する還元処理用ガスの圧力が上昇して、還元処理用ガスに含まれる水蒸気の露点が高くなる。つまり、凝縮器内の温度が同じであっても、還元処理用ガスに含まれる水蒸気の凝縮が促進されることになる。その結果、一酸化炭素除去器へ流入する還元処理用ガスに含まれる水蒸気の濃度を低下させて、一酸化炭素除去触媒の表面への水の付着を効果的に防止できる。
【００１１】
本発明に係る水素含有ガス生成装置の別の特徴構成は、前記還元処理用ガスは、前記凝縮器よりも下流側から前記循環経路に流入するように構成されている点にある。
【００１２】
上記特徴構成によれば、凝縮器において水蒸気が液化されるので、凝縮器の下流側ではガスの圧力が低くなる。その結果、還元処理用ガスが循環経路に流入し易くなる。
【００１３】
本発明に係る水素含有ガス生成装置の別の特徴構成は、前記ガス付勢手段は、前記還元処理用ガスが前記一酸化炭素除去器、前記一酸化炭素変成器及び前記改質器の順に前記循環経路を通流するように前記還元処理用ガスを付勢するように構成されている点にある。
【００１４】
上記特徴構成によれば、一酸化炭素変成器の一酸化炭素変成触媒の還元処理に用いられる前の還元処理用ガスが一酸化炭素除去器に流入するようになる。その結果、含まれる水蒸気の濃度が低い還元処理用ガスを一酸化炭素除去器へ流入させて、一酸化炭素除去触媒の表面への水の付着を効果的に防止できる。
【００１５】
本発明に係る水素含有ガス生成装置の別の特徴構成は、前記ガス付勢手段は、前記還元処理用ガスが前記改質器、前記一酸化炭素変成器及び前記一酸化炭素除去器の順に前記循環経路を通流するように前記還元処理用ガスを付勢するように構成されている点にある。
【００１６】
上記特徴構成によれば、一酸化炭素変成器の一酸化炭素変成触媒の還元処理に用いられた後の還元処理用ガスが一酸化炭素除去器に流入するようになるものの、上記水分除去手段が一酸化炭素除去器の直前に相当する箇所に設けられているので、一酸化炭素除去器へ流入する還元処理用ガスに含まれる水蒸気の濃度を低下させて、一酸化炭素除去触媒の表面への水の付着を効果的に防止できる。
【００１７】
本発明に係る水素含有ガス生成装置の別の特徴構成は、前記原燃料を脱硫触媒にて脱硫処理する脱硫器が設けられ、その脱硫器と前記改質器とが、前記脱硫器によって脱硫処理された原燃料ガスを前記改質器に供給するように接続され、
前記循環経路に前記脱硫器が含まれるように構成されている点にある。
【００１８】
上記特徴構成によれば、脱硫器によって脱硫処理された原燃料ガスを改質器に供給するように接続することで、硫黄化合物を含んだ原燃料ガスを原料としながらも、改質触媒の硫黄化合物による被毒を抑制しながら、一酸化炭素濃度の低い水素含有ガスを生成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して第１実施形態の水素含有ガス生成装置１０について説明する。
図１は、水素含有ガス生成装置１０の機能ブロック図である。水素含有ガス生成装置１０は、原燃料を脱硫触媒１ａにて脱硫処理する脱硫器１と、脱硫器１によって脱硫処理された原燃料の改質処理を行って水素を含有する水素含有ガスを生成する改質器３と、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を一酸化炭素変成触媒（ＣＯ変成触媒）４ａによって二酸化炭素に変成処理する一酸化炭素変成器（ＣＯ変成器）４と、一酸化炭素変成器４から供給される変成処理後の水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を一酸化炭素除去触媒（ＣＯ除去触媒）５ａによって選択酸化させる一酸化炭素除去器（ＣＯ除去器）５とを備える。
【００２０】
脱硫器１は、銅系、ニッケル系等の酸化物触媒をボール状体やハニカム状体等の担体に担持させた脱硫触媒１ａと、脱硫触媒１ａを加熱する電気ヒータ１ｂとを備える。脱硫器１は、メタンガス（ＣＨ4）を主成分とし、着臭剤として硫黄化合物が添加されている都市ガスが原燃料ガスとして使用される場合、まず、原燃料ガスの脱硫を行って上記硫黄化合物を除去する装置として使用される。この脱硫処理においては、電気ヒータ１ｂを用いて脱硫触媒１ａを例えば１５０〜２７０°Ｃの範囲の温度に加熱しておく。そして、原燃料ガス中の硫黄化合物を水素化し、その水素化物が吸着されて脱硫される。また、脱硫器１から改質器３に脱硫処理された原燃料ガスを供給するように、脱硫器１の出口と改質器３の入口とを接続してある。
【００２１】
改質器３は、ニッケル系、ルテニウム等の貴金属系の触媒をボール状体やハニカム状体等の担体に担持させた改質触媒３ａと、改質触媒３ａを加熱する燃焼器３ｂとを備え、脱硫処理された原燃料ガス（メタンガス）と水蒸気生成器２からバルブＶ３を介して供給される水蒸気との反応を改質触媒３ａにより活性化させて、水素と一酸化炭素とを含む水素含有ガスを発生させる装置である。燃焼器３ｂに供給される空気量がバルブＶ４によって調節され、燃焼器３ｂに供給されるガス燃料量がバルブＶ５によって調節された上で、ガス燃料の燃焼が行われることで、燃焼器３ｂからの発熱量、つまり、改質触媒３ａの温度が調節される。この改質反応時において改質触媒３ａは、燃焼器３ｂを用いて例えば６５０℃〜７５０℃の温度（以下、「改質処理温度」と記載することもある）に保たれ、メタンガスと水蒸気とが改質触媒３ａの触媒作用により、下記の化学反応式に従って改質されて水素含有ガスが生成される。ちなみに、水素含有ガス生成装置１０にて生成された水素含有ガスが燃料ガスとして燃料電池で消費される場合は、燃焼器３ｂに供給されるガス燃料としては、燃料電池から排出された燃料ガスであるオフガスを用いる。
【００２２】
〔化１〕
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ
【００２３】
一酸化炭素変成器４は、銅−亜鉛系、鉄−クロム系等の酸化物触媒をボール状体やハニカム状体等の担体に担持させた一酸化炭素変成触媒４ａと、一酸化炭素変成触媒４ａを加熱する電気ヒータ４ｂとを備え、改質器３から供給される水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成する装置である。一酸化炭素を二酸化炭素に変成するのは、一酸化炭素が燃料電池の電極セルに供給された場合に発生し得る電極被毒を防止するためである。一酸化炭素変成触媒４ａは、電気ヒータ４ｂによって２００〜３００°Ｃの範囲の温度（以下、「変成処理温度」と記載することもある）、例えば２５０°Ｃに加熱され、一酸化炭素と水蒸気とが一酸化炭素変成触媒４ａにより活性化されて下記の化学反応式に従う変成反応が進行する。
【００２４】
〔化２〕
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2
【００２５】
一酸化炭素除去器５は、白金、ルテニウム、ロジウム等の貴金属系の触媒をボール状体やハニカム状体等の担体に担持させた一酸化炭素除去触媒５ａと、一酸化炭素除去触媒５ａを加熱する電気ヒータ５ｂとを備え、一酸化炭素変成器４において未反応となった一酸化炭素を二酸化炭素に選択的に酸化させる装置である。そして、一酸化炭素除去器５においては、電気ヒータ５ｂを用いて一酸化炭素除去触媒５ａが７０〜１２０°Ｃの範囲の温度（以下、「選択酸化処理温度」と記載することもある）、例えば、１００°Ｃ程度の温度に加熱され、一酸化炭素除去触媒５ａの触媒作用によって、変成処理された水素含有ガス中に残っている一酸化炭素が選択酸化される。これにより、燃料電池に供給される水素含有ガスに含まれる一酸化炭素濃度を極めて低くすることができる。
【００２６】
〔水素含有ガスの生成〕
以下に、図１に示した水素含有ガス生成装置１０を用いて、燃料電池に供給するための水素含有ガスを生成する方法について説明する。図１は、水素含有ガス生成装置１０において水素含有ガスを生成する状態の機能ブロック図である。この状態において、制御部１５は、バルブＶ２，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ９，Ｖ１０，Ｖ１１は常に閉作動させており、ポンプＰ２も停止させている。また、制御部１５は、他のバルブＶ１，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６及びポンプＰ１を後述するように制御する。
【００２７】
制御部１５は、脱硫触媒１ａ、改質触媒３ａ、一酸化炭素変成触媒４ａ及び一酸化炭素除去触媒５ａを加熱するために、電気ヒータ１ｂ、燃焼器３ｂ、電気ヒータ４ｂ及び電気ヒータ５ｂを作動させる。具体的には、制御部１５は、改質器３に設けられる燃焼器３ｂに供給される空気量をバルブＶ４の開度によって調節し、燃焼器３ｂに供給されるガス燃料量をバルブＶ５の開度によって調節する。その結果、ガス燃料の燃焼による燃焼器３ｂからの発熱量が、つまり、改質触媒３ａの温度が適切な改質処理温度に調節される。また、制御部１５は、一酸化炭素変成器４に設けられる電気ヒータ４ｂへの通電量を調節することで、一酸化炭素変成触媒４ａの温度を適切な変成処理温度に調節する。その結果、一酸化炭素変成器４において水素含有ガスの変成処理が適切に行われるようになる。更に、制御部１５は、一酸化炭素除去器５に設けられる電気ヒータ５ｂへの通電量を調節することで、一酸化炭素除去触媒５ａの温度を適切な選択酸化処理温度に調節する。その結果、一酸化炭素除去器５において水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素の選択酸化が適切に行われるようになる。
【００２８】
上述のように脱硫触媒１ａ、改質触媒３ａ、一酸化炭素変成触媒４ａ及び一酸化炭素除去触媒５ａの加熱が行われた後、制御部１５は、バルブＶ１の開度を調節し且つポンプＰ１を作動させて、原燃料ガスを脱硫器１に導入すると共に、バルブＶ６を開作動させる。また、制御部１５は、バルブＶ３の開度を調節して、水蒸気生成器２から改質器３へ供給される水蒸気量を制御している。その結果、改質器３へは、脱硫処理された原燃料ガスと、水蒸気とが流入する。そして、改質器３において原燃料ガスの改質処理が適切に行われ、水素を含有する水素含有ガスが生成される。その後、改質器３で生成された水素含有ガスは、一酸化炭素変成器４に供給される。
【００２９】
変成処理後の水素含有ガスは、一酸化炭素除去器５に供給される。一酸化炭素除去器５では、一酸化炭素除去触媒５ａの温度を適切な選択酸化処理温度に調節されているので、一酸化炭素除去器５において水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素の選択酸化が適切に行われ、水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度が非常に低くされる。
以上のように、本実施形態の水素含有ガス生成装置１０を用いることで、燃料電池にとっての燃料ガスとしての水素含有ガスを、一酸化炭素濃度が非常に低い状態で生成できる。
【００３０】
但し、燃料電池に供給される水素含有ガスに含まれる一酸化炭素濃度を非常に低くするためには、一酸化炭素変成触媒４ａを還元処理して一酸化炭素変成触媒４ａの活性を高めておく必要がある。同様に、一酸化炭素除去触媒５ａを還元処理して一酸化炭素除去触媒５ａの活性を高めておく必要がある。また、一酸化炭素除去触媒５ａの表面に水素含有ガス中に含まれる水が付着し、本来露出するべき一酸化炭素除去触媒５ａの表面積が減少することもある。そのため、一酸化炭素除去触媒５ａの表面に水が付着しないようにしておく必要がある。
従って、本実施形態では、以下に説明するように、燃料電池に供給するための水素含有ガスを生成する前に、一酸化炭素変成触媒４ａ及び一酸化炭素除去触媒５ａを還元処理している。
【００３１】
〔触媒の還元処理〕
図２は、第１実施形態の水素含有ガス生成装置１０において還元処理用ガスを通流させる状態の機能ブロック図である。この状態において制御部１５は、バルブＶ１，Ｖ３，Ｖ６を常に閉作動させており、ポンプＰ１も停止させている。他方で、制御部１５は、バルブＶ４，Ｖ５を開作動させて燃焼器３ｂを燃焼させることで、還元処理用ガスが通流する改質触媒を設定温度に加熱しておく。同様に、制御部１５は、電気ヒータ４ｂを作動させて一酸化炭素変成触媒を加熱し、電気ヒータ５ｂを加熱して一酸化炭素除去触媒を加熱しておく。
【００３２】
制御部１５は、バルブＶ７，Ｖ８を開作動させた状態でポンプＰ２を作動させると共にバルブＶ２を開作動させて循環経路Ｃ内にＮ2ガスを導入して循環させた後、バルブＶ２を閉作動させる。その結果、循環経路Ｃの内部が不活性ガスとしてのＮ2ガスで置換された状態となる。また、制御部１５は、凝縮器６を作動させることで、循環経路Ｃを循環するガスに含まれる水蒸気を凝縮させ、バルブＶ１０を開作動させることで、凝縮器６によって凝縮された凝縮水を分離器７から排出している。
本実施形態において、凝縮器６は、通流するガスを冷却する冷却手段を備えており、通流するガス中に含まれる水蒸気の露点以下にまで冷却を行うことで、そのガスに含まれる水蒸気を結露させる。その結果、凝縮器６の下流側では、ガスと、結露した水とが存在する。そして、分離器７において、水のみがバルブＶ１０を介して循環経路Ｃの外部に排出される。つまり、凝縮器６及び分離器７は、ガス中に含まれる水蒸気を除去する水分除去手段Ｄとして機能する。その結果、水分除去手段Ｄの下流側を通流するガスに含まれる水蒸気の濃度は低下し、乾燥したガスが得られる。よって、一酸化炭素除去器５に流入するガスは乾燥しているので、一酸化炭素除去触媒５ａの表面に水が付着することもない。
【００３３】
このように、循環経路Ｃにおける一酸化炭素除去器５の直前に相当する箇所に水分除去手段Ｄが設けられるので、一酸化炭素除去器５へは、含まれる水蒸気の濃度が低い乾燥したガスが供給される。その結果、一酸化炭素除去触媒５ａの表面への水の付着を防止して、一酸化炭素除去触媒５ａの表面積が減少しないように、つまり、触媒の活性が低下しないようにできる。
つまり、一酸化炭素除去器５の直前に相当する箇所に水分除去手段Ｄが設けられるということは、水分除去手段Ｄによってガス中の水蒸気の濃度が低下された後、その水蒸気の濃度が維持された状態又は水蒸気の濃度が増大されない状態で一酸化炭素除去器５にガスが流入する状態である。従って、ガス中の水蒸気の濃度が増大しないのであれば、水分除去手段Ｄと一酸化炭素除去器５との間の循環経路Ｃに他の装置が設けられていてもよい。
【００３４】
次に、制御部１５は、バルブＶ９を開作動して循環経路ＣにＨ2ガスを導入し、循環経路Ｃを循環通流するＮ2ガスにＨ2ガスが混合した還元処理用ガスを調製する。このとき、制御部１５は、圧力センサ８によって測定される循環経路Ｃのガス圧が設定圧力になるように、循環経路ＣへのＨ2ガスの導入量を調節する。また、凝縮器６において水蒸気が液化されるので、凝縮器６の下流側では気体の圧力が低くなる。その結果、還元処理用ガスとしてのＨ2が循環経路Ｃに流入し易くなる。
【００３５】
以上のように、本実施形態では、ポンプＰ２によるガス付勢によって、還元処理用ガスが、一酸化炭素除去器５、一酸化炭素変成器４、改質器３及び脱硫器１の順に循環経路Ｃを通流するように付勢される。また、ガス付勢手段としてのポンプＰ２は、循環経路Ｃにおいて凝縮器６の直前に相当する箇所に設けられているので、凝縮器６に流入する還元処理用ガスの圧力が上昇して、還元処理用ガスに含まれる水蒸気の露点が高くなる。つまり、凝縮器６内の温度が同じであっても、還元処理用ガスに含まれる水蒸気の凝縮が促進されることになる。その結果、一酸化炭素除去器５へ流入する還元処理用ガスに含まれる水蒸気の濃度を低下させて、一酸化炭素除去触媒５ａの表面への水の付着を効果的に防止できる。
【００３６】
凝縮器６の下流側で上述のように調製された還元処理用ガスは、分離器７を通過した後で一酸化炭素除去器５に流入する。そして、一酸化炭素除去器５の内部において還元処理用ガスは、一酸化炭素除去触媒５ａの還元処理（或いは、触媒表面などに吸着されているＯ2と結合することによるＯ2の除去）に寄与する。その結果、一酸化炭素除去器５から流出した還元処理用ガス中のＨ2分圧は、一酸化炭素除去器５の内部での還元処理によって消費された分だけ減少する。
【００３７】
一酸化炭素除去器５から流出した還元処理用ガスは、次に、一酸化炭素変成器４に流入する。そして、一酸化炭素変成器４の内部において還元処理用ガスは、一酸化炭素変成触媒４ａの還元処理に寄与する。その結果、一酸化炭素変成器４から流出した還元処理用ガス中のＨ2分圧は、一酸化炭素変成器４の内部での還元処理によって消費された分だけ減少する。
【００３８】
その後、一酸化炭素変成器４から流出した還元処理用ガスは、改質器３及び脱硫器１を通過して、凝縮器６に流入する。凝縮器６に帰還した還元処理用ガスは、一酸化炭素除去器５、一酸化炭素変成器４、改質器３及び脱硫器１を通過する間に取り込んだ水蒸気、特に還元処理によって発生した水蒸気を含んでいる。そして、還元処理用ガス中に含まれる水蒸気は凝縮器６において結露する。このように、凝縮器６の上流側では水蒸気として存在していた水分が、凝縮器６の下流側では液体の水になっているので、凝縮器６の下流側のガス圧の方が、凝縮器６の上流側のガス圧よりも低くなる。つまり、凝縮器６の上流側に対する下流側のガス圧の減少分が、還元処理によって消費されたＨ2ガスの量であるといえる。
【００３９】
そこで、制御部１５は、凝縮器６の下流側の循環経路Ｃのガス圧を測定する圧力センサ８の測定結果に基づいて、循環経路Ｃに流入させるＨ2ガスの量を調節する。具体的には、制御部１５は、凝縮器６の下流側の循環経路Ｃのガス圧が当初の設定圧力になるように、バルブＶ９を介してＨ2ガスを循環経路Ｃに流入させる。一酸化炭素除去器５及び一酸化炭素変成器４において還元処理が行われている間は、還元処理においてＨ2ガスが消費されるので、圧力センサ８で測定される凝縮器６の下流側のガス圧は設定圧力を下回ることになる。
他方で、一酸化炭素除去器５の一酸化炭素除去触媒５ａ及び一酸化炭素変成器４の一酸化炭素変成触媒４ａの還元処理がほぼ完了すると、Ｈ2ガスが消費されなくなるので、圧力センサ８で測定される凝縮器６の下流側のガス圧は設定圧力のまま変化しないようになる。
【００４０】
そこで、制御部１５は、圧力センサ８で測定される凝縮器６の下流側のガス圧が設定圧力のまま変化しないようになると、一酸化炭素除去触媒５ａ及び一酸化炭素変成触媒４ａの還元処理が完了したと判定する。そして、制御部１５は、バルブＶ９、Ｖ１０を閉作動させ、バルブＶ２を開作動させるとともに、バルブＶ１１を開作動せる。その結果、循環経路Ｃ中に存在する還元処理用ガスがバルブＶ１１を介して排気されながら、循環経路ＣがＮ2ガスで置換される。そして、制御部１５は、設定時間経過すると、バルブＶ１１を閉作動させて、Ｎ2ガスによる循環経路Ｃの置換を完了する。その後、制御部１５は、全てのバルブを閉作動させ及びポンプＰ２を停止させる。
【００４１】
＜第２実施形態＞
第２実施形態の水素含有ガス生成装置は、水分除去手段Ｄの設置位置が上記第１実施形態と異なっている。具体的には、第２実施形態の水素含有ガス生成装置２０は、水分除去手段Ｄが、循環経路Ｃにおいて一酸化炭素変成器４の直後に相当する箇所であり、且つ、一酸化炭素除去器５の直前に相当する箇所に設けられている。以下に第２実施形態の水素含有ガス生成装置について説明するが、第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００４２】
〔水素含有ガスの生成〕
図３は、第２実施形態の水素含有ガス生成装置２０において水素含有ガスを生成する状態の機能ブロック図である。この状態において、制御部１５は、バルブＶ２，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ９，Ｖ１１は常に閉作動させており、ポンプＰ２も停止させている。但し、ポンプＰ２は、停止時においてもガスを通過させることはできるように構成されている。つまり、図３に示す水素含有ガス生成装置２０において水素含有ガスを生成するとき、制御部１５が凝縮器６及びバルブＶ１０を作動させることで、変成処理後の水素含有ガスに含まれる水蒸気を凝縮器６において凝縮させ、バルブＶ１０を介して分離器７からその凝縮水を排出するように構成されている以外は上記第１実施形態における水素含有ガスの生成と同様である。
【００４３】
〔触媒の還元処理〕
図４は、第２実施形態の水素含有ガス生成装置２０において還元処理用ガスを通流させる状態の機能ブロック図である。この状態において制御部１５は、バルブＶ１，Ｖ３，Ｖ６を常に閉作動させており、ポンプＰ１も停止させている。他方で、制御部１５は、バルブＶ４，Ｖ５を開作動させて燃焼器３ｂを燃焼させることで、還元処理用ガスが通流する改質触媒を設定温度に加熱しておく。同様に、制御部１５は、電気ヒータ４ｂを作動させて一酸化炭素変成触媒を加熱し、電気ヒータ５ｂを加熱して一酸化炭素除去触媒を加熱しておく。
【００４４】
制御部１５は、バルブＶ７，Ｖ８を開作動させた状態でポンプＰ２を作動させると共にバルブＶ２を開作動させて循環経路Ｃ内にＮ2ガスを導入して循環させた後、バルブＶ２を閉作動させる。その結果、循環経路Ｃの内部が不活性ガスとしてのＮ2ガスで置換された状態となる。また、制御部１５は、凝縮器６を作動させることで、循環経路Ｃを循環するガスに含まれる水蒸気を凝縮させ、バルブＶ１０を開作動させることで、凝縮器６によって凝縮された凝縮水を分離器７から排出している。
このように、循環経路Ｃにおける一酸化炭素除去器５の直前に相当する箇所に、凝縮器６及び分離器７を有する水分除去手段Ｄが設けられるので、一酸化炭素除去器５へは、含まれる水蒸気の濃度が低い乾燥したガスが供給される。その結果、一酸化炭素除去触媒５ａの表面への水の付着を防止して、一酸化炭素除去触媒５ａの表面積が減少しないように、つまり、触媒の活性が低下しないようにできる。
【００４５】
次に、制御部１５は、バルブＶ９を開作動して循環経路ＣにＨ2ガスを導入し、循環経路Ｃを循環通流するＮ2ガスにＨ2ガスが混合した還元処理用ガスを調製する。このとき、制御部１５は、圧力センサ８によって測定される循環経路Ｃのガス圧が設定圧力になるように、循環経路ＣへのＨ2ガスの導入量を調節する。また、凝縮器６において水蒸気が液化されるので、凝縮器６の下流側では気体の圧力が低くなる。その結果、還元処理用ガスとしてのＨ2が循環経路Ｃに流入し易くなる。
【００４６】
以上のように、本実施形態では、ポンプＰ２によるガス付勢によって、還元処理用ガスが、脱硫器１、改質器３、一酸化炭素変成器４及び一酸化炭素除去器５の順に循環経路Ｃを通流するように付勢される。また、ガス付勢手段としてのポンプＰ２は、循環経路Ｃにおいて凝縮器６の直前に相当する箇所に設けられているので、凝縮器６に流入する還元処理用ガスの圧力が上昇して、還元処理用ガスに含まれる水蒸気の露点が高くなる。つまり、凝縮器６内の温度が同じであっても、還元処理用ガスに含まれる水蒸気の凝縮が促進されることになる。その結果、一酸化炭素除去器５へ流入する還元処理用ガスに含まれる水蒸気の濃度を低下させて、一酸化炭素除去触媒５ａの表面への水の付着を効果的に防止できる。
【００４７】
凝縮器６の下流側で上述のように調製された還元処理用ガスは、まず一酸化炭素除去器５に流入する。そして、一酸化炭素除去器５の内部において還元処理用ガスは、一酸化炭素除去触媒５ａの還元処理に寄与する。その結果、一酸化炭素除去器５から流出した還元処理用ガス中のＨ2分圧は、一酸化炭素除去器５の内部での還元処理によって消費された分だけ減少する。
【００４８】
その後、一酸化炭素除去器５から流出した還元処理用ガスは、循環経路Ｃを通って脱硫器１及び改質器３を循環した後、一酸化炭素変成器４に流入する。そして、一酸化炭素変成器４の内部において還元処理用ガスは、一酸化炭素変成触媒４ａの還元処理に寄与する。その結果、一酸化炭素変成器４から流出した還元処理用ガス中のＨ2分圧は、一酸化炭素変成器４の内部での還元処理によって消費された分だけ減少する。
【００４９】
そして、一酸化炭素変成器４から流出した還元処理用ガスは、凝縮器６に流入する。凝縮器６に帰還した還元処理用ガスは、一酸化炭素除去器５、脱硫器１、改質器３及び一酸化炭素変成器４を通過する間に取り込んだ水蒸気、特に還元処理によって発生した水蒸気を含んでいる。そして、還元処理用ガス中に含まれる水蒸気は凝縮器６において結露する。このように、凝縮器６の上流側では水蒸気として存在していた水分が、凝縮器６の下流側では液体の水になっているので、凝縮器６の下流側のガス圧の方が、凝縮器６の上流側のガス圧よりも低くなる。つまり、凝縮器６の上流側に対する下流側のガス圧の減少分が、還元処理によって消費されたＨ2ガスの量であるといえる。
【００５０】
そこで、制御部１５は、凝縮器６の下流側の循環経路Ｃのガス圧を測定する圧力センサ８の測定結果に基づいて、循環経路Ｃに流入させるＨ2ガスの量を調節する。具体的には、制御部１５は、凝縮器６の下流側の循環経路Ｃのガス圧が当初の設定圧力になるように、バルブＶ９を介してＨ2ガスを循環経路Ｃに流入させる。一酸化炭素除去器５及び一酸化炭素変成器４において還元処理が行われている間は、還元処理においてＨ2ガスが消費されるので、圧力センサ８で測定される凝縮器６の下流側のガス圧は設定圧力を下回ることになる。
他方で、一酸化炭素除去器５の一酸化炭素除去触媒５ａ及び一酸化炭素変成器４の一酸化炭素変成触媒４ａの還元処理がほぼ完了すると、Ｈ2ガスが消費されなくなるので、圧力センサ８で測定される凝縮器６の下流側のガス圧は設定圧力のまま変化しないようになる。
【００５１】
そこで、制御部１５は、圧力センサ８で測定される凝縮器６の下流側のガス圧が設定圧力のまま変化しないようになると、一酸化炭素除去触媒５ａ及び一酸化炭素変成触媒４ａの還元処理が完了したと判定する。そして、制御部１５は、バルブＶ９、Ｖ１０を閉作動させ、バルブＶ２を開作動させるとともに、バルブＶ１１を開作動せる。その結果、循環経路Ｃ中に存在する還元処理用ガスがバルブＶ１１を介して排気されながら、循環経路ＣがＮ2ガスで置換される。そして、制御部１５は、設定時間経過すると、バルブＶ１１を閉作動させて、Ｎ2ガスによる循環経路Ｃの置換を完了する。その後、制御部１５は、全てのバルブを閉作動させ及びポンプＰ２を停止させる。
【００５２】
＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、制御部１５が、圧力センサ８の測定結果に基づいて、循環経路Ｃに流入させるＨ2ガスの量を調節していたが、他の手法を用いて循環経路Ｃに流入させるＨ2ガスの量を調節してもよい。
例えば、一酸化炭素変成器４に収容されている一酸化炭素変成触媒４ａの量、及び、一酸化炭素除去器５に収容されている一酸化炭素除去触媒５ａの量は既知である。よって、一酸化炭素変成触媒４ａを還元処理するのに必要なＨ2ガスの量、及び、一酸化炭素除去触媒５ａを還元処理するのに必要なＨ2ガスの量も容易に導出できる。そこで、制御部１５は、バルブＶ９を介して循環経路Ｃに流入するＨ2ガスの合計流量を調節して、一酸化炭素変成触媒４ａ及び一酸化炭素除去触媒５ａの還元処理を行えばよい。或いは、制御部１５は、循環経路ＣへのＨ2ガスの流入時間を調節して、循環経路Ｃに流入させるＨ2ガスの量を調節してもよい。また或いは、循環経路Ｃ中のガス成分を分析する分析器を設け、制御部１５が、その分析結果に基づいて、循環経路Ｃを通流する還元処理用ガス中にＨ2ガスが設定量含まれているようにバルブＶ９の開度を調節するように構成してもよい。
【００５３】
＜２＞
上記実施形態では、還元処理用ガスとしてのＨ2ガスが凝縮器６よりも下流側から循環経路Ｃに流入する場合について説明したが、Ｈ2ガスを循環経路Ｃの他の部位から流入させてもよい。また、循環経路ＣへのＮ2ガスの流入位置も図１〜図４に示した例に限定されず、適宜変更してもよい。
【００５４】
＜３＞
上記実施形態では、原燃料ガスとしてメタンガス（ＣＨ4）を主成分とし、着臭剤として硫黄化合物が添加されている都市ガスを使用するために上記脱硫器１を備えているが、硫黄化合物が含まれていない原燃料ガスを用いる場合には、上記脱硫器１を設けなくてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明に係る水素含有ガス生成装置は、一酸化炭素含有量が非常に少ない水素含有ガスを低いコストで生成するために利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】第１実施形態の水素含有ガス生成装置において水素含有ガスを生成する状態の機能ブロック図
【図２】第１実施形態の水素含有ガス生成装置において還元処理用ガスを通流させる状態の機能ブロック図
【図３】第２実施形態の水素含有ガス生成装置において水素含有ガスを生成する状態の機能ブロック図
【図４】第２実施形態の水素含有ガス生成装置において還元処理用ガスを通流させる状態の機能ブロック図
【符号の説明】
【００５７】
１  脱硫器
３  改質器
４  一酸化炭素変成器（ＣＯ変成器）
４ａ  一酸化炭素変成触媒（ＣＯ変成触媒）
５  一酸化炭素除去器（ＣＯ除去器）
５ａ  一酸化炭素除去触媒（ＣＯ除去触媒）
６  凝縮器
７  分離器
１０  水素含有ガス生成装置
Ｃ  循環経路
Ｄ  水分除去手段
Ｐ２  ポンプ（ガス付勢手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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