(57)【要約】【課題】  運転負荷の変動に影響されることなく、常に、２段目ＣＯ変成器に流入する改質ガスの温度を所定の温度範囲内に保つことができるＣＯ変成器の温度制御システムを提供する。【解決手段】  ２段構成のＣＯ変成器の間に配設された中間熱交換器に冷却媒体を供給する冷却通路をこの中間熱交換器の手前側で２以上に分岐させ、それら複数の冷却通路の一部に冷却媒体の流量を制御する制御弁を設け、前記２段構成のＣＯ変成器の内、下流側に位置する２段目ＣＯ変成器に温度センサーを取り付け、この温度センサーの検出値に基づいて前記制御弁の開度を調節し、２段目ＣＯ変成器に流入する改質ガスの温度を所定の温度範囲内に維持するように構成する。【選択図】  図１
2007063102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料から改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された改質ガス中のＣＯ濃度を低減させる２段構成のＣＯ変成器と、前記ＣＯ変成器を経た改質ガスに酸素を導入してＣＯを選択酸化するＣＯ除去器とが一連に配設され、前記２段構成のＣＯ変成器の間に中間熱交換器を備えた水素製造装置におけるＣＯ変成器の温度制御システムであって、
前記中間熱交換器に冷却媒体を供給する冷却通路を前記中間熱交換器の手前側で２以上に分岐させ、それら複数の冷却通路の一部に前記冷却媒体の流量を制御する制御弁を設け、
前記２段構成のＣＯ変成器の内、下流側に位置する２段目ＣＯ変成器に温度センサーを取り付け、
この温度センサーの検出値に基づいて前記制御弁の開度を調節し、２段目ＣＯ変成器に流入する改質ガスの温度を所定の温度範囲内に維持するように構成したことを特徴とするＣＯ変成器の温度制御システム。
【請求項２】
炭化水素系燃料から改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された改質ガス中のＣＯ濃度を低減させる２段構成のＣＯ変成器と、前記ＣＯ変成器を経た改質ガスに酸素を導入してＣＯを選択酸化するＣＯ除去器とが一連に配設され、前記２段構成のＣＯ変成器の間に中間熱交換器を備えた水素製造装置におけるＣＯ変成器の温度制御システムであって、
前記中間熱交換器に冷却媒体を供給する冷却通路を、前記中間熱交換器の手前側で２以上に分岐させ、それら複数の冷却通路の一部に前記冷却媒体の流量を制御する制御弁を設け、
前記中間熱交換器に改質ガスを供給する入口側通路に、前記改質ガスの流量を検出する流量センサーを設け、
前記２段構成のＣＯ変成器の内、下流側の２段目ＣＯ変成器に流入する改質ガスの温度が所定の温度範囲内になるように、予め、前記中間熱交換器に供給される改質ガスの流量に対応づけて前記制御弁の開度を設定しておき、
前記流量センサーの検出値に基づいて前記制御弁の開度を調節し、前記２段目ＣＯ変成器に流入する改質ガスの温度を所定の温度範囲内に維持するように構成したことを特徴とするＣＯ変成器の温度制御システム。
【請求項３】
前記２以上に分岐させた冷却通路の一部に断熱加工を施し、この断熱加工を施した冷却通路に前記制御弁を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＣＯ変成器の温度制御システム。
【請求項４】
炭化水素系燃料から改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された改質ガス中のＣＯ濃度を低減させる２段構成のＣＯ変成器と、前記ＣＯ変成器を経た改質ガスに酸素を導入してＣＯを選択酸化するＣＯ除去器とが一連に配設され、前記２段構成のＣＯ変成器の間に中間熱交換器を備えた水素製造装置におけるＣＯ変成器の温度制御システムであって、
前記中間熱交換器に改質ガスを供給する入口側通路を、前記中間熱交換器の手前側で２つに分岐させ、一方は前記中間熱交換器に接続し、他方は前記中間熱交換器をバイパスさせて出口側通路に接続し、このバイパス通路に前記改質ガスの流量を制御する制御弁を設け、
前記２段構成のＣＯ変成器の内、下流側に位置する２段目ＣＯ変成器に温度センサーを取り付け、
この温度センサーの検出値に基づいて前記制御弁の開度を調節し、前記２段目ＣＯ変成器に流入する改質ガスの温度を所定の温度範囲内に維持するように構成したことを特徴とするＣＯ変成器の温度制御システム。
【請求項５】
前記冷却媒体が、前記改質器における改質に用いられる蒸気生成用の改質水であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載のＣＯ変成器の温度制御システム。
【請求項６】
前記冷却媒体が、前記改質器のバーナから排出された燃焼排ガスであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載のＣＯ変成器の温度制御システム。
【請求項７】
前記冷却媒体が、前記改質器のバーナに供給する燃焼用のバーナ空気であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載のＣＯ変成器の温度制御システム。
【請求項８】
炭化水素系燃料から改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された改質ガス中のＣＯ濃度を低減させる２段構成のＣＯ変成器と、前記ＣＯ変成器を経た改質ガスに酸素を導入してＣＯを選択酸化するＣＯ除去器とが一連に配設され、前記２段構成のＣＯ変成器の間に中間熱交換器を備えた水素製造装置におけるＣＯ変成器の温度制御方法であって、
前記中間熱交換器に冷却媒体を供給する冷却通路を、前記中間熱交換器の手前側で２以上に分岐させ、それら複数の冷却通路の一部に前記冷却媒体の流量を制御する制御弁を設け、
前記２段構成のＣＯ変成器の内、下流側に位置する２段目ＣＯ変成器に設置した温度センサーの検出値に基づいて前記制御弁の開度を調節し、その冷却通路に流入する冷却媒体の流量を調節することにより、２段目ＣＯ変成器へ流入する改質ガスの温度が所定の温度範囲内になるよう制御することを特徴とするＣＯ変成器の温度制御方法。
【請求項９】
炭化水素系燃料から改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された改質ガス中のＣＯ濃度を低減させる２段構成のＣＯ変成器と、前記ＣＯ変成器を経た改質ガスに酸素を導入してＣＯを選択酸化するＣＯ除去器とが一連に配設され、前記２段構成のＣＯ変成器の間に中間熱交換器を備えた水素製造装置におけるＣＯ変成器の温度制御方法であって、
前記中間熱交換器に冷却媒体を供給する冷却通路を、前記中間熱交換器の手前側で２以上に分岐させ、それら複数の冷却通路の一部に前記冷却媒体の流量を制御する制御弁を設け、
前記２段構成のＣＯ変成器の内、下流側の２段目ＣＯ変成器に流入する改質ガスの温度が所定の温度範囲内になるように、予め、前記中間熱交換器に供給される改質ガスの流量に対応づけて、前記中間熱交換器に備えた２つ以上の冷却通路の一部に設置した制御弁の開度を設定しておき、
前記中間熱交換器に改質ガスを供給する入口側通路に設けた改質ガスの流量を検出する流量センサーの検出値に基づいて前記制御弁の開度を調節し、その冷却通路に流入する冷却媒体の流量を調節することにより、２段目ＣＯ変成器に流入する改質ガスの温度が所定の温度範囲内になるよう制御することを特徴とするＣＯ変成器の温度制御方法。
【請求項１０】
炭化水素系燃料から改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された改質ガス中のＣＯ濃度を低減させる２段構成のＣＯ変成器と、前記ＣＯ変成器を経た改質ガスに酸素を導入してＣＯを選択酸化するＣＯ除去器とが一連に配設され、前記２段構成のＣＯ変成器の間に中間熱交換器を備えた水素製造装置におけるＣＯ変成器の温度制御方法であって、
前記中間熱交換器に改質ガスを供給する入口側通路に、前記中間熱交換器をバイパスするバイパス通路を設け、このバイパス通路に前記改質ガスの流量を制御する制御弁を設け、
前記２段構成のＣＯ変成器の内、下流側に位置する２段目ＣＯ変成器に設置した温度センサーの検出値に基づいて、バイパス通路に設けた制御弁の開度を調整して、前記バイパス通路に流入する改質ガスの流量を調節することにより、２段目ＣＯ変成器へ流入する改質ガスの温度が所定の温度範囲内になるよう制御することを特徴とするＣＯ変成器の温度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素系燃料からＣＯを含む水素リッチな改質ガスを生成する水素製造装置において、特に、改質ガス中のＣＯ濃度を低減するために配設されるＣＯ変成器の温度制御システム及び温度制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、炭化水素系燃料からＣＯを含む水素リッチな改質ガスを生成する水素製造装置は、図９に示すように構成されている。すなわち、改質触媒を備え、その動作温度が６００℃〜７００℃程度である改質器１と、その改質器１から出てくる改質ガス中の１０％前後のＣＯ濃度を０．５％程度にまで低減するＣＯ変成触媒を備えた２段構成のＣＯ変成器２、３と、空気を導入してＣＯを選択酸化してＣＯ2にすることで１０ｐｐｍ程度まで除去するＣＯ選択酸化触媒を備えたＣＯ除去器４が一連に配設されている。
【０００３】
なお、前記上流側のＣＯ変成器（以下、１段目ＣＯ変成器という）２の動作温度領域は２５０℃〜３５０℃であり、下流側のＣＯ変成器（以下、２段目ＣＯ変成器という）３の動作温度領域は１６０℃〜２４０℃である。また、ＣＯ除去器４の動作温度領域は１２０℃〜１８０℃である。
【０００４】
また、上記３種類の反応器の動作温度を所定の温度に調整するため、あるいは改質に必要な水蒸気を生成するために、前記改質器１と１段目ＣＯ変成器２の間には原燃料予熱器５が、１段目ＣＯ変成器２と２段目ＣＯ変成器３の間には中間熱交換器６が、２段目ＣＯ変成器３とＣＯ除去器４との間にはＣＯ除去器前熱交換器７が設けられている。さらに、前記２段目ＣＯ変成器３には温度センサー１１が設けられ、１段目ＣＯ変成器２、２段目ＣＯ変成器３及びＣＯ除去器４のそれぞれには加熱用のヒータ１２が設けられている。
【０００５】
また、前記改質器１の入口側には、燃焼用バーナ空気２０とバーナ燃料２１が供給されると共に、前記原燃料予熱器５によって予熱された原燃料が供給されるように構成され、この改質器１の出口から排出された燃焼排ガス２２が水蒸気発生器８に供給されるように構成されている。
【０００６】
そして、この水蒸気発生器８には改質水が供給され、前記燃焼排ガス２２と熱交換した改質水は、前記中間熱交換器６に冷却媒体を供給するための冷却媒体用通路（以下、冷却通路という）１００を介して前記中間熱交換器６に供給されるように構成されている。なお、水蒸気発生器８に供給された改質器出口燃焼排ガス２２は、改質水と熱交換して低温となった後、水蒸気発生器出口燃焼排ガス２３となって外部に排出されるように構成されている。
【０００７】
また、前記中間熱交換器６において熱交換されて加熱された改質水は、ＣＯ除去器前熱交換器７へ送られ、そこで熱交換されてさらに加熱された後、水蒸気分離器９によって水蒸気が分離され、分離された水蒸気が水蒸気比例弁１３を介して原燃料に加えられるように構成されている。
【０００８】
一方、改質器１によって生成された改質ガスは、前記原料予熱器５、１段目ＣＯ変成器２、中間熱交換器６、２段目ＣＯ変成器３を経て、空気と混合された後、さらにＣＯ除去器前熱交換器７及びＣＯ除去器４を経由して、燃料電池へ供給されるように構成されている。
【０００９】
上記のような構成を有する従来の水素製造装置においては、各反応器に流入するガスの温度が、それぞれの触媒活性に最適な温度範囲内に維持できるように、各熱交換器を設計、配置することが重要である。例えば、異なる動作温度領域である各反応器とそれに付随する熱交換器を一体化あるいは複合化して構成し、その反応熱を利用するものや、また、温度制御のための冷却用ファンや加熱用ヒータを併有させて構成しているものもある（特許文献１〜３等）。
【特許文献１】ＷＯ２００２／０２５７６２号公報
【特許文献２】特開２００２−３５６３０９号公報
【特許文献３】特開２００２−１８７７０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記のような従来の水素製造装置においては、原燃料予熱器５、中間熱交換器６、ＣＯ除去器前熱交換器７や水蒸気発生器８等の各熱交換器は、定格運転時における条件で、その熱交換器の高温側及び低温側の入出の温度差と熱伝達係数で必要な熱交換面積を設計している。このため、運転負荷が変ると、高温側及び低温側媒体の流量が変化するため、熱バランスが崩れ、反応器に流入するガスの温度を所定の温度に維持できなくなるという問題点があった。
【００１１】
特に、１段目ＣＯ変成器２と２段目ＣＯ変成器３の間に設置された中間熱交換器６は、運転負荷を下げた場合、改質ガスが過冷却される傾向にある。このため、２段目ＣＯ変成器３の改質ガス入口温度が低くなり、ＣＯ変成触媒の活性が低下するため、ＣＯ変成器の特性が損なわれるという問題が生じていた。そこで、実際の運転では、２段目ＣＯ変成器３内の改質ガスが所定の温度になるように、２段目ＣＯ変成器３に取付けた外部ヒータ１２がＯＮ−ＯＦＦするように構成されているため、発電出力に影響を及ぼすことになるといった不都合が生じていた。
【００１２】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、運転負荷の変動に影響されることなく、常に、２段目ＣＯ変成器に流入する改質ガスの温度を所定の温度範囲内に保ち、２段目ＣＯ変成器の触媒活性を最適な状態に維持することができるＣＯ変成器の温度制御システム及び温度制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、炭化水素系燃料から改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された改質ガス中のＣＯ濃度を低減させる２段構成のＣＯ変成器と、前記ＣＯ変成器を経た改質ガスに酸素を導入してＣＯを選択酸化するＣＯ除去器とが一連に配設され、前記２段構成のＣＯ変成器の間に中間熱交換器を備えた水素製造装置におけるＣＯ変成器の温度制御システムであって、前記中間熱交換器に冷却媒体を供給する冷却通路を前記中間熱交換器の手前側で２以上に分岐させ、それら複数の冷却通路の一部に前記冷却媒体の流量を制御する制御弁を設け、前記２段構成のＣＯ変成器の内、下流側に位置する２段目ＣＯ変成器に温度センサーを取り付け、この温度センサーの検出値に基づいて前記制御弁の開度を調節し、２段目ＣＯ変成器に流入する改質ガスの温度を所定の温度範囲内に維持するように構成したことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１に記載の発明を方法の観点から捉えたものであって、炭化水素系燃料から改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された改質ガス中のＣＯ濃度を低減させる２段構成のＣＯ変成器と、前記ＣＯ変成器を経た改質ガスに酸素を導入してＣＯを選択酸化するＣＯ除去器とが一連に配設され、前記２段構成のＣＯ変成器の間に中間熱交換器を備えた水素製造装置におけるＣＯ変成器の温度制御方法であって、前記中間熱交換器に冷却媒体を供給する冷却通路を、前記中間熱交換器の手前側で２以上に分岐させ、それら複数の冷却通路の一部に前記冷却媒体の流量を制御する制御弁を設け、前記２段構成のＣＯ変成器の内、下流側に位置する２段目ＣＯ変成器に設置した温度センサーの検出値に基づいて前記制御弁の開度を調節し、その冷却通路に流入する冷却媒体の流量を調節することにより、２段目ＣＯ変成器へ流入する改質ガスの温度が所定の温度範囲内になるよう制御することを特徴とする。
【００１５】
上記のような構成を有する請求項１あるいは請求項８に記載の発明によれば、低負荷運転時において、２段目ＣＯ変成器に設けられた温度センサーにより２段目ＣＯ変成器内の改質ガス温度が所定温度よりも低くなったことが検出された場合には、温度センサーより送出された検出信号を受けて制御弁の開度が調節される。これにより、制御弁が設けられた冷却通路への冷却媒体の供給が停止あるいは低減され、その結果、中間熱交換器における熱交換面積が実質的に減少するため、１段目ＣＯ変成器から流入する改質ガスの過冷却を防止することができるので、２段目ＣＯ変成器に流入する改質ガスの温度を所定温度に維持することができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、炭化水素系燃料から改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された改質ガス中のＣＯ濃度を低減させる２段構成のＣＯ変成器と、前記ＣＯ変成器を経た改質ガスに酸素を導入してＣＯを選択酸化するＣＯ除去器とが一連に配設され、前記２段構成のＣＯ変成器の間に中間熱交換器を備えた水素製造装置におけるＣＯ変成器の温度制御システムであって、前記中間熱交換器に冷却媒体を供給する冷却通路を、前記中間熱交換器の手前側で２以上に分岐させ、それら複数の冷却通路の一部に前記冷却媒体の流量を制御する制御弁を設け、前記中間熱交換器に改質ガスを供給する入口側通路に、前記改質ガスの流量を検出する流量センサーを設け、前記２段構成のＣＯ変成器の内、下流側の２段目ＣＯ変成器に流入する改質ガスの温度が所定の温度範囲内になるように、予め、前記中間熱交換器に供給される改質ガスの流量に対応づけて前記制御弁の開度を設定しておき、前記流量センサーの検出値に基づいて前記制御弁の開度を調節し、前記２段目ＣＯ変成器に流入する改質ガスの温度を所定の温度範囲内に維持するように構成したことを特徴とする。
【００１７】
また、請求項９に記載の発明は、請求項２に記載の発明を方法の観点から捉えたものであって、炭化水素系燃料から改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された改質ガス中のＣＯ濃度を低減させる２段構成のＣＯ変成器と、前記ＣＯ変成器を経た改質ガスに酸素を導入してＣＯを選択酸化するＣＯ除去器とが一連に配設され、前記２段構成のＣＯ変成器の間に中間熱交換器を備えた水素製造装置におけるＣＯ変成器の温度制御方法であって、前記中間熱交換器に冷却媒体を供給する冷却通路を、前記中間熱交換器の手前側で２以上に分岐させ、それら複数の冷却通路の一部に前記冷却媒体の流量を制御する制御弁を設け、前記２段構成のＣＯ変成器の内、下流側の２段目ＣＯ変成器に流入する改質ガスの温度が所定の温度範囲内になるように、予め、前記中間熱交換器に供給される改質ガスの流量に対応づけて、前記中間熱交換器に備えた２つ以上の冷却通路の一部に設置した制御弁の開度を設定しておき、前記中間熱交換器に改質ガスを供給する入口側通路に設けた改質ガスの流量を検出する流量センサーの検出値に基づいて前記制御弁の開度を調節し、その冷却通路に流入する冷却媒体の流量を調節することにより、２段目ＣＯ変成器に流入する改質ガスの温度が所定の温度範囲内になるよう制御することを特徴とする。
【００１８】
上記のような構成を有する請求項２あるいは請求項９に記載の発明によれば、２段目ＣＯ変成器に流入する改質ガスの温度が所定の温度範囲内になるように、予め、中間熱交換器に流入する改質ガスの流量、つまり運転負荷に対応させて制御弁の開度が設定されているので、２段目ＣＯ変成器に温度センサーを設けなくても、２段目ＣＯ変成器に流入する改質ガスの温度を所定の温度範囲内になるよう制御することができる。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載のＣＯ変成器の温度制御システムにおいて、前記２以上に分岐させた冷却通路の一部に断熱加工を施し、この断熱加工を施した冷却通路に前記制御弁を設けたことを特徴とする。
上記のような構成を有する請求項３に記載の発明によれば、断熱加工を施した冷却通路に冷却媒体の一部を流すことにより、改質ガスとの熱交換量を制限し、２段目ＣＯ変成器に流入する改質ガスの温度を調整することができる。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、炭化水素系燃料から改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された改質ガス中のＣＯ濃度を低減させる２段構成のＣＯ変成器と、前記ＣＯ変成器を経た改質ガスに酸素を導入してＣＯを選択酸化するＣＯ除去器とが一連に配設され、前記２段構成のＣＯ変成器の間に中間熱交換器を備えた水素製造装置におけるＣＯ変成器の温度制御システムであって、前記中間熱交換器に改質ガスを供給する入口側通路を、前記中間熱交換器の手前側で２つに分岐させ、一方は前記中間熱交換器に接続し、他方は前記中間熱交換器をバイパスさせて出口側通路に接続し、このバイパス通路に前記改質ガスの流量を制御する制御弁を設け、前記２段構成のＣＯ変成器の内、下流側に位置する２段目ＣＯ変成器に温度センサーを取り付け、この温度センサーの検出値に基づいて前記制御弁の開度を調節し、前記２段目ＣＯ変成器に流入する改質ガスの温度を所定の温度範囲内に維持するように構成したことを特徴とする。
【００２１】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項４に記載の発明を方法の観点から捉えたものであって、炭化水素系燃料から改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された改質ガス中のＣＯ濃度を低減させる２段構成のＣＯ変成器と、前記ＣＯ変成器を経た改質ガスに酸素を導入してＣＯを選択酸化するＣＯ除去器とが一連に配設され、前記２段構成のＣＯ変成器の間に中間熱交換器を備えた水素製造装置におけるＣＯ変成器の温度制御方法であって、前記中間熱交換器に改質ガスを供給する入口側通路に、前記中間熱交換器をバイパスするバイパス通路を設け、このバイパス通路に前記改質ガスの流量を制御する制御弁を設け、前記２段構成のＣＯ変成器の内、下流側に位置する２段目ＣＯ変成器に設置した温度センサーの検出値に基づいて、バイパス通路に設けた制御弁の開度を調整して、前記バイパス通路に流入する改質ガスの流量を調節することにより、２段目ＣＯ変成器へ流入する改質ガスの温度が所定の温度範囲内になるよう制御することを特徴とする。
【００２２】
上記のような構成を有する請求項４あるいは請求項１０に記載の発明によれば、低負荷運転時には、温度センサーの検出値に基づいて、バイパス通路に設けられた制御弁の開度を調節することにより、中間熱交換器に接続された通路とバイパス通路のそれぞれに流れる改質ガスの流量比を調整し、２段目ＣＯ変成器に流入する改質ガスの温度が所定温度になるように制御することができる。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載のＣＯ変成器の温度制御システムにおいて、前記冷却媒体が、前記改質器における改質に用いられる蒸気生成用の改質水であることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載のＣＯ変成器の温度制御システムにおいて、前記冷却媒体が、前記改質器のバーナから排出された燃焼排ガスであることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載のＣＯ変成器の温度制御システムにおいて、前記冷却媒体が、前記改質器のバーナに供給する燃焼用のバーナ空気であることを特徴とする。
【００２４】
上記のような構成を有する請求項５〜請求項７に記載の発明によれば、冷却媒体として、改質器における改質に用いられる蒸気生成用の改質水、改質器のバーナから排出された燃焼排ガス、あるいは改質器のバーナに供給する燃焼用のバーナ空気を用いることができるので、ＣＯ変成器を含む水素製造装置全体のエネルギー効率の向上が図れる。
【発明の効果】
【００２５】
以上のような本発明によれば、運転負荷の変動に影響されることなく、常に、２段目ＣＯ変成器に流入する改質ガスの温度を所定の温度範囲内に保ち、２段目ＣＯ変成器の触媒活性を最適な状態に維持することができるＣＯ変成器の温度制御システム及び温度制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
次に、本発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」と呼ぶ）について図面を参照して具体的に説明する。なお、図９に示した従来型と同一の部材には同一の符号を付して、説明は省略する。
【００２７】
（１）第１実施形態
（１−１）構成
図１は、本発明に係るＣＯ変成器の温度制御システムの第１実施形態の概略構成を示す図である。
【００２８】
すなわち、本実施形態においては、１段目ＣＯ変成器２と２段目ＣＯ変成器３の間に配設された中間熱交換器６の内部に冷却媒体を導入する冷却通路１００が、第１の冷却通路１００ａと第２の冷却通路１００ｂとに分岐されて構成されている。また、前記第２の冷却通路１００ｂの配管には、供給される冷却媒体の流量を調整するための制御弁１０が設けられると共に、２段目ＣＯ変成器３には温度センサー１１が取り付けられ、この温度センサー１１の検出値によって、前記制御弁１０の開度が調整されるように構成されている。
【００２９】
なお、本実施形態においては、冷却通路１００を２つに分岐させたが、２以上であればその個数は特に限定されない。また、前記第２の冷却通路１００ｂの配管に設けられた制御弁１０は、図１に示したように、中間熱交換器６に導入される前の第２の冷却通路１００ｂの配管に設けても良いし、中間熱交換器６から引き出された後の配管に設けても良い。
【００３０】
（１−２）作用・効果
上記のような構成を有する本実施形態においては、以下のようにして、入口改質ガス通路１０２を介して中間熱交換器６に流入し、出口改質ガス通路１０３を介して２段目ＣＯ変成器３に流入する改質ガスの温度を調整することができる。
【００３１】
例えば、定格運転時、中間熱交換器６の第２の冷却通路１００ｂの配管に設けられた制御弁１０は全開に設定されており、すべての冷却通路１００ａ、１００ｂには冷却媒体が供給され、これにより、２段目ＣＯ変成器３の改質ガス温度が所定温度以内に維持されている。
【００３２】
一方、低負荷運転時において、温度センサー１１により２段目ＣＯ変成器３の改質ガス温度が所定温度よりも低くなったことが検出された場合には、温度センサー１１より送出された検出信号を受けて制御弁１０が全閉され、第２の冷却通路１００ｂへの冷却媒体の供給が停止される。その結果、中間熱交換器６における熱交換面積が実質的に減少するため、１段目ＣＯ変成器２から流入する改質ガスの過冷却を防止することができるので、２段目ＣＯ変成器３に流入する改質ガスの温度を所定温度に維持することができる。
【００３３】
なお、温度センサー１１の検出値によっては、制御弁１０を全閉するだけでなく、制御弁１０を適当な開度に調整することによって、第２の冷却通路１００ｂへの冷却媒体の流入量を適宜調整することができることは言うまでもない。
【００３４】
このように本実施形態においては、２段目ＣＯ変成器３に流入する改質ガスの温度を監視し、この検出値に基づいて中間熱交換器６における熱交換能力を制御しているので、全負荷帯において、例えばＳ／Ｃ（水蒸気・炭素比）などの運転条件が変わった場合でも、２段目ＣＯ変成器３に流入する改質ガスの温度を、常に所定温度に維持することが可能となる。
【００３５】
また、運転負荷の変動に影響されることなく、常に、２段目ＣＯ変成器３の触媒層温度を最適な温度に保つことができるので、ＣＯ変成触媒の温度の低下を補償する外部ヒータの入力がないので、安定した発電出力を保つことができる。
【００３６】
（２）第２実施形態
（２−１）構成
本実施形態においては、上記第１実施形態と同様に、中間熱交換器６の内部に冷却媒体を導入する冷却通路１００が、第１の冷却通路１００ａと第２の冷却通路１００ｂとに分岐されて構成されている。また、前記第２の冷却通路１００ｂの配管には、供給される冷却媒体の流量を調整するための制御弁１０が設けられると共に、中間熱交換器６に改質ガスを導入する入口改質ガス通路１０２には、改質ガス流量センサー１５が取り付けられ、この改質ガス流量センサー１５の検出値によって、前記制御弁１０の開度が調整されるように構成されている。
【００３７】
なお、本実施形態においては、冷却通路１００を２つに分岐させたが、２以上であればその個数は特に限定されない。また、前記第２の冷却通路１００ｂの配管に設けられた制御弁１０は、図２に示したように、中間熱交換器６に導入される前の第２の冷却通路１００ｂの配管に設けても良いし、中間熱交換器６から引き出された後の配管に設けても良い。
【００３８】
（２−２）作用・効果
上記のような構成を有する本実施形態においては、２段目ＣＯ変成器３に流入する改質ガスの温度が所定温度範囲内になるように、予め、１段目ＣＯ変成器２から中間熱交換器６に流入する改質ガスの流量に対応づけて、第２の冷却通路１００ｂの配管に設けられた制御弁１０の開度を設定しておく。
【００３９】
これにより、実運転において、中間熱交換器６に流入する改質ガスの流量を改質ガス流量センサー１５で検出し、その検出値をフィードバックし、制御弁１０の開度を改質ガスの流量に対して最適な開度に調整することによって、第１の冷却通路１００ａ及び第２の冷却通路１００ｂを流れる冷却媒体の配分を調整し、２段目ＣＯ変成器３に流入する改質ガスが所定温度になるように制御することができる。
【００４０】
このように、本実施形態においては、上記第１実施形態と同様の効果が得られるだけでなく、中間熱交換器６に流入する改質ガスの流量、つまり運転負荷に対応させて制御弁１０の開度を設定するので、予め、運転負荷の多寡とそれに最適な制御弁１０の開度の関係を調べておけば、従来、２段目ＣＯ変成器３に設けていた温度センサー１１は不要となる。
【００４１】
（３）第３実施形態
（３−１）構成
本実施形態においては、上記第１実施形態と同様に、中間熱交換器６の内部に冷却媒体を導入する冷却通路１００が、第１の冷却通路１００ａと第２の冷却通路１００ｂとに分岐されて構成されている。そして、第２の冷却通路１００ｂの少なくとも一部分には断熱材１４を被覆する等の断熱施工が施され、その施工部分においては改質ガスと熱交換がなされないように構成されている。
【００４２】
また、前記第２の冷却通路１００ｂの配管には、供給される冷却媒体の流量を調整するための制御弁１０が設けられると共に、２段目ＣＯ変成器３には温度センサー１１が取り付けられ、この温度センサー１１の検出値によって、前記制御弁１０の開度が調整されるように構成されている。
【００４３】
なお、本実施形態においては、冷却通路１００を２つに分岐させたが、２以上であればその個数は特に限定されない。また、前記第２の冷却通路１００ｂの配管に設けられた制御弁１０は、図３に示したように、中間熱交換器６に導入される前の第２の冷却通路１００ｂの配管に設けても良いし、中間熱交換器６から引き出された後の配管に設けても良い。
【００４４】
（３−２）作用・効果
上記のような構成を有する本実施形態においては、以下のようにして、入口改質ガス通路１０２を介して中間熱交換器６に流入し、出口改質ガス通路１０３を介して２段目ＣＯ変成器３に流入する改質ガスの温度を調整することができる。
【００４５】
例えば、定格運転時には、中間熱交換器６の第２の冷却通路１００ｂの配管に設けられた制御弁１０は全閉に設定されており、冷却媒体のすべてを第１の冷却通路１００ａに供給させ、１段目ＣＯ変成器２から流入する改質ガスを冷却することにより、２段目ＣＯ変成器３の改質ガス温度が所定温度以内に維持されている。
【００４６】
一方、低負荷運転時には、温度センサー１１の検出値に基づいて制御弁１０の開度を調節し、断熱施工を実施した第２の冷却通路１００ｂに冷却媒体の一部を流すことにより、改質ガスとの熱交換量を制限し、２段目ＣＯ変成器３に流入する改質ガスの温度を調整することができる。
【００４７】
特に、冷却媒体が改質水である場合には、第１の冷却通路１００ａに流入する改質水が気液二相流の状態では一定温度まで冷却されてしまうので、制御弁１０の開度を調整することにより、改質ガスが過冷却されないように、第２の冷却通路１００ｂに供給される改質水の流量を調整することが望ましい。
【００４８】
なお、断熱施工した第２の冷却通路１００ｂを、中間熱交換器６内ではなく中間熱交換器６の外側に配置する構成も考えられるが、その場合、大気への放熱損が多くなり、中間熱交換器６の性能低下につながるため、上記の構成とすることが好ましい。
【００４９】
（４）第４実施形態
（４−１）構成
本実施形態においては、図４に示したように、中間熱交換器６に改質ガスを導入する入口改質ガス通路１０２を中間熱交換器６の上流側で分岐させ、その一方を、中間熱交換器６に接続される第１の入口改質ガス通路１０２ａとし、他方を、中間熱交換器６の外部へバイパスさせ、出口改質ガス通路１０３に接続される第２の入口改質ガス通路１０２ｂとする。そして、前記第１の入口改質ガス通路１０２ａに供給される改質ガスのみを、中間熱交換器６内部の冷却通路を流れる冷却媒体と熱交換させることによって冷却させるように構成されている。
【００５０】
また、前記第２の入口改質ガス通路１０２ｂには、その通路を流れる改質ガスの流量を調整するための制御弁１０が設けられると共に、２段目ＣＯ変成器３には温度センサー１１が取り付けられ、この温度センサー１１の検出値によって、前記制御弁１０の開度が調整されるように構成されている。
【００５１】
（４−２）作用・効果
上記のような構成を有する本実施形態においては、例えば、定格運転時には、第２の入口改質ガス通路１０２ｂに設けられた制御弁１０は全閉に設定されており、１段目ＣＯ変成器２から供給される改質ガスのすべてを中間熱交換器６に導入して冷却することにより、２段目ＣＯ変成器３の改質ガス温度が所定温度以内に維持されている。
【００５２】
一方、低負荷運転時には、温度センサー１１の検出値に基づいて、第２の入口改質ガス通路１０２ｂに設けられた制御弁１０の開度を調節することにより、第１の入口改質ガス通路１０２ａに流れる改質ガスと第２の入口改質ガス通路１０２ｂに流れる改質ガスの流量比を調整し、２段目ＣＯ変成器３に流入する改質ガスの温度が所定温度になるように制御することができる。
【００５３】
（５）他の実施形態
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、以下のように構成することもできる。例えば、図５に示したように、第２の冷却通路１００ｂを中間熱交換器６の外側に配置し、２段目ＣＯ変成器３設けた温度センサー１１の検出値に基づいて第２の冷却通路１００ｂに設けた制御弁１０の開度を調節することにより、中間熱交換器６の冷却能力を調節するように構成しても良い。
【００５４】
また、図６に示したように、冷却通路１００に流す冷却媒体として、改質に必要な蒸気を生成するための改質水を使用しても良い。すなわち、定格運転時には、水蒸気発生装置８で熱交換されて加熱された改質水を、中間熱交換器６に設けられた２つの冷却通路１００ａ、１００ｂの両方に流す。一方、低負荷運転時には、制御弁１０を全閉して第２の入口改質ガス通路１０２ｂに改質水が供給されないようにして、中間熱交換器６の冷却能力を低減させる。これにより、２段目ＣＯ変成器３に流入する改質ガスの温度が、常に所定温度になるように制御することができる。
【００５５】
また、図７に示したように、冷却通路１００に流す冷却媒体として、水蒸気発生装置８を出た後の燃焼排ガス２３を使用しても良い。この燃焼排ガス２３の温度は１２０℃〜１５０℃であり、冷却媒体として適当である。なお、図７においては、中間熱交換器６に導入した燃焼排ガスは、中間熱交換器６で熱交換させた後、そのまま排気しているが、そのまま排気しないで、例えば、改質水あるいはバーナ空気等と熱交換させ、燃焼排ガスの温度をさらに下げることで、さらなる効率の向上を図ることも可能である。
【００５６】
さらに、図８に示すように、冷却通路１００に流す冷却媒体として、前記改質器バーナに供給する燃焼用のバーナ空気２０を使用しても良い。この場合、周辺環境、特に気温によってバーナ空気２０の温度は変化するので、制御弁１０は同じ負荷でも運転の時期、時間帯によって開度設定に相違があるが、バーナ空気２０は、他の冷却媒体と比較して温度が低い（〜４０℃程度）ため、伝熱面積を大きくする必要がなく、中間熱交換器６内部の冷却通路１００ａ，１００ｂを小さくすることが可能である。さらに、中間熱交換器６を経て改質器１に供給されるバーナ空気２０の温度が高くなるので、バーナ燃焼温度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明に係るＣＯ変成器の温度制御システムの第１実施形態の要部の構成を示す概略図
【図２】本発明に係るＣＯ変成器の温度制御システムの第２実施形態の要部の構成を示す概略図
【図３】本発明に係るＣＯ変成器の温度制御システムの第３実施形態の要部の構成を示す概略図
【図４】本発明に係るＣＯ変成器の温度制御システムの第４実施形態の要部の構成を示す概略図
【図５】本発明に係るＣＯ変成器の温度制御システムの他の実施形態の構成を示す概略図
【図６】本発明に係るＣＯ変成器の温度制御システムの他の実施形態の構成を示す概略図
【図７】本発明に係るＣＯ変成器の温度制御システムの他の実施形態の構成を示す概略図
【図８】本発明に係るＣＯ変成器の温度制御システムの他の実施形態の構成を示す概略図
【図９】従来の２段構成のＣＯ変成器を備えた水素製造装置の構成を示す概略図
【符号の説明】
【００５８】
１…改質器
２…１段目ＣＯ変成器
３…２段目ＣＯ変成器
４…ＣＯ除去器
５…原燃料予熱器
６…中間熱交換器
７…ＣＯ除去器前熱交換器
８…水蒸気発生器
９…水蒸気分離器
１０…制御弁
１１…温度センサー
１２…ヒータ
１３…水蒸気比例弁
１４…断熱材
１５…流量センサー
２０…燃焼用バーナ空気
２１…バーナ燃料
２２…改質器出口燃焼排ガス
２３…水蒸気発生器出口燃焼排ガス
１００…冷却通路
１００ａ…第１の冷却通路
１００ｂ…第２の冷却通路
１０１…出口側冷却通路
１０２…入口改質ガス通路
１０２ａ…第１の入口改質ガス通路
１０２ｂ…第２の入口改質ガス通路
１０３…出口改質ガス通路
【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】
2007063102.tif 000010
【図９】
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