(57)【要約】【課題】局部的な発熱や発電負荷の変化による発熱域の変化に良好に対応できるとともに、制御の信頼性を向上できるようにする。【解決手段】反応容器１を上下に貫通して、気液相変化する熱媒体を封入した熱制御管４を設ける。熱制御管４の下部には、電気ヒータ５を、上部には、放熱器６とその放熱器６に冷風を送る冷却ファン７をそれぞれ設ける。熱制御管４の下方側に第１の温度センサ８を、上方側に第２の温度センサ９をそれぞれ設け、第１および第２の温度センサ８，９に、コントローラ１０を接続し、そのコントローラ１０と電気ヒータ５および冷却ファン７を接続し、第１および第２の温度センサ８，９で測定する熱媒体の温度に基づいて電気ヒータ５および冷却ファン７を作動して、触媒の温度を設定範囲内に維持する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料を改質して得られる水素を主成分とする改質ガス中のＣＯを、反応容器内に充填した触媒により反応させてＣＯ濃度を低減するＣＯ除去装置において、
管内で相変化する熱媒体を封入し前記反応容器内の触媒に熱媒体の熱を伝達するように設けた熱制御管と、
前記熱制御管内の熱媒体を加熱して熱媒体を気化する加熱手段と、
前記熱制御管内の熱媒体を冷却して気体状の熱媒体を液化する冷却手段と、
前記触媒の温度を測定する触媒温度測定手段と、
前記触媒温度測定手段で測定された前記触媒の温度に基づいて、前記触媒の温度が設定範囲内に維持されるように前記加熱手段または前記冷却手段の作動を制御する触媒温度制御手段と、
を備えたことを特徴とするＣＯ除去装置。
【請求項２】
前記加熱手段が、電気ヒータ、燃焼排気ガスによる熱交換手段、通電により熱を発生する熱電変換素子のうちの少なくともひとつを用いるものであり、
前記冷却手段が、燃料電池冷却水による冷却水熱交換手段、燃料電池冷却用２次冷却水による２次冷却水熱交換手段、改質装置に供給する改質原燃料による改質原燃料熱交換手段、水蒸気改質用の水による改質水熱交換手段、燃料電池から排出される未反応燃料を燃焼させる空気による燃焼空気熱交換手段、部分燃焼と水蒸気改質を組み合わせた改質器で使用される触媒燃焼用空気による触媒燃焼用空気熱交換手段、改質装置の周囲空気への放熱による周囲空気熱交換手段のうちの少なくともひとつを用いるものであることを特徴とする請求項１に記載のＣＯ除去装置。
【請求項３】
前記熱媒体が、ＣＯ除去反応が進行する温度域に達すると、液相から気相に相変化する水、電解質液、熱媒油のうちの少なくともひとつから選ばれるものであることを特徴とする請求項１または２に記載のＣＯ除去装置。
【請求項４】
前記熱制御管を、加熱専用熱制御管と、冷却専用熱制御管とに分担して設置してあることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のＣＯ除去装置。
【請求項５】
前記反応容器に改質ガスを供給する改質ガス供給管に熱交換器とドレン排出器を設置し、前記反応容器に供給される改質ガス中の水の露点を３０〜６０℃に調整することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のＣＯ除去装置。
【請求項６】
請求項１から５の何れかに記載のＣＯ除去装置と、改質反応済みの燃料ガス中のＣＯを水素に変換するＣＯ変成器とを平板積層型に構成してあることを特徴とする燃料改質システム。
【請求項７】
請求項１から５の何れかに記載のＣＯ除去装置を備えて構成してあることを特徴とする燃料改質システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原燃料を改質して得られる水素を主成分とする改質ガス中のＣＯを、反応容器内に充填した触媒により反応させてＣＯ濃度を低減するＣＯ除去装置、および、それを備えた燃料改質システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＯ除去装置では、ＣОをメタン化する反応に際して触媒によりある程度の温度に昇温させる必要がある反面、昇温しすぎると、メタン化反応が発熱反応であることから、反応速度が増加することで熱暴走に至る危険性があり、触媒層の温度を、熱暴走に至らない温度以下に抑えるように厳密に制御する必要があった。
そこで、従来では、触媒を充填した反応容器に隣接させて、その反応容器を冷却するために燃焼用空気などの冷却用流体を通流する冷却用流体通流部を設け、そこに燃焼用空気を流して冷却するように構成している。（特許文献１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４０６３４３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、触媒層では、発電負荷の変化によって反応域、すなわち、発熱域が変化する。このような発熱域の変化に対応させようとすると、触媒層に対して所望箇所を冷却できるように、燃焼用空気の通路を多数分岐させ、昇温した箇所に集中して燃焼用空気を供給するようにしなければならないなど、その制御構成が複雑化するとともに、迅速に燃焼用空気を供給することが難しく信頼性が低下する不都合があった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、請求項１に係る発明は、局部的な発熱や発電負荷の変化による発熱域の変化に良好に対応できるとともに、制御の信頼性を向上できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る発明は、上述のような目的を達成するために、
原燃料を改質して得られる水素を主成分とする改質ガス中のＣＯを、反応容器内に充填した触媒により反応させてＣＯ濃度を低減するＣＯ除去装置において、
管内で相変化する熱媒体を封入し前記反応容器内の触媒に熱媒体の熱を伝達するように設けた熱制御管と、
前記熱制御管内の熱媒体を加熱して熱媒体を気化する加熱手段と、
前記熱制御管内の熱媒体を冷却して気体状の熱媒体を液化する冷却手段と、
前記触媒の温度を測定する触媒温度測定手段と、
前記触媒温度測定手段で測定された前記触媒の温度に基づいて、前記触媒の温度が設定範囲内に維持されるように前記加熱手段または前記冷却手段の作動を制御する触媒温度制御手段と、
を備えたことを特徴としている。
【０００７】
（作用・効果）
請求項１に係る発明のＣＯ除去装置の構成によれば、起動時で触媒の温度が低いときには加熱手段で熱媒体を加熱して気化し、触媒への伝熱により熱媒体が凝縮して凝縮潜熱を与えて触媒の温度を上昇させ、触媒を設定範囲内の温度に維持することができる。一方、反応が進んで触媒の温度が設定範囲を超えて発熱すると、冷却手段により熱制御管内の気体状の熱媒体を液化し、反応容器の発熱域に近接した熱媒体が蒸発し、気化潜熱によって発熱域の触媒を冷却し、触媒を設定範囲内の温度に維持することができる。
したがって、局部的な発熱であっても、また、発電負荷の変化により発熱域が変化しても、その発熱域に近接した熱媒体が蒸発し、気化潜熱によって発熱域の触媒を冷却し、熱制御管内で熱媒体が自由に移動して必要量の熱媒体が自ずと発熱域に集まって行くことになり、局部的な発熱や発電負荷の変化による発熱域の変化に良好に対応でき、熱暴走を回避することができる。
また、反応容器内の触媒の温度制御は、熱制御管内の熱媒体を気化するか液化するかによって行うから、熱制御管の下部に対して加熱手段を設けるとともに上部に対して冷却手段を設け、それらの加熱手段および冷却手段を制御しさえすれば良く、反応容器の全体にわたるように伝熱部材を設けるといったことが不要で、構成を簡単にできるとともに制御の信頼性を向上できる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、
前記加熱手段が、電気ヒータ、燃焼排気ガスによる熱交換手段、通電により熱を発生する熱電変換素子のうちの少なくともひとつを用いるものであり、
前記冷却手段が、燃料電池冷却水による冷却水熱交換手段、燃料電池冷却用２次冷却水による２次冷却水熱交換手段、改質装置に供給する改質原燃料による改質原燃料熱交換手段、水蒸気改質用の水による改質水熱交換手段、燃料電池から排出される未反応燃料を燃焼させる空気による燃焼空気熱交換手段、部分燃焼と水蒸気改質を組み合わせた改質器で使用される触媒燃焼用空気による触媒燃焼用空気熱交換手段、改質装置の周囲空気への放熱による周囲空気熱交換手段のうちの少なくともひとつを用いるものであることを特徴とする請求項１に記載のＣＯ除去装置である。
【０００９】
（作用・効果）
請求項２に係る発明のＣＯ除去装置の構成によれば、加熱手段および冷却手段それぞれを熱制御管の下部や上部に設ければ良いから、ＣＯ除去装置の設置場所や用途など、状況に応じ、加熱手段および冷却手段それぞれとして、上述の複数種の内から適宜好適なものを選択して用いることができ、装置を安価に構成できて経済的である。
【００１０】
請求項３に係る発明は、
前記熱媒体が、ＣＯ除去反応が進行する温度域に達すると、液相から気相に相変化する水、電解質液、熱媒油のうちの少なくともひとつから選ばれるものであることを特徴とする請求項１または２に記載のＣＯ除去装置である。
【００１１】
（作用・効果）
請求項３に係る発明のＣＯ除去装置の構成によれば、熱媒体として、上述のように入手が容易で、ＣＯ除去反応が進行する温度域に圧力調整などで容易に対処できるものを選択して用いることができ、装置を安価に構成できて経済的である。
【００１２】
請求項４に係る発明は、
前記熱制御管を、加熱専用熱制御管と、冷却専用熱制御管とに分担して設置してあることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のＣＯ除去装置である。
【００１３】
（作用・効果）
請求項４に係る発明のＣＯ除去装置の構成によれば、熱媒体の封入圧力を加熱専用熱制御管と冷却専用熱制御管とで個別に調整するなど、加熱制御および冷却制御それぞれに適した構成のものを使用でき、簡単な構成でありながら制御の信頼性を一層向上できる。
【００１４】
請求項５に係る発明は、
前記反応容器に改質ガスを供給する改質ガス供給管に熱交換器とドレン排出器を設置し、前記反応容器に供給される改質ガス中の水の露点を３０〜６０℃に調整することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のＣＯ除去装置である。
改質ガス中の水の露点が３０℃未満になると、大きな冷却設備が必要で高価になり、一方、水の露点が６０℃を越えると、水蒸気量が増加して平衡反応的に不利になりＣＯ除去率が低下するからである。
【００１５】
（作用・効果）
請求項５に係る発明のＣＯ除去装置の構成によれば、反応容器に供給される改質ガス中の共存水蒸気をドレン排出器によって除去し、ＣＯメタン化反応（ＣＯ＋３Ｈ２＝ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ）の逆行を抑えることができる。
したがって、ＣＯ除去を促進でき、かつ、冷却設備を大型化せずに済んで経済的であるとともにＣＯ除去率を向上できる。
【００１６】
請求項６に係る発明は、
請求項１から５の何れかに記載のＣＯ除去装置と、改質反応済みの燃料ガス中のＣＯを水素に変換するＣＯ変成器とを平板積層型に構成してあることを特徴とする燃料改質システムである。
【００１７】
（作用・効果）
請求項６に係る発明の燃料改質システムの構成によれば、ＣＯ除去装置とＣＯ変成器とを平板積層型に構成するから、燃料改質システムをコンパクトに構成できる。
【００１８】
請求項７に係る発明は、
請求項１から５の何れかに記載のＣＯ除去装置を備えて構成してあることを特徴とする燃料改質システムである。
【００１９】
（作用・効果）
請求項７に係る発明の燃料改質システムの構成によれば、ＣＯ除去装置におけるＣＯ除去率を向上できて改質ガス中のＣＯ濃度を低減できる。例えば、この燃料改質システムを備えて固体高分子形燃料電池を構成すれば、発電効率を向上できる。
【発明の効果】
【００２０】
以上の説明から明らかなように、請求項１に係る発明のＣＯ除去装置の構成によれば、起動時で触媒の温度が低いときには加熱手段で熱媒体を加熱して気化し、触媒への伝熱により熱媒体が凝縮して凝縮潜熱を与えて触媒の温度を上昇させ、触媒を設定範囲内の温度に維持することができる。一方、反応が進んで触媒の温度が設定範囲を超えて発熱すると、冷却手段により熱制御管内の気体状の熱媒体を液化し、反応容器の発熱域に近接した熱媒体が蒸発し、気化潜熱によって発熱域の触媒を冷却し、触媒を設定範囲内の温度に維持することができる。
したがって、局部的な発熱であっても、また、発電負荷の変化により発熱域が変化しても、その発熱域に近接した熱媒体が蒸発し、気化潜熱によって発熱域の触媒を冷却し、熱制御管内で熱媒体が自由に移動して必要量の熱媒体が自ずと発熱域に集まって行くことになり、局部的な発熱や発電負荷の変化による発熱域の変化に良好に対応でき、熱暴走を回避することができる。
また、反応容器内の触媒の温度制御は、熱制御管内の熱媒体を気化するか液化するかによって行うから、熱制御管の下部に対して加熱手段を設けるとともに上部に対して冷却手段を設け、それらの加熱手段および冷却手段を制御しさえすれば良く、反応容器の全体にわたるように伝熱部材を設けるといったことが不要で、構成を簡単にできるとともに制御の信頼性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る実施例１のＣＯ除去装置の概略構成を示す全体概略断面図である。
【図２】本発明に係る実施例２のＣＯ除去装置の概略構成を示す全体概略断面図である。
【図３】本発明に係る実施例３のＣＯ除去装置の概略構成を示す全体概略断面図である。
【図４】本発明に係る実施例４の燃料改質システムの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２３】
図１は、本発明に係る実施例１のＣＯ除去装置の概略構成を示す全体概略断面図であり、触媒を充填した反応容器１の下部に、炭化水素、メタノールなどの原燃料を改質して得られる水素を主成分とする改質ガスを供給する改質ガス供給管２が設けられ、一方、反応容器１の上部に、ＣＯ除去ガスを取出すＣＯ除去ガス取出管３が設けられ、改質ガス中のＣＯを触媒により水素と反応させることによりメタン化してＣＯ濃度を低減するＣＯ除去装置が構成されている。
【００２４】
反応容器１を上下に貫通して、気液相変化する熱媒体を封入した熱制御管４が設けられ、反応容器内の触媒に熱媒体の熱を伝達するように構成されている。熱制御管４の下部には、起動時に熱媒体を加熱して熱媒体を気化するための加熱手段としての電気ヒータ５が付設されている。熱制御管４の上部には、放熱器６とその放熱器６に冷風を送る冷却ファン７とが設けられている。この放熱器６と冷却ファン７とによって、熱媒体を冷却して気体状の熱媒体を液化する冷却手段が構成されている。
【００２５】
熱制御管４の下方側の下端から所定高さ上方箇所に第１の温度センサ８が設けられ、一方、熱制御管４の上方側の上端から所定高さ下方箇所に第２の温度センサ９が設けられ、熱制御管４内の熱媒体の温度を測定することで実質的に反応容器１内の触媒の温度を測定する触媒温度測定手段が構成されている。
第１および第２の温度センサ８，９に、触媒温度制御手段としてのコントローラ１０が接続され、そのコントローラ１０と電気ヒータ５および冷却ファン７が接続されている。
【００２６】
上記構成により、第１の温度センサ８で測定した温度が熱媒体の液相温度状態であるときには電気ヒータ５を作動することにより熱媒体を加熱して反応容器１内の触媒にその温度を高くするように伝熱し、一方、第２の温度センサ９で測定した温度が熱媒体の気相温度状態であるときには冷却ファン７を起動することにより熱媒体を冷却して反応容器１内の触媒にその温度を低くするように伝熱し、触媒の温度を設定範囲内に維持するようになっている。
【実施例２】
【００２７】
図２は、本発明に係る実施例２のＣＯ除去装置の概略構成を示す全体概略断面図であり、実施例１と異なるところは次の通りである。
すなわち、熱制御管２１が、加熱専用熱制御管２２と、冷却専用熱制御管２３とに分担して設置されている。他の構成は実施例１と同じであり、同一図番を付してその説明は省略する。
【００２８】
この実施例２によれば、加熱専用熱制御管２２および冷却専用熱制御管２３それぞれ内に封入する熱媒体の圧力を変えることができるなど、加熱制御および冷却制御それぞれに適した構成のものを使用でき、簡単な構成でありながら制御の信頼性を一層向上できる。
【実施例３】
【００２９】
図３は、本発明に係る実施例３のＣＯ除去装置の概略構成を示す全体概略断面図であり、実施例１と異なるところは次の通りである。
すなわち、反応容器１に改質ガスを供給する改質ガス供給管２に、熱交換器としての凝縮器３１とドレン排出器３２とが設置され、かつ、反応容器１に供給される改質ガス中の水の露点を３０〜６０℃に調整するように構成されている。他の構成は実施例１と同じであり、同一図番を付してその説明は省略する。
【００３０】
この実施例３によれば、反応容器１に供給される改質ガス中の共存水蒸気をドレン排出器３２によって除去し、ＣＯメタン化反応（ＣＯ＋３Ｈ２＝ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ）の逆行を抑えることができる。
また、水の露点を３０℃〜６０℃に調整するから冷却設備を大型化せずに済んで経済的であるとともにＣＯ除去率を向上できる。
【実施例４】
【００３１】
図４は、本発明に係る実施例４の燃料改質システムの断面図であり、ＣＯ除去装置とＣＯ変成器とを平板積層型に構成したものであり、次に詳述する。
すなわち、双空間具備容器で構成される水蒸気生成部４１とそれを加熱する燃焼排ガス通流部４２、第１の断熱材４３、双空間具備容器で構成される燃焼反応部４４と改質反応器４５、単空間具備容器で構成される保温用改質ガス通流部４６、第２の断熱材４７、双空間具備容器で構成される被改質ガス通流部４８と上流側改質ガス通流部４９、第３の断熱材５０、双空間具備容器で構成される脱硫器５１と原燃料通流部５２、双空間具備容器で構成される下流側改質ガス通流部５３と第１のＣＯ変成器５４、双空間具備容器で構成される第２のＣＯ変成器５５と燃焼排ガス通流部４２を経た低温の燃焼排ガスを流す燃焼排ガス通流部５６、双空間具備容器で構成される第３のＣＯ変成器５７と第４のＣＯ変成器５８、第４の断熱材５９、および、双空間具備容器の半分を利用した反応容器としてのＣＯ選択酸化器６０が積層されて燃料改質システムが構成されている。図中６１は、
【００３２】
上記ＣＯ選択酸化器６０に、上下に貫通するとともに図面上奥行き方向に数本並んで熱制御管４が設けられ、その熱制御管４の下部に電気ヒータ５が、そして上部に放熱器６がそれぞれ付設されている。
【００３３】
熱制御管４の下部で熱媒体を加熱する加熱手段としては、上述実施例のような電気ヒータ５に限らず、例えば、燃焼排気ガスによる熱交換手段や、通電により熱を発生する熱電変換素子などが適用できる。
また、熱制御管４の下部で熱媒体を冷却する冷却手段としては、上述実施例のような放熱器６による冷却構成に限らず、燃料電池冷却水による冷却水熱交換手段、燃料電池冷却用２次冷却水による２次冷却水熱交換手段、改質装置に供給する改質原燃料による改質原燃料熱交換手段、水蒸気改質用の水による改質水熱交換手段、燃料電池から排出される未反応燃料を燃焼させるために供給する空気による燃焼空気熱交換手段、部分燃焼と水蒸気改質を組み合わせた改質器で使用するために供給する触媒燃焼用空気による触媒燃焼用空気熱交換手段、改質装置の周囲空気への放熱による周囲空気熱交換手段などが適用できる。
【００３４】
熱制御管４に封入する熱媒体としては、ＣＯ除去反応が進行する温度域に達すると、液相から気相に相変化するものであれば良く、水、電解質液、熱媒油（代替フロン）などが適用できる。
【００３５】
上記実施例４では、ＣＯ選択酸化器６０を備えた平板積層型の燃料改質システムを示したが、本発明のＣＯ除去装置としては、ＣＯをメタン化反応あるいは選択酸化反応のいずれでＣＯ濃度を低減するものでも良く、また、燃料改質システムとしては、いずれかのタイプのＣＯ除去装置を備えるものであれば良い。
【符号の説明】
【００３６】
１…反応容器
２…改質ガス供給管
４…熱制御管
５…電気ヒータ（加熱手段）
６…放熱器（冷却手段）
７…冷却ファン（冷却手段）
８…第１の温度センサ（触媒温度測定手段）
９…第２の温度センサ（触媒温度測定手段）
１０…コントローラ（触媒温度制御手段）
２１…熱制御管
２２…加熱専用熱制御管
２３…冷却専用熱制御管
５４…第１のＣＯ変成器
５５…第２のＣＯ変成器
５７…第３のＣＯ変成器
５８…第４のＣＯ変成器
６０…ＣＯ選択酸化器（反応容器）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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