(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の側面に、プレート状の熱電変換素子４を、反応容器１内の触媒に熱を伝達するように設ける。反応容器１の所定箇所に触媒の温度を測定する触媒温度センサ５を設け、その触媒温度センサ５をコントローラ６に接続するとともにコントローラ６に熱電変換素子４を接続する。これにより、起動時には、熱電変換素子４に通電して反応容器１内の触媒を加熱し、運転中に反応容器１内の触媒温度が設定温度以上に上昇したときには吸熱により冷却する。【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、
前記反応容器内の触媒に熱を伝達するように設けた熱電変換素子と、
起動時には、前記熱電変換素子に通電して前記反応容器内の触媒を加熱し、運転中に前記反応容器内の触媒温度が設定温度以上に上昇したときには吸熱により冷却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】
運転中の吸熱冷却時に前記熱電変換素子で発生する電力を回収する発電電力回収手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載ＣＯ除去装置。
【請求項３】
前記熱電変換素子を、加熱専用部分と、冷却専用部分とに分担して設置して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】
運転中に前記熱電変換素子の発熱側となる箇所に、発熱した熱を吸収する熱吸収手段を設け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、２、３、４、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、
前記反応容器内の触媒に熱を伝達するように設けた熱電変換素子と、
起動時には、前記熱電変換素子に通電して前記反応容器内の触媒を加熱し、運転中に前記反応容器内の触媒温度が設定温度以上に上昇したときには吸熱により冷却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熱電変換素子に通電して加熱し、触媒の温度を上昇させることができる。一方、反応が進んで触媒の温度が設定温度以上に上昇したときには、吸熱によって発熱域の触媒を冷却し、触媒の温度が設定以上になることを防止することができる。
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電変換素子が吸熱して発熱域の触媒を冷却し、反応容器内での発熱域がどこであれ、その発熱域を冷却でき、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、通電と吸熱とによって行うから、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応答性に優れて制御の信頼性を向上できる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、
運転中の吸熱冷却時に前記熱電変換素子で発生する電力を回収する発電電力回収手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載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、吸熱冷却によって発生する電力を回収して利用するから、電力消費量を少なくできる。このＣＯ除去装置を燃料電池に組み込んだ場合は、燃料電池の発電効率を向上できる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、
前記熱電変換素子を、加熱専用部分と、冷却専用部分とに分担して設置して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、加熱制御および冷却制御それぞれに適したものに構成でき、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。
【００１２】
請求項４に係る発明は、
運転中に前記熱電変換素子の発熱側となる箇所に、発熱した熱を吸収する熱吸収手段を設け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、熱電変換素子で反応容器内の触媒を冷却するときに、その発熱側で熱を吸収するから、発熱側で自然放熱させる場合に比べて冷却効果を向上できる。
【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、改質ガス中の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熱電変換素子に通電して加熱し、触媒の温度を上昇させることができる。一方、反応が進んで触媒の温度が設定温度以上に上昇したときには、吸熱によって発熱域の触媒を冷却し、触媒の温度が設定以上になることを防止することができる。
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電変換素子が吸熱して発熱域の触媒を冷却し、反応容器内での発熱域がどこであれ、その発熱域を冷却でき、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、通電と吸熱とによって行うから、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応答性に優れて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の側面に、プレート状の熱電変換素子４が、反応容器１内の触媒に熱を伝達するように設けられている。
反応容器１の所定箇所に触媒の温度を測定する触媒温度センサ５が設けられ、その触媒温度センサ５が触媒温度制御手段としてのコントローラ６に接続されるとともにコントローラ６に熱電変換素子４が接続されている。
上記構成により、起動時には、熱電変換素子４に通電して反応容器１内の触媒を加熱し、運転中に反応容器１内の触媒温度が設定温度（例えば、１５０℃）以上に上昇したときには吸熱により冷却するようになっている。
【００２５】
熱電変換素子４に、直流電流の電圧を昇圧あるいは降圧する電圧変換装置７が接続されるとともに、電圧変換装置７に直流電流を交流電流に変換する直−交変換（Ｄ−Ａ）インバータ８が接続され、運転中の吸熱冷却時に熱電変換素子４で発生する電力を回収するように発電電力回収手段９が構成されている。
直−交変換インバータ８には燃料電池１０が接続され、電圧変換装置７および燃料電池１０それぞれからの直流電流を交流電流に変換するように兼用構成されている。電圧変換装置７としては、直−交変換インバータ８に組み込まれているものでも良い。
【実施例２】
【００２６】
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、運転中の吸熱時に熱電変換素子４の発熱側となる箇所に、発熱した熱を吸収する熱吸収手段としての放熱器２１が設けられている。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。実施例１における、熱電変換素子４で発電した電力を回収する構成については省略している。
【実施例３】
【００２７】
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。実施例１における、熱電変換素子４で発電した電力を回収する構成については省略している。
【００２８】
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】
【００２９】
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。
上記ＣＯ選択酸化器６０において、その外側面に熱電変換素子４が付設されている。
【００３０】
上記実施例では、ひとつの熱電変換素子４を反応容器１に設けているが、熱電変換素子を、加熱専用部分と冷却専用部分とに分担して設置するようにしても良い。このように分担構成にすれば、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利点がある。
【００３１】
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】
【００３２】
１…反応容器
２…改質ガス供給管
４…熱電変換素子
６…コントローラ（触媒温度制御手段）
９…発電電力回収手段
２１…放熱器（熱吸収手段）
３１…凝縮器（熱交換器）
３２…ドレン排出器
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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