JP2008120678A - 一酸化炭素選択酸化装置と水蒸気生成装置とのコンバインシステム並びに燃料改質装置システム - Google Patents

Abstract

【課題】始動時に十分な量の水蒸気を迅速に得ると共に一酸化炭素を水素に優先して酸化する一酸化炭素選択酸化装置の温度を適正な温度に保持する。
【解決手段】燃料改質装置システム２０のＣＯ選択酸化部３０を冷却する系統として、ＣＯ選択酸化部３０の第１冷却通路３４に接続され冷却水を水蒸気として取り出し可能な第１冷却系統４０と、第２冷却通路３６を含む循環管路に冷却媒体を循環させて冷却する第２冷却系統５０とを備える。システムの始動時には、フラップ３８により第１冷却通路３４内の冷却水が熱量を多く受け取れるよう水素リッチガスの流路を変更し、冷却水を迅速に加熱して必要な量の水蒸気を迅速に取り出す。定常運転状態に至ったら、第２冷却系統５０によりＣＯ選択酸化部３０を冷却し、その際の熱により水蒸気生成器６０内の水を加熱して必要な量の水蒸気を安定して得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、一酸化炭素選択酸化装置およびこれと水蒸気生成装置とのコンバインシステム並びに燃料改質装置システムに関し、詳しくは、水素リッチガス中の一酸化炭素を水素に優先して酸化する一酸化炭素選択酸化装置および水素リッチガス中の一酸化炭素を水素に優先して酸化する一酸化炭素選択酸化装置と水蒸気を生成する水蒸気生成装置のコンバインシステム並びに炭化水素系の燃料を水蒸気改質により水素リッチガスを生成する改質器と一酸化炭素選択酸化装置とを備える燃料改質装置システムに関する。

従来、この種の一酸化炭素選択酸化装置としては、水素リッチガス中の一酸化炭素を選択的に酸化する触媒を保持する反応槽を、この反応槽内部に設けられた流路に冷却水を流すことによって冷却するものが提案されている（例えば、特開平７−１８５３０３号公報など）。この装置では、水素リッチガス中の一酸化炭素が主に酸化される反応槽の入り口付近に冷却水の流路が設けられており、この入り口付近を主に冷却することにより反応槽を触媒が活性化する温度領域に保持しようとしている。

また、従来の燃料改質装置としては、加温された水との接触により改質器に供給する空気や炭化水素系の燃料を加湿するものが提案されている（例えば、特開平１０−３３０１０１号公報など）。この装置では、改質器に供給される水蒸気は、改質により得られる水素リッチガスを燃料として発電する燃料電池の冷却に用いた温水に空気を接触させて加湿することにより行なわれる。

しかしながら、こうした一酸化炭素選択酸化装置では、反応槽を均一な温度に保持するのが困難であるという問題があった。水素リッチガスの流量の変化に伴って反応槽における一酸化炭素の選択酸化反応に寄与する部位が変化するが、冷却水の流路が主に反応槽の入り口付近に設けられているため、この変化に対応することができない。

また、前述の燃料改質装置では、炭化水素系の燃料を改質するのに必要な十分な水蒸気を改質器に供給することができない場合を生じるという問題があった。燃料電池の冷却に用いられた温水は、例えば固体高分子型燃料電池の場合、燃料電池の動作温度が８０℃程度であるため、加湿される空気は８０℃における飽和水蒸気圧までしか加湿することができない。この８０℃における飽和水蒸気圧では、炭化水素系の燃料としてメタンを想定した場合、水蒸気のメタンに対するモル比（水蒸気のモル数／メタンのモル数）は１．５程度しかなく、改質反応に必要十分な量に至らない。

なお、こうした問題に対して、少なくともその一部を解決するものとして、出願人は、冷却水を反応槽と熱交換可能な状態で保持すると共にこの冷却水を水蒸気として取り出し改質器に供給する装置を提案している（特願平８−３５５３８１号）。

本発明の一酸化炭素選択酸化装置は、反応槽の温度管理を適切に行なうことを目的の一つとする。本発明の一酸化炭素選択酸化装置は、始動時に迅速に適正な温度にすることを目的の一つとする。

本発明の燃料改質装置システムは、改質器に十分な水蒸気を供給することを目的の一つとする。また、本発明の燃料改質装置システムは、始動時の立ち上げを迅速に行なうことを目的の一つとする。さらに、本発明の燃料改質装置システムは、エネルギ効率の向上を目的の一つとする。

本発明の一酸化炭素選択酸化装置と水蒸気生成装置のコンバインシステムは、効率よく水蒸気を得ることを目的の一つとする。また、本発明の一酸化炭素選択酸化装置と水蒸気生成装置のコンバインシステムは、始動時に迅速に水蒸気を得ることを目的の一つとする。さらに、本発明の一酸化炭素選択酸化装置と水蒸気生成装置のコンバインシステムは、一酸化炭素を酸化する反応槽の温度を適正な温度にすることを目的の一つとする。

本発明の一酸化炭素選択酸化装置およびこれと水蒸気生成装置とのコンバインシステム並びに燃料改質装置システムは、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。

本発明の一酸化炭素選択酸化装置は、水素リッチガス中の一酸化炭素を水素に優先して酸化する一酸化炭素選択酸化装置であって、前記酸化を行なう触媒が充填された反応槽を冷却する複数の冷却系統と、該複数の冷却系統による冷却を制御する冷却制御手段とを備えることを要旨とする。

この本発明の一酸化炭素選択酸化装置では、水素リッチガス中の一酸化炭素を水素に優先して酸化する触媒が充填された反応槽を複数の冷却系統によって冷却する。したがって、反応槽の冷却を多様化することができ、反応槽の状態に応じて的確な冷却を行なうことができる。

こうした本発明の一酸化炭素選択酸化装置において、前記複数の冷却系統は、各々異なる冷却媒体を用いて前記反応槽を冷却する冷却系統であるものとすることもできる。この態様の本発明の一酸化炭素選択酸化装置において、前記冷却制御手段は、該一酸化炭素選択酸化装置の始動時に前記複数の冷却系統のうちの第１の冷却系統により前記反応槽が冷却されるよう該複数の冷却系統を制御する手段であるものとしたり、更に、該一酸化炭素選択酸化装置の始動が終了した後、前記複数の冷却系統の前記第１の冷却系統とは異なる第２の冷却系統により前記反応槽が冷却されるよう該複数の冷却系統を制御する手段であるものとすることもできる。第１の冷却系統と第２の冷却系統を適当に設計することにより、始動時でも始動後でも反応槽を適正な温度とすることができる。

この第１の冷却系統と第２の冷却系統により反応槽を冷却する本発明の一酸化炭素選択酸化装置において、前記第１の冷却系統と前記第２の冷却系統は、前記反応槽内で熱交換可能な系統であるものとすることもできる。この態様の本発明の一酸化炭素選択酸化装置において、前記反応槽は、一方の面が前記水素リッチガスと熱交換可能に該水素リッチガスの流れに接触し、他面が相互に熱交換可能に密接した二層の冷却媒体の通路を備え、前記第１の冷却系統と前記第２の冷却系統は、前記二層の冷却媒体の通路に各冷却媒体を流して前記反応槽を冷却可能な系統であるものとすることもできる。こうすれば、第１の冷却系統でも第２の冷却系統でも反応槽を冷却できると共に相互に熱交換することもできる。

始動時に第１の冷却系統により反応槽を冷却する本発明の一酸化炭素選択酸化装置において、前記水素リッチガスの前記反応槽内の流路を変更可能な流路変更手段と、該流路変更手段による前記反応槽内の流路の変更を制御する流路変更制御手段とを備えるものとすることもできる。この態様の本発明の一酸化炭素選択酸化装置において、前記流路変更制御手段は、該一酸化炭素選択酸化装置を始動するとき、前記第１の冷却系統の冷却媒体と熱交換可能な前記反応槽内の流路に前記水素リッチガスが流れるよう前記流路変更手段を制御する手段であるものとしたり、前記流路変更制御手段は、該一酸化炭素選択酸化装置を始動するとき、前記第１の冷却系統の冷却媒体が前記水素リッチガスから多くの熱量を得るよう前記流路変更手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、始動時に迅速に反応槽の温度を上げることができると共に、第１の冷却系統における熱交換を有効にすることができる。

こうした始動時に水素リッチガスの流路を変更する態様の本発明の一酸化炭素選択酸化装置において、前記流路変更制御手段は、該一酸化炭素選択酸化装置の始動が終了したとき、前記反応槽内のすべての流路に前記水素リッチガスが流れるよう前記流路変更手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、反応槽全体で一酸化炭素の選択酸化反応を行なうことができる。

本発明の燃料改質装置システムは、炭化水素系の燃料を水蒸気改質により水素リッチガスを生成する改質器を備える燃料改質装置システムであって、前記改質器により生成される水素リッチガス中の一酸化炭素を水素に優先して酸化する前述のすべての態様を含む本発明の一酸化炭素選択酸化装置と、該一酸化炭素選択酸化装置が備える反応槽により生じる熱を用いて水蒸気を生成し、該生成した水蒸気を前記改質器に供給する水蒸気供給手段とを備えることを要旨とする。

この本発明の燃料改質装置システムでは、前述の本発明の一酸化炭素選択酸化装置の反応槽により生じる熱を用いて水蒸気を生成し、この生成した水蒸気を改質器に供給する。本発明の一酸化炭素選択酸化装置は、迅速に始動し、適正な温度に制御されるから、始動時には迅速に水蒸気を得て改質器に供給することができ、始動後は安定して水蒸気を得て改質器に供給することができると共に、熱効率を向上させることができる。

本発明の燃料改質装置システムにおいて、前記一酸化炭素選択酸化装置は始動時に第１の冷却系統により反応槽を冷却する装置であり、前記第１の冷却系統の冷却媒体は水であり、前記水蒸気供給手段は前記第１の冷却系統の冷却媒体である水を水蒸気として前記改質器に供給する手段であるものとすることもできる。こうすれば、熱交換による熱量のロスなどを少なくすることができると共に、迅速に水蒸気を得て改質器に供給することができる。この態様の本発明の燃料改質装置システムにおいて、前記改質器と前記一酸化炭素選択酸化装置との間に配置され該改質器からの水素リッチガスを冷却可能なガス冷却手段と、該燃料改質装置システムの始動のとき、前記改質器からの水素リッチガスの冷却を行なわないよう前記ガス冷却手段を制御する始動時制御手段とを備えるものとすることもできる。こうすれば、高温の水素リッチガスを一酸化炭素選択酸化装置に供給することができる。この結果、一酸化炭素選択酸化装置を迅速に加温することができると共に迅速に水蒸気を得て改質器に供給することができる。

また、本発明の燃料改質装置システムにおいて、前記一酸化炭素選択酸化装置は、始動後は第２の冷却系統により反応槽を冷却する装置であり、前記水蒸気供給手段は、前記第２の冷却系統との熱交換により水蒸気を生成する水蒸気生成手段を備え、該生成された水蒸気を前記改質器に供給する手段であるものとすることもできる。こうすれば、始動後は一酸化炭素選択酸化装置の第２の冷却系統との熱交換により水蒸気を得て改質器に供給することができる。水蒸気生成手段は、第２の冷却系統と熱交換を行なうものであるから、第２の冷却系統に如何なる冷却媒体をも用いることができる。

本発明の一酸化炭素選択酸化装置と水蒸気生成装置のコンバインシステムは、水素リッチガス中の一酸化炭素を水素に優先して酸化する一酸化炭素選択酸化装置と水蒸気を生成する水蒸気生成装置のコンバインシステムであって、前記酸化を行なう触媒が充填された反応槽を冷却水を用いて冷却可能な第１の冷却手段と、前記反応槽を水とは異なる冷却媒体を用いて冷却可能な第２の冷却手段と、前記第１の冷却手段の前記反応槽と熱交換後の冷却水を水蒸気として該第１の冷却手段から取り出し可能な水蒸気取出手段とを備えることを要旨とする。

この本発明の一酸化炭素選択酸化装置と水蒸気生成装置のコンバインシステムでは、水素リッチガス中の一酸化炭素を水素に優先して酸化する触媒が充填された反応槽を、冷却水を用いる第１の冷却手段と水とは異なる冷却媒体を用いる第２の冷却手段とによって冷却する。水蒸気取出手段が反応槽と熱交換後の冷却水を水蒸気として第１の冷却手段から取り出す。二つの冷却手段を備えるから、反応槽を適正な温度にして、一酸化炭素の選択酸化反応を効率よく行なうことができる。また、反応槽と熱交換後の冷却水を水蒸気として取り出すから、特別の装置なしで水蒸気を得ることができる。

本発明の一酸化炭素選択酸化装置と水蒸気生成装置のコンバインシステムにおいて、前記第２の冷却手段の冷却媒体と熱交換して水蒸気を生成する水蒸気生成手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、第１の冷却手段によって反応槽を冷却しているときだけでなく、第２の冷却手段によって反応槽を冷却しているときも水蒸気を得ることができる。

こうした水蒸気生成手段を備える態様の本発明の一酸化炭素選択酸化装置と水蒸気生成装置のコンバインシステムにおいて、前記水蒸気生成手段の状態を検出する状態検出手段と、該検出された状態に基づいて前記第１の冷却手段と前記第２の冷却手段と前記水蒸気取出手段と前記水蒸気生成手段とを制御する制御手段とを備えるものとすることもできる。こうすれば、反応槽をより適切な温度に保持することができると共に、水蒸気を得ることができる。

この制御手段を備える態様の本発明の一酸化炭素選択酸化装置と水蒸気生成装置のコンバインシステムにおいて、前記制御手段は、前記状態検出手段により検出された前記水蒸気生成手段の状態が非定常状態であるとき、前記第１の冷却手段により前記反応槽を冷却すると共に前記水蒸気取出手段により該第１の冷却手段から水蒸気を取り出すよう該第１の冷却手段と該水蒸気取出手段とを制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、始動時に迅速に反応槽の温度を上げることができると共に迅速に水蒸気を得ることができる。この態様の本発明の一酸化炭素選択酸化装置と水蒸気生成装置のコンバインシステムにおいて、前記水素リッチガスの前記反応槽内の流路を変更可能な流路変更手段と、該コンバインシステムを始動するとき、前記第１の冷却手段の冷却水が前記水素リッチガスから多くの熱量を得るよう前記流路変更手段を制御する流路変更制御手段手段とを備えるものとすることもできる。こうすれば、より迅速に水蒸気を得ることができる。

また、制御手段を備える態様の本発明の一酸化炭素選択酸化装置と水蒸気生成装置のコンバインシステムにおいて、前記制御手段は、前記状態検出手段により検出された前記水蒸気生成手段の状態が定常状態であるとき、前記第２の冷却手段により前記反応槽を冷却すると共に前記水蒸気生成手段により水蒸気を生成するよう該第２の冷却手段と該水蒸気生成手段とを制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、反応槽を適正な状態に保持することができると共に水蒸気を得ることができる。

次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料改質装置システム２０の構成の概略を示す構成図である。図示するように実施例の燃料改質装置システム２０は、炭化水素系の燃料を水素を含有する水素リッチガスに改質する改質器２２と、改質器２２からの水素リッチガスを冷却する熱交換器２８と、水素リッチガス中の一酸化炭素を水素に優先して酸化するＣＯ選択酸化部３０と、ＣＯ選択酸化部３０を冷却する第１冷却系統４０と、同じくＣＯ選択酸化部３０を冷却する第２冷却系統５０と、第２冷却系統５０との熱交換により水蒸気を生成する水蒸気生成器６０と、システム全体をコントロールする電子制御ユニット８０とを備える。

改質器２２は、炭化水素系の燃料としてのメタンと酸素を含有する酸素含有ガスとしての空気と水蒸気との供給を受けて次式（１）ないし式（３）の反応により水素リッチガスを生成するものであり、供給を受けたメタンと空気と水蒸気との混合ガスを加熱する加熱部２４と、式（１）ないし式（３）の反応を行なう改質部２６とを備える。メタンと空気と水蒸気との混合比は、例えば、空気は酸素のメタンに対するモル比［Ｏ₂／ＣＨ₄］が０．５となるように供給されると共に水蒸気は水のメタンに対するモル比［Ｈ₂Ｏ／ＣＨ₄］が２．０となるように供給されるよう調節されている。なお、各ガスの供給量や改質部２６の温度は、電子制御ユニット８０により制御されている。

ＣＨ₄＋（１／２）Ｏ₂→２Ｈ₂＋ＣＯ＋３５．７ｋＪ （１）
ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ−２０６．２ｋＪ （２）
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂＋４１．２ｋＪ （３）

熱交換器２８は、上述の反応が効率よく行なわれる６００℃〜８００℃の温度で運転される改質器２２からの水素リッチガスを、ＣＯ選択酸化部３０による一酸化炭素の選択酸化が効率よく行なわれる１２０℃〜１７０℃の温度に冷却する。熱交換器２８は、こうした高温の水素リッチガスを熱交換により冷却するが、この水素リッチガスの流路を変更して熱交換せずに後段に供給することもできるようになっている。この場合、高温の水素リッチガスがＣＯ選択酸化部３０に供給されることになる。なお、熱交換器２８による熱交換の有無は、電子制御ユニット８０からの駆動信号により制御されるようになっている。

図２にＣＯ選択酸化部３０の内部の一部の構成を示す。図示するように、ＣＯ選択酸化部３０は、酸素の存在下で水素リッチガス中の一酸化炭素を水素に優先して酸化する触媒、例えばルテニウムやロジウムなどの触媒が充填された複数の触媒充填部３２ａ，３２ｂと、この複数の触媒充填部３２ａ，３２ｂと積層される２層一組の第１冷却通路３４および第２冷却通路３６と、触媒充填部３２ｂの水素リッチガスの入り口付近に設置された複数のフラップ３８とを備える。触媒充填部３２ａと触媒充填部３２ｂは一つおきに積層されており、触媒充填部３２ａの両積層面には第１冷却通路３４が配置され、触媒充填部３２ｂの両積層面には第２冷却通路３６が配置されている。したがって、触媒充填部３２ａは第１冷却通路３４を介して冷却され、触媒充填部３２ｂは第２冷却通路３６を介して冷却されるようになっている。複数のフラップ３８は、その開閉により触媒充填部３２ｂへの水素リッチガスの供給を司る。即ち、フラップ３８を開とすると、図２の状態となって触媒充填部３２ｂへの水素リッチガスの導入を阻害し、フラップ３８を閉とすると、図２の波線の状態となって触媒充填部３２ｂへの水素リッチガスの導入の阻害を解除する。なお、ＣＯ選択酸化部３０での一酸化炭素の酸化に必要な酸素は、図１に示すように、ブロワ２９によりＣＯ選択酸化部３０に供給される水素リッチガスに導入されるようになっている。

第１冷却系統４０は、ＣＯ選択酸化部３０の第１冷却通路３４に接続された第１冷却管４２を備え、この第１冷却管４２には水タンク６６から水供給管６８を介して水が供給されるようになっている。この第１冷却管４２の水供給管６８の接続部付近には、第１冷却管４２への水の供給を司る電磁弁４４が取り付けられている。また、第１冷却通路３４の他端に接続された接続管４３は、水蒸気供給管７２に接続されており、接続管４３には減圧弁と開閉弁とを兼ねる減圧開閉弁４６が取り付けられている。水蒸気供給管７２は、熱交換器２８で熱交換して改質器２２の加熱部２４に接続されている。したがって、水タンク６６から供給された水は、ＣＯ選択酸化部３０の第１冷却通路３４で水素リッチガスとの熱交換により加熱され、電磁弁４６によって減圧されて水蒸気となり、水蒸気供給管７２を通って加熱部２４に供給される。

第２冷却系統５０は、ＣＯ選択酸化部３０の第２冷却通路３６に接続されて循環管路を形成する循環形成管路５２と、この循環形成管路５２に熱交換媒体としてのオイルを循環させる循環ポンプ５４と、循環形成管路５２に接続され水蒸気生成器６０内の水を熱交換により加熱すると共にオイルを冷却する水過熱管５６と、循環管路のオイルの不足を補うオイルが貯蔵されたオイルタンク５８とを備える。したがって、第２冷却系統５０は、水蒸気生成器６０で冷却された熱交換媒体としてのオイルと水素リッチガスとを第２冷却通路３６で熱交換することによりＣＯ選択酸化部３０を冷却する。これを見方を変えれば、第２冷却系統５０は、第２冷却通路３６で水素リッチガスとの熱交換により加熱された熱交換媒体としてのオイルにより水蒸気生成器６０内の水を加熱するものといえる。なお、第２冷却系統５０で用いられる熱交換媒体としてのオイルは、ガスタービンオイルなど比較的高温でも組成の変化しないものが用いられる。

水蒸気生成器６０は、加圧水を蓄える加圧タンクとして構成されており、内部に蓄えられた水は、前述したように水過熱管５６により加熱される。水蒸気生成器６０は、接続管６１と水供給管６８とにより水タンク６６に接続されている。接続管６１には、水タンク６６からの水の水蒸気生成器６０への供給を司る電磁弁６２が設けられている。水蒸気生成器６０で生じる水蒸気は、水蒸気供給管７２に取り付けられた減圧弁と開閉弁とを兼ねる減圧開閉弁７４により減圧されて改質器２２の加熱部２４に供給されるようになっている。なお、水蒸気生成器６０や第１冷却通路３４に水タンク６６からの水を供給するために、水供給管６８には加圧ポンプ７０が取り付けられている。

電子制御ユニット８０は、ＣＰＵ８２を中心として構成されたワンチップマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ８４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ８６と、各種信号の入出力を行なう入出力ポート８８とを備える。この電子制御ユニット８０には、改質器２２の運転状態を示す温度やガスの流量等の検出信号や、ＣＯ選択酸化部３０に取り付けられた温度センサ３９からのＣＯ選択酸化部３０の温度Ｔｃｏ，水蒸気生成器６０に取り付けられた温度センサ６４により検出される水温Ｔｗ，同じく水蒸気生成器６０に取り付けられた水位計６５により検出される内部の水位Ｈｗなどが入出力ポート８８を介して入力されている。また、電子制御ユニット８０からは、改質器２２への駆動信号や熱交換器２８への駆動信号，ブロワ２９への駆動信号，減圧開閉弁４６，７４のアクチュエータ４７，７５への駆動信号，電磁弁４４，６２のアクチュエータ４５，６３への駆動信号，循環ポンプ５４や加圧ポンプ７０への駆動信号などが入出力ポート８０を介して出力されている。

次に、こうして構成された実施例の燃料改質装置システム２０の動作、特に燃料改質装置システム２０の始動時の動作について説明する。図３は、実施例の電子制御ユニット８０により実行される始動時処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、実施例の燃料改質装置システム２０が始動されるときに実行される。

本ルーチンが実行されると、ＣＰＵ８２は、まず熱交換器２８による熱交換を停止すると共に（ステップＳ１００）、フラップ３８を開いて第２冷却通路３６を介して冷却される触媒充填部３２ｂへの水素リッチガスの導入を阻害する処理を実行する（ステップＳ１０２）。熱交換器２８の熱交換の停止は、具体的には、電子制御ユニット８０の入出力ポート８８から熱交換器２８に駆動信号を出力することにより行なう。こうした処理によりＣＯ選択酸化部３０の触媒充填部３２ａには、改質器２２からの高温の水素リッチガスが導入されることになる。

そして、温度センサ６４により検出されるＣＯ選択酸化部３０の温度Ｔｃｏを読み込み（ステップＳ１０４）、読み込んだ温度Ｔｃｏが閾値Ｔｒ１以上となるのを待つ（ステップＳ１０６）。ここで、閾値Ｔｒ１は、ＣＯ選択酸化部３０の冷却を開始するための閾値として設定されるものであり、ＣＯ選択酸化部３０の定常運転温度やこれより若干低い温度、あるいは若干高い温度に設定される。

ＣＯ選択酸化部３０の温度Ｔｃｏが閾値Ｔｒ１以上となると、第１冷却系統４０による冷却を開始する処理を実行すると共に（ステップＳ１０８）、水蒸気生成器６０内の水の加熱を開始する処理を実行する（ステップＳ１１０）。第１冷却系統４０の冷却の開始は、具体的には、電磁弁４４を開弁すると共に加圧ポンプ７０を駆動して第１冷却管４２内の水を加圧し、第１冷却通路３４内で加熱された水が所定の圧力の水蒸気となるよう減圧開閉弁４６を調節することにより行なう。第１冷却通路３４内の水は、加圧ポンプ７０により加圧されているから、ＣＯ選択酸化部３０の温度Ｔｃｏ（定常運転温度の１２０℃〜１７０℃）となっても気化せずに液体状態を保つが、減圧開閉弁４６によって減圧されて水蒸気として水蒸気供給管７２に噴出する。この第１冷却通路３４内の水の加熱は、熱交換器２８による熱交換を停止すると共にフラップ３８を開くことによって高温の水素リッチガスが触媒充填部３２ａにのみ流されることから、極めて迅速に行なわれる。この結果、ＣＯ選択酸化部３０の温度Ｔｃｏが閾値Ｔｒ１になった直後から、第１冷却系統４０による水蒸気の供給を行なうことができる。一方、水蒸気生成器６０内の水の加熱の開始は、具体的には、循環ポンプ５４を駆動して循環管路内のオイルを循環させることにより行なう。このとき、第２冷却通路３６を介して熱交換する触媒充填部３２ｂには高温の水素リッチガスは導入されていないから、第２冷却通路３６内のオイルの熱交換は第１冷却通路３４内の冷却水と行なわれる。即ち、第１冷却通路３４の冷却水との熱交換により第２冷却通路３６のオイルは加熱されるのである。したがって、第１冷却通路３４内の冷却水の水温を低くしないようにオイルの循環量を少なくするために、循環ポンプ５４の回転数は低く抑えられている。なお、水蒸気生成器６０内の水の加熱の開始は、水蒸気生成器６０内の水位Ｈｗが所定水位Ｈｒとなるよう接続管６１に設けられた電磁弁６２の図示しないルーチンによる開閉制御も同時に開始される。

次に、温度センサ６４により検出される水蒸気生成器６０の水温Ｔｗと水位計６５により検出される水蒸気生成器６０の水位Ｈｗとを読み込み（ステップＳ１１２）、水温Ｔｗが閾値Ｔｒ２以上になると共に水位Ｈｗが所定水位Ｈｒになるまで待機する（ステップＳ１１４，Ｓ１１６）。ここで、閾値Ｔｒ２は、定常運転される水蒸気生成器６０内の水の温度やこれより若干低い温度として設定されるものである。

水温Ｔｗが閾値Ｔｒ２以上になると共に水位Ｈｗが所定水位Ｈｒになると、フラップ３８を閉じて触媒充填部３２ｂにも水素リッチガスが導入されるようにすると共に（ステップＳ１１８）、熱交換器２８による水素リッチガスの冷却を開始し（ステップＳ１２０）、第２冷却系統５０による冷却を開始する処理を実行する（ステップＳ１２２）。第２冷却系統５０による冷却の開始は、具体的には、低回転で駆動されていた循環ポンプ５４を定常運転時の回転数で運転することにより行なう。

そして、所定時間経過するのを待って（ステップＳ１２４）、減圧開閉弁７４を調節することによって水蒸気生成器６０からの水蒸気の供給を開始すると共に（ステップＳ１２６）、第１冷却系統４０による冷却を停止して（ステップＳ１２８）、本ルーチンを終了する。ここで、所定時間は、水蒸気生成器６０が十分な水蒸気を生成することができる定常運転状態になるのに必要な時間として設定されるものである。第１冷却系統４０の冷却の停止は、減圧開閉弁４６と電磁弁４４とを閉弁することにより行なわれる。第１冷却系統４０による冷却が停止されても、第１冷却通路３４はその圧力が保たれるから、内部で気泡は生じない。また、触媒充填部３２ａは、熱伝導により第１冷却通路３４を介して第２冷却通路３６によって冷却される。即ち、第１冷却通路３４に対流する冷却水が触媒充填部３２ａの熱を熱伝導により第２冷却通路３６のオイルに伝達することにより触媒充填部３２ａを冷却するのである。

図４は、図３の始動時処理ルーチンを実行して実施例の燃料改質装置システム２０を始動したときの各部の様子を時系列で例示するタイムチャートである。図示するように、実施例の燃料改質装置システム２０の始動が時間ｔ１で開始されると、改質器２２からの高温の水素リッチガスがＣＯ選択酸化部３０の触媒充填部３２ａに直接導入されることによりＣＯ選択酸化部３０の温度Ｔｃｏは急激に上昇する。ＣＯ選択酸化部３０の温度Ｔｃｏが閾値Ｔｒ１になる時間ｔ２では、第１冷却系統４０による冷却が開始されると共に水蒸気生成器６０の加熱も開始される。このとき、第１冷却通路３４内の冷却水は既にＣＯ選択酸化部３０の定常運転温度である閾値Ｔｒ１になっているから、減圧開閉弁４６から直ちに水蒸気が水蒸気供給管７２を介して加熱部２４に供給される。また、水蒸気生成器６０の水温Ｔｗや水位Ｈｗも上昇し始める。水蒸気生成器６０の水温Ｔｗが閾値Ｔｒ２になると共に水位Ｈｗが所定水位Ｈｒになる時間ｔ３では、第２冷却系統５０による冷却が開始されると共にフラップ３８が閉じられて触媒充填部３２ｂにも高温の水素リッチガスが導入されるようになる。そして、所定時間経過した時間ｔ４では、第１冷却系統４０による冷却が停止されると共に、水蒸気生成器６０により生成される水蒸気の加熱部２４への供給が開始され、定常運転となる。

以上説明した実施例の燃料改質装置システム２０によれば、ＣＯ選択酸化部３０が第１冷却系統４０と第２冷却系統５０からなる２つの冷却系統を備え、始動時には第１冷却系統４０のみによりＣＯ選択酸化部３０を冷却することにより、改質器２２に供給すべき十分な水蒸気を迅速に得ることができる。しかも、熱交換器２８による熱交換を停止したり、フラップ３８により水素リッチガスの流路を変更して第１冷却系統４０における熱交換の効率を高くするから、より迅速に水蒸気を得ることができる。また、実施例の燃料改質装置システム２０によれば、始動が終了して定常運転状態になると、第２冷却系統５０によりＣＯ選択酸化部３０を冷却すると共に第２冷却系統５０と熱交換して水蒸気生成器６０により十分な水蒸気を生成するから、エネルギ効率よく十分な量の水蒸気を改質器２２に供給することができる。さらに、第１冷却系統４０と第２冷却系統５０とを密着した２層の相互に熱交換可能な通路として構成したから、システムの始動時でも定常運転に至った後も円滑にＣＯ選択酸化部３０を冷却することができる。もとより、フラップ３８を閉じて触媒充填部３２ｂにも水素リッチガスを導入するから、効率よく水素リッチガス中の一酸化炭素を水素に優先して酸化することができる。また、熱交換器２８により熱交換して適温の水素リッチガスをＣＯ選択酸化部３０に供給するから、ＣＯ選択酸化部３０をより効率よく運転することができる。さらに、熱交換器２８により水蒸気を加温して改質器２２に供給するから、エネルギ効率を向上させることができる。

実施例の燃料改質装置システム２０では、第１冷却系統４０と第２冷却系統５０の２つの冷却系統によりＣＯ選択酸化部３０を冷却するものとしたが、３つ以上の冷却系統によりＣＯ選択酸化部３０を冷却するものとしてもよい。また、実施例の燃料改質装置システム２０では、第１冷却系統４０と第２冷却系統５０とが第１冷却通路３４と第２冷却通路３６とにより熱交換可能に構成したが、熱交換しないものとして構成してもよい。さらに、実施例の燃料改質装置システム２０では、開閉することにより水素リッチガスの触媒充填部への導入を変更可能なフラップ３８を備えたが、水素リッチガスの触媒充填部への導入を変更できれば、如何なる機構によって行なうものとしてもよい。また、実施例の燃料改質装置システム２０では、フラップ３８を備え、その始動時には触媒充填部３２ａにのみ水素リッチガスを導入するようにしたが、フラップ３８を備えず、始動時も定常運転時と同様に水素リッチガスをすべての触媒充填部に導入するものとしてもよい。実施例の燃料改質装置システム２０では、炭化水素系の燃料としてメタンを用いたが、メタン以外の炭化水素系の燃料、例えば、エタンやエチレンなどの他の炭化水素やアルコールなどを用いるものとしてもよい。

この実施例の燃料改質装置システム２０が備えるＣＯ選択酸化部３０や第１冷却系統４０や第２冷却系統５０は、本発明の一酸化炭素選択酸化装置の一実施例を構成する。この実施例によれば、２つの冷却系統を備えることにより、ＣＯ選択酸化部３０の始動時には迅速に温度を上昇させることができると共に、定常運転状態に至った後は、安定して触媒が活性な温度に保持することができる。この結果、ＣＯ選択酸化部３０を素早く始動して効率よく一酸化炭素を水素に優先して酸化することができる。しかも、始動時にはフラップ３８を開いて触媒充填部３２ａにのみ高温の水素リッチガスを導入するものとしたから、より迅速にＣＯ選択酸化部３０の温度を上昇させることができる。また、始動の終了後はフラップ３８を閉じて触媒充填部３２ｂにも水素リッチガスを導入して一酸化炭素を酸化するから、水素リッチガス中の一酸化炭素の濃度をより低減することができる。

実施例では、ＣＯ選択酸化部３０や第１冷却系統４０，第２冷却系統５０を燃料改質装置システム２０の構成として用いたが、燃料改質装置システム以外のシステムに用いるものとしてもよい。この場合、第１冷却系統４０は、冷却水以外の冷却媒体、例えばアルコールやオイルなどを用いるものとしてもよい。さらに、実施例では、第１冷却系統４０は水蒸気を取り出すものとして構成したが、燃料改質装置システムの一構成としないときには、水蒸気を取り出さないものとしてもよい。この場合、第２冷却系統５０と同様に冷却水の循環管路を形成するものとしてもよい。さらに、実施例では、２つの冷却系統を備えるものとして構成したが、３つ以上の冷却系統を備えるものとしても差し支えない。

また、実施例の燃料改質装置システム２０が備えるＣＯ選択酸化部３０や第１冷却系統４０，第２冷却系統５０，水蒸気生成器６０は、本発明の一酸化炭素選択酸化装置と水蒸気生成装置のコンバインシステムの一実施例を構成する。この実施例のコンバインシステムによれば、始動時には第１冷却系統４０により十分な量の水蒸気を迅速に得ることができると共に、始動が終了した後は第２冷却系統５０によりＣＯ選択酸化部３０の温度を適正な温度に保持しながら水蒸気生成器６０から十分な量の水蒸気を得ることができる。しかも、始動時にはフラップ３８を開いて触媒充填部３２ａにのみ高温の水素リッチガスを導入するものとしたから、より迅速に第１冷却系統４０から水蒸気を得ることができる。また、始動が終了したら、フラップ３８を閉じて触媒充填部３２ｂにも水素リッチガスを導入して一酸化炭素を酸化するから、水素リッチガス中の一酸化炭素の濃度をより低減することができると共に、水蒸気生成器６０から安定して十分な量の水蒸気を得ることができる。

実施例のコンバインシステムでは、ＣＯ選択酸化部３０や第１冷却系統４０，第２冷却系統５０，水蒸気生成器６０を燃料改質装置システム２０の構成として用いたが、燃料改質装置システム以外のシステムに用いるものとしてもよい。また、実施例のコンバインシステムでは、２つの冷却系統を備えたが、３つ以上の冷却系統を備えるものとしてもよい。

以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の一実施例である燃料改質装置システム２０の構成の概略を示す構成図である。 ＣＯ選択酸化部３０の内部の一部の構成を例示する構成図である。 実施例の電子制御ユニット８０により実行される始動時処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。 実施例の燃料改質装置システム２０を始動したときの各部の様子を時系列で例示するタイムチャートである。

符号の説明

２０ 燃料改質装置システム、２２ 改質器、２４ 加熱部、２６ 改質部、２８ 熱交換器、３０ ＣＯ選択酸化部、３４ 第１冷却通路、３６ 第２冷却通路、３８ フラップ、３９ 温度センサ、４０ 第１冷却系統、４２ 第１冷却管、４３ 接続管、４４，６２ 電磁弁、４５，４７，６３，７５ アクチュエータ、４６，７４ 減圧開閉弁、５０ 第２冷却系統、５２ 循環形成管路、５４ 循環ポンプ、５６ 水過熱管、５８ オイルタンク、６０ 水蒸気生成器、６１ 接続管、６４ 温度センサ、６５ 水位計、６６ 水タンク、６８ 水供給管、７０ 加圧ポンプ、７２ 水蒸気供給管、８０ 電子制御ユニット、８２ ＣＰＵ、８４ ＲＯＭ、８６ ＲＡＭ、８８ 入出力ポート。

Claims (20)

1. 水素リッチガス中の一酸化炭素を水素に優先して酸化する一酸化炭素選択酸化装置であって、
   前記酸化を行なう触媒が充填された反応槽を冷却する複数の冷却系統と、
   該複数の冷却系統による冷却を制御する冷却制御手段と
   を備える一酸化炭素選択酸化装置。
2. 前記複数の冷却系統は、各々異なる冷却媒体を用いて前記反応槽を冷却する冷却系統である請求項１記載の一酸化炭素選択酸化装置。
3. 前記冷却制御手段は、該一酸化炭素選択酸化装置の始動時に前記複数の冷却系統のうちの第１の冷却系統により前記反応槽が冷却されるよう該複数の冷却系統を制御する手段である請求項２記載の一酸化炭素選択酸化装置。
4. 前記冷却制御手段は、該一酸化炭素選択酸化装置の始動が終了した後、前記複数の冷却系統の前記第１の冷却系統とは異なる第２の冷却系統により前記反応槽が冷却されるよう該複数の冷却系統を制御する手段である請求項３記載の一酸化炭素選択酸化装置。
5. 前記第１の冷却系統と前記第２の冷却系統は、前記反応槽内で熱交換可能な系統である請求項４記載の一酸化炭素選択酸化装置。
6. 請求項５記載の一酸化炭素選択酸化装置であって、
   前記反応槽は、一方の面が前記水素リッチガスと熱交換可能に該水素リッチガスの流れに接触し、他面が相互に熱交換可能に密接した二層の冷却媒体の通路を備え、
   前記第１の冷却系統と前記第２の冷却系統は、前記二層の冷却媒体の通路に各冷却媒体を流して前記反応槽を冷却可能な系統である
   一酸化炭素選択酸化装置。
7. 請求項３ないし６いずれか記載の一酸化炭素選択酸化装置であって、
   前記水素リッチガスの前記反応槽内の流路を変更可能な流路変更手段と、
   該流路変更手段による前記反応槽内の流路の変更を制御する流路変更制御手段と
   を備える一酸化炭素選択酸化装置。
8. 前記流路変更制御手段は、該一酸化炭素選択酸化装置を始動するとき、前記第１の冷却系統の冷却媒体と熱交換可能な前記反応槽内の流路に前記水素リッチガスが流れるよう前記流路変更手段を制御する手段である請求項７記載の一酸化炭素選択酸化装置。
9. 前記流路変更制御手段は、該一酸化炭素選択酸化装置を始動するとき、前記第１の冷却系統の冷却媒体が前記水素リッチガスから多くの熱量を得るよう前記流路変更手段を制御する手段である請求項７記載の一酸化炭素選択酸化装置。
10. 前記流路変更制御手段は、該一酸化炭素選択酸化装置の始動が終了したとき、前記反応槽内のすべての流路に前記水素リッチガスが流れるよう前記流路変更手段を制御する手段である請求項８または９記載の一酸化炭素選択酸化装置。
11. 炭化水素系の燃料を水蒸気改質により水素リッチガスを生成する改質器を備える燃料改質装置システムであって、
    前記改質器により生成される水素リッチガス中の一酸化炭素を水素に優先して酸化する請求項１ないし１０いずれか記載の一酸化炭素選択酸化装置と、
    該一酸化炭素選択酸化装置が備える反応槽により生じる熱を用いて水蒸気を生成し、該生成した水蒸気を前記改質器に供給する水蒸気供給手段と
    を備える燃料改質装置システム。
12. 請求項１１記載の燃料改質装置システムであって、
    前記一酸化炭素選択酸化装置は、請求項３または請求項３に従属のいずれかの一酸化炭素選択酸化装置であり、
    前記第１の冷却系統の冷却媒体は水であり、
    前記水蒸気供給手段は、前記第１の冷却系統の冷却媒体である水を水蒸気として前記改質器に供給する手段である
    燃料改質装置システム。
13. 請求項１２記載の燃料改質装置システムであって、
    前記改質器と前記一酸化炭素選択酸化装置との間に配置され、該改質器からの水素リッチガスを冷却可能なガス冷却手段と、
    該燃料改質装置システムの始動のとき、前記改質器からの水素リッチガスの冷却を行なわないよう前記ガス冷却手段を制御する始動時制御手段と
    を備える燃料改質装置システム。
14. 請求項１１ないし１３いずれか記載の燃料改質装置システムであって、
    前記一酸化炭素選択酸化装置は、請求項４または請求項４に従属のいずれかの一酸化炭素選択装置であり、
    前記水蒸気供給手段は、前記第２の冷却系統との熱交換により水蒸気を生成する水蒸気生成手段を備え、該生成された水蒸気を前記改質器に供給する手段である
    燃料改質装置システム。
15. 水素リッチガス中の一酸化炭素を水素に優先して酸化する一酸化炭素選択酸化装置と水蒸気を生成する水蒸気生成装置のコンバインシステムであって、
    前記酸化を行なう触媒が充填された反応槽を冷却水を用いて冷却可能な第１の冷却手段と、
    前記反応槽を水とは異なる冷却媒体を用いて冷却可能な第２の冷却手段と、
    前記第１の冷却手段の前記反応槽と熱交換後の冷却水を水蒸気として該第１の冷却手段から取り出し可能な水蒸気取出手段と
    を備えるコンバインシステム。
16. 前記第２の冷却手段の冷却媒体と熱交換して水蒸気を生成する水蒸気生成手段を備える請求項１５記載のコンバインシステム。
17. 請求項１６記載のコンバインシステムであって、
    前記水蒸気生成手段の状態を検出する状態検出手段と、
    該検出された状態に基づいて前記第１の冷却手段と前記第２の冷却手段と前記水蒸気取出手段と前記水蒸気生成手段とを制御する制御手段と
    を備えるコンバインシステム。
18. 前記制御手段は、前記状態検出手段により検出された前記水蒸気生成手段の状態が非定常状態であるとき、前記第１の冷却手段により前記反応槽を冷却すると共に前記水蒸気取出手段により該第１の冷却手段から水蒸気を取り出すよう該第１の冷却手段と該水蒸気取出手段とを制御する手段である請求項１７記載のコンバインシステム。
19. 請求項１８記載のコンバインシステムであって、
    前記水素リッチガスの前記反応槽内の流路を変更可能な流路変更手段と、
    該コンバインシステムを始動するとき、前記第１の冷却手段の冷却水が前記水素リッチガスから多くの熱量を得るよう前記流路変更手段を制御する流路変更制御手段手段と
    を備えるコンバインシステム。
20. 前記制御手段は、前記状態検出手段により検出された前記水蒸気生成手段の状態が定常状態であるとき、前記第２の冷却手段により前記反応槽を冷却すると共に前記水蒸気生成手段により水蒸気を生成するよう該第２の冷却手段と該水蒸気生成手段とを制御する手段である請求項１７ないし１９いずれか記載のコンバインシステム。

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