JP2006206405A - 水素製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 触媒のガスの通流方向の温度勾配において温度ピークが得られない場合でも、演算処理を簡素化しながら触媒の劣化を判断できる水素製造装置を提供する。
【解決手段】 原燃料を改質反応により改質して水素を含む改質ガスを生成する改質触媒が設置されたガスの流路を有する内熱式の燃料改質部３、改質触媒の原燃料の入口部側に設けた入口部側温度計測手段３５、改質触媒中を通流するガスの触媒反応の終了位置となる反応終了部の触媒の使用開始当初の位置に対応する改質触媒の部分に設けた反応終了部側温度計測手段３７、入口部側温度計測手段３５で計測した温度及び反応終了部側温度計測手段３７で計測した温度に基づいて改質触媒のガスの通流方向の温度勾配を演算する温度勾配演算手段５７、温度勾配演算手段５７で演算した温度勾配の経時変化に基づいて反応終了部の位置を演算する反応終了位置演算手段５７を備えた構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、原燃料を改質反応により改質して水素を含む改質ガスを生成して燃料電池に供給する水素製造装置に係り、特に、内熱式の燃料改質部を備えた水素製造装置に関する。

原燃料を改質反応により改質して水素を含む改質ガスを生成して燃料電池に供給する水素製造装置として、内熱式つまり部分酸化式の燃料改質部を備えた水素製造装置を用いることが考えられている。内熱式の燃料改質部を備えた水素製造装置では、原燃料を改質反応により改質して水素を含む改質ガスを生成するための改質触媒を有する燃料改質部に加え、この燃料改質部で生成された改質ガス中のＣＯを除去して改質ガス中のＣＯ濃度を低減するための触媒を有するＣＯ除去部、例えば、燃料改質部で生成された改質ガス中のＣＯガスと水蒸気とを反応させて水素ガスとＣＯ_２ガスとに変換するＣＯシフト触媒を有するＣＯシフト部、このＣＯシフト部からの改質ガス中に含まれるＣＯを選択的に酸化するＣＯ選択酸化触媒を有するＣＯ選択酸化部などを備えている。

ところで、内熱式の燃料改質部のような内熱式の触媒反応器では、酸化還元反応、例えば起動時には酸化雰囲気、定常時には還元雰囲気での反応が繰返され、触媒は過酷な条件に曝される。特に、ＣＯ選択酸化部を備えている場合、ＣＯ選択酸化部が有するＣＯ選択酸化触媒は、その活性成分の特性上、最も酸化還元反応の影響を受け易い。したがって、内熱式の触媒による反応器では、触媒の活性を常に把握し、劣化の度合いに応じて触媒の交換もしくは再生を行う必要がある。

これに対して、触媒の入口部側に設けられた温度センサによる温度測定値と運転条件とに基づいて改質触媒で最も高い温度であるピーク温度推定値を推定し、この推定したピーク温度推定値と温度測定値との偏差に基づいて改質触媒の劣化の程度を示す劣化推定値を推定することで触媒の劣化を判断する構成の改質反応器の制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、このような改質反応器の制御装置では、触媒の入口部側に設けられた温度センサによる温度測定値と運転条件とに基づいて改質触媒で最も高い温度であるピーク温度推定値を推定し、この推定したピーク温度推定値と温度測定値との偏差に基づいて改質触媒の劣化の程度を示す劣化推定値を推定するといった過程で煩雑な演算処理が必要になり、触媒の劣化を判断するための指標を得るためのプログラムの複雑化などといった問題が生じる。

一方、触媒における反応熱の供給又は除去をその周囲に保持された熱媒又は冷媒によって行う、いわゆる外熱式の触媒反応器では、触媒の劣化を把握するため、触媒に、この触媒のガスの入口部側と出口部側の間に複数の温度計を設置した構成とすることが提案されている。そして、複数の温度計により触媒のガスの入口部側と出口部側の間の複数点の温度を計測することで、触媒のガスの通流方向における温度分布のピークの位置の変化を監視し、この温度分布のピークの位置が出口側に現れたことを検出することにより触媒の劣化を検知している（例えば、特許文献２参照）。このような構成であれば、温度分布のピークの位置が出口側に現れたことを検出することにより触媒の劣化を検知できるため、触媒の劣化を判断するための演算処理を簡素化できる。

特開２００３−１１２９０２号公報（第５?８頁、第１?５図） 特開昭６０−１４７２２６号公報（第２頁、第３?５図）

ところで、内熱式の触媒反応器では、触媒の反応部へ周囲から熱を供給しないために外熱式の触媒反応器と異なり、改質反応つまり吸熱反応終了後、反応部の温度が上昇しない。このため、内熱式の触媒反応器では、外熱式の触媒反応器のような温度ピークが生じない。したがって、内熱式の触媒反応器では、外熱式の触媒反応器のように、触媒にガスの通流方向に沿う複数の位置での温度を測定して出口部に温度ピークが生じることで触媒の劣化を判断することは困難である。そこで、内熱式の触媒反応器のように、触媒のガスの通流方向の温度勾配において温度ピークが得られない場合でも、演算処理を簡素化しながら触媒の劣化を判断できる水素製造装置が必要となっている。

本発明の課題は、触媒のガスの通流方向の温度勾配において温度ピークが得られない場合でも、簡素化し演算処理を簡素化しながら触媒の劣化を判断できるようにすることにある。

本発明の水素製造装置は、原燃料を改質反応により改質して水素を含む改質ガスを生成する改質触媒が設置されたガスの流路を有する内熱式の燃料改質部と、改質触媒の原燃料の入口部側に設けた入口部側温度計測手段と、改質触媒中を通流するガスの触媒反応の終了位置となる反応終了部の触媒の使用開始当初の位置に対応する改質触媒の部分に設けた反応終了部側温度計測手段と、入口部側温度計測手段で計測した温度及び反応終了部側温度計測手段で計測した温度に基づいて改質触媒のガスの通流方向の温度勾配を演算する温度勾配演算手段と、この温度勾配演算手段で演算した温度勾配の経時変化に基づいて反応終了部の位置を演算する反応終了位置演算手段とを備えた構成とすることにより上記課題を解決する。

このような構成とすれば、温度勾配演算手段が入口部側温度計測手段で計測した温度及び反応終了部側温度計測手段で計測した温度に基づいて改質触媒のガスの通流方向の温度勾配を演算し、反応終了位置演算手段が温度勾配演算手段で演算した温度勾配の経時変化に基づいて反応終了部の位置を演算するといった簡単な演算により、触媒の劣化を判断できる。すなわち、改質反応は吸熱反応のため、改質触媒の入口部から触媒の使用開始当初の反応終了部の位置にかけて、改質触媒の温度は漸次低くなる。そして、時間の経過とともに触媒の劣化が進行すると触媒の使用開始当初の反応終了部の位置の温度とほぼ同じ温度となる所定時間経過したときの反応終了部の位置は、改質触媒の出口部側に移動する。このため、温度勾配の経時変化に基づいて反応終了部の位置がわかれば、改質触媒の入口部から反応終了部までの距離がわかり、この改質触媒の入口部から反応終了部までの距離が改質触媒の長さ以上となれば、触媒が劣化したことを判断できる。したがって、触媒のガスの通流方向の温度勾配において温度ピークが得られない場合でも、演算処理を簡素化しながら触媒の劣化を判断できる。

また、本発明の水素製造装置は、原燃料を改質反応により改質して水素を含む改質ガスを生成する改質触媒が設置されたガスの流路を有する内熱式の燃料改質部と、この燃料改質部で生成された改質ガス中のＣＯガスと水蒸気とを反応させて水素ガスとＣＯ_２ガスとに変換するＣＯシフト触媒が設置されたガスの流路を有するＣＯシフト部と、ＣＯシフト触媒の燃料改質部からの改質ガスの入口部側に設けた入口部側温度計測手段と、ＣＯシフト触媒中を通流するガスの触媒反応の終了位置となる反応終了部の触媒の使用開始当初の位置に対応するＣＯシフト触媒の部分に設けた反応終了部側温度計測手段と、入口部側温度計測手段で計測した温度及び反応終了部側温度計測手段で計測した温度に基づいてＣＯシフト触媒のガスの通流方向の温度勾配を演算する温度勾配演算手段と、この温度勾配演算手段で演算した温度勾配の経時変化に基づいて反応終了部の位置の変化を演算する反応終了位置演算手段とを備えた構成とすることにより上記課題を解決する。

このような構成とすれば、温度勾配演算手段が入口部側温度計測手段で計測した温度及び反応終了部側温度計測手段で計測した温度に基づいてＣＯシフト触媒のガスの通流方向の温度勾配を演算し、反応終了位置演算手段が温度勾配演算手段で演算した温度勾配の経時変化に基づいて反応終了部の位置を演算するといった簡単な演算により、改質触媒と同様に触媒のガスの通流方向の温度勾配において温度ピークが得られないＣＯシフト触媒の劣化を判断できる。すなわち、ＣＯシフト反応は発熱反応のため、ＣＯシフト触媒の入口部から触媒の使用開始当初の反応終了部にかけて、ＣＯシフト触媒の温度は、入口部の温度よりも漸次高くなる。そして、時間の経過とともに触媒の劣化が進行すると、触媒の使用開始当初の反応終了部の位置の温度とほぼ同じ温度となる所定時間経過したときの反応終了部の位置は、改質触媒の出口部側に移動する。このため、ＣＯシフト触媒でも、温度勾配の経時変化に基づいて反応終了部の位置がわかれば、入口部から反応終了部までの距離がわかり、このＣＯシフト触媒の入口部から反応終了部までの距離がＣＯシフト触媒の長さ以上となれば、触媒が劣化したことを判断できる。したがって、触媒のガスの通流方向の温度勾配において温度ピークが得られない場合でも、演算処理を簡素化しながら触媒の劣化を判断できる。

さらに、本発明の水素製造装置は、原燃料を改質反応により改質して水素を含む改質ガスを生成する改質触媒が設置されたガスの流路を有する内熱式の燃料改質部と、この燃料改質部で生成された改質ガス中のＣＯガスと水蒸気とを反応させて水素ガスとＣＯ_２ガスとに変換するＣＯシフト触媒が設置されたガスの流路を有するＣＯシフト部と、このＣＯシフト部からの改質ガス中に含まれるＣＯを選択的に酸化するＣＯ選択酸化触媒が設置されたガスの流路を有するＣＯ選択酸化部と、ＣＯ選択酸化触媒のＣＯシフト部からの改質ガスの入口部側に設けた入口部側温度計測手段と、ＣＯ選択酸化触媒の、このＣＯ選択酸化触媒中のガスの通流方向の中間部に設けた中間部温度計測手段と、ＣＯ選択酸化触媒の、このＣＯ選択酸化触媒中を通流するガスの出口部側に設けた出口部側温度計測手段と、入口部側温度計測手段で計測した温度及び中間部温度計測手段で計測した温度に基づいてＣＯ選択酸化触媒の入口部から中間部に至るＣＯ選択酸化触媒中のガスの通流方向の温度勾配、並びに、中間部温度計測手段で計測した温度及び出口部側温度計測手段で計測した温度に基づいてＣＯ選択酸化触媒の中間部から出口部に至るＣＯ選択酸化触媒中のガスの通流方向の温度勾配を演算する温度勾配演算手段と、この温度勾配演算手段で演算した各温度勾配の経時変化に基づいてＣＯ選択酸化触媒中を通流するガスの触媒反応の終了位置となる反応終了部の位置を演算する反応終了位置演算手段とを備えた構成とすることにより上記課題を解決する。

このような構成とすれば、温度勾配演算手段が入口部側温度計測手段で計測した温度、中間部温度計測手段で計測した温度及び出口部側温度計測手段で計測した温度に基づいてＣＯ選択酸化触媒のガスの通流方向の温度勾配を演算し、反応終了位置演算手段が温度勾配演算手段で演算した温度勾配の経時変化に基づいて反応終了部の位置を演算するといった簡単な演算により、ＣＯ選択酸化触媒の劣化を判断できる。すなわち、ＣＯ選択酸化反応は発熱反応のため、使用の初期段階では、ＣＯ選択酸化触媒の入口部から中間部にかけて、ＣＯ選択酸化触媒の温度は、入口部の温度よりも漸次高くなり、中間部から出口部にかけて、ＣＯ選択酸化触媒の温度は、漸次低くなる。使用開始から時間が経過すると、中間部から出口部までの温度勾配も温度が漸次高くなる状態となり、温度ピークが得られなくなる。このように、ＣＯ選択酸化触媒では、使用開始から時間が経過すると温度ピークが得られなくなるが、温度ピークが得られなくなると触媒反応を制御することができなくなることから、温度ピークが得られなくなると入口部から反応終了部の位置までの距離が触媒の長さ以上となったと判断し、触媒の劣化を判断できる。したがって、触媒のガスの通流方向の温度勾配において温度ピークが得られない場合でも、演算処理を簡素化しながら触媒の劣化を判断できる。

また、ＣＯ選択酸化触媒のガスの通流方向の長さと、作動中の入口部から反応終了部までの距離とを比較する比較手段と、この比較手段で入口部から反応終了部までの距離がＣＯ選択酸化触媒のガスの通流方向の長さ以上となったことを検出したとき、改質ガス又は還元性ガス供給時にＣＯ選択酸化触媒を２００℃以上に昇温する加熱手段と、ＣＯ選択酸化触媒を２００℃以上３００℃以下の温度範囲に予め設定した時間の間制御する加熱制御手段とを備えた構成とする。これにより、ＣＯ選択酸化触媒の劣化を判断して、ＣＯ選択酸化触媒の再生を行うことができる。

さらに、改質触媒、ＣＯシフト触媒又はＣＯ選択酸化触媒のガスの通流方向の長さと、作動中の入口部から反応終了部までの距離を比較する比較手段と、この比較手段で入口部から前記反応終了部までの距離が改質触媒、ＣＯシフト触媒又はＣＯ選択酸化触媒のガスの通流方向の長さ以上となったことを検出したとき、触媒の交換時期を報知する報知手段とを備えた構成とする。これにより、触媒の劣化を判断して使用者に報知することができ、触媒の再生や交換を行う時期などを知らせることができる。

また、原燃料を改質反応により改質して水素を含む改質ガスを生成する内熱式の燃料改質部を有する水素製造装置と、この水素製造装置からの改質ガスを燃料として発電を行う燃料電池と、この燃料電池からの排熱を回収して給湯に利用する給湯部とを備えた燃料電池システムであり、水素製造装置として、上記のいずれかの水素製造装置を備えた構成の燃料電池システムとする。これにより、水素製造装置の触媒の劣化によって生じる問題を抑制でき、燃料電池システムの信頼性を向上できる。

本発明によれば、触媒のガスの通流方向の温度勾配において温度ピークが得られない場合でも、演算処理を簡素化しながら触媒の劣化を判断できる。

以下、本発明を適用してなる水素製造装置及び燃料電池システムの一実施形態について図１乃至図８を参照して説明する。図１は、本発明を適用してなる水素製造装置の概略構成と動作及びこの水素製造装置を備えた燃料電池システムの概略構成と動作を示すブロック図である。図２は、本発明を適用してなる水素製造装置の燃料改質部の概略構成と動作を模式的に示す断面図である。図３は、本発明を適用してなる水素製造装置のＣＯシフト部の概略構成と動作を模式的に示す断面図である。図４は、本発明を適用してなる水素製造装置のＣＯ選択酸化部の概略構成と動作を模式的に示す断面図である。図５は、本発明を適用してなる水素製造装置の燃料改質部が有する改質触媒の劣化の検知を説明する図である。図６は、本発明を適用してなる水素製造装置のＣＯシフト部が有するＣＯシフト触媒の劣化の検知を説明する図である。図７は、本発明を適用してなる水素製造装置のＣＯ選択酸化部が有するＣＯ選択酸化触媒の劣化の検知を説明する図である。図８は、本発明を適用してなる水素製造装置のＣＯ選択酸化部におけるＣＯ選択酸化触媒の劣化の検知と再生動作を示すフロー図である。

本実施形態の水素製造装置１は、図１に示すように、原燃料を改質反応により改質して水素を含む改質ガスを生成する改質触媒を有する内熱式の燃料改質部３、燃料改質部３で生成された改質ガス中のＣＯガスと水蒸気とを反応させて水素ガスとＣＯ_２ガスとに変換するＣＯシフト触媒を有するＣＯシフト部５、ＣＯシフト部５からの改質ガス中に含まれるＣＯを選択的に酸化するＣＯ選択酸化触媒を有するＣＯ選択酸化部７などを備えている。

燃料改質部３は、改質触媒により、例えば炭化水素系燃料、アルコール類燃料又はエーテル類燃料などの原燃料を、酸素、空気と水又は水蒸気などと反応させる改質反応により改質して水素を含む改質ガスを生成する。本実施形態では、原燃料として都市ガスｇを、空気ａ及び水ｗと反応させる場合を例としている。したがって、燃料改質部３には、都市ガス供給配管９、空気供給配管１１、そして、水供給配管１３が連結されている。都市ガス供給配管９には、都市ガスｇ中の付臭剤つまり硫黄成分を除去する脱硫器１５、脱硫された都市ガスｇを圧縮して高圧にするためのガス圧縮機１７が設けられている。空気供給配管１１には、空気ポンプ１９が、水供給配管１３には、水ポンプ２１が設置されている。

原燃料である都市ガスｇ、空気ａ及び水ｗは、各々補助燃焼部２３で加熱後、燃料改質部３へ供給される。したがって、都市ガス供給配管９、空気供給配管１１及び水供給配管１３は、各々、ガス圧縮機１７、空気ポンプ１９及び水ポンプ２１よりも、都市ガスｇ、空気ａ及び水ｗの流れに対して下流側に補助燃焼部２３が設けられた状態となっている。補助燃焼部２３は、都市ガスｇを燃料としており、改質部助燃用都市ガス供給管２５が連結されており、改質部助燃用都市ガス供給管２５には、改質部助燃用都市ガス圧縮機２７が設けられている。また、補助燃焼部２３には、補助燃焼部２３で生じた燃焼排ガスを排出するための燃焼排ガス排出流路２９が設けられている。

水供給配管１３の水ポンプ２１よりも、水ｗの流れに対して下流側の部分には、燃料改質部３からの改質ガスの熱によって水ｗを予熱するための改質ガス用熱交換器３１が設けられている。したがって、改質ガス用熱交換器３１は、燃料改質部３からの改質ガスをＣＯシフト部５に導く改質ガス配管３３にも設けられた状態となっている。なお、改質ガス用熱交換器３１は、水供給配管１３の補助燃焼部２３よりも、水ｗの流れに対して上流側の部分に設けられている。

本実施形態の燃料改質部３は、燃料改質部３が有する改質触媒の原燃料である都市ガスｇの入口部側に設けた入口部側温度計測手段となる入口部側熱電対３５、そして、改質触媒中を通流するガスの触媒反応の終了位置となる反応終了部の触媒の使用開始当初の位置に対応する改質触媒の部分に設けた反応終了部側温度計測手段となる反応終了部側熱電対３７を有している。

ＣＯシフト部５は、改質ガス配管３３に設けられており、ＣＯシフト部５には、ＣＯシフト部用の冷却水ｃ１が通流するＣＯシフト触媒用熱交換器３９が設けられている。また、ＣＯシフト部５は、ＣＯシフト部５が有するＣＯシフト触媒の燃料改質部３からの改質ガスの入口部側に設けた入口部側温度計測手段となる入口部側熱電対４１、そして、ＣＯシフト触媒中を通流するガスの触媒反応の終了位置となる反応終了部の触媒の使用開始当初の位置に対応するＣＯシフト触媒の部分に設けた反応終了部側温度計測手段となる反応終了部側熱電対４３を有している。

ＣＯ選択酸化部７は、改質ガス配管３３のＣＯシフト部５よりも改質ガスの流れに対して下流側に設けられており、ＣＯ選択酸化部７には、ＣＯ選択酸化部用の冷却水ｃ２が通流するＣＯ選択酸化触媒用熱交換器４５が設けられている。また、ＣＯ選択酸化部７は、ＣＯ選択酸化部７５が有するＣＯ選択酸化触媒のＣＯシフト部５からの改質ガスの入口部側に設けた入口部側温度計測手段となる入口部側熱電対４７、ＣＯ選択酸化触媒中のガスの通流方向の中間部に設けた中間部側温度計測手段となる中間部熱電対４９、そして、ＣＯ選択酸化触媒の、このＣＯ選択酸化触媒中を通流するガスの出口部側に設けた出口部側温度計測手段となる出口部側熱電対５１を有している。

改質ガス配管３３のＣＯシフト部５とＣＯ選択酸化部７の間の部分にはＣＯ選択酸化部７でＣＯを酸化処理するための酸化用の空気ａを供給するための酸化用空気供給管５３が合流している。酸化用空気供給管５３には、酸化用空気ポンプ５５が設けられている。

本実施形態の水素製造装置１は、燃料改質部３の改質触媒、ＣＯシフト部５のＣＯシフト触媒、そして、ＣＯ選択酸化部７のＣＯ選択酸化触媒のガスの通流方向の温度勾配を演算する温度勾配演算手段の機能、演算した温度勾配の経時変化に基づいて各触媒における触媒反応の終了位置となる反応終了部の位置を演算する反応終了位置演算手段の機能、改質触媒、ＣＯシフト触媒、そして、ＣＯ選択酸化触媒のガスの通流方向の長さと、入口部から反応終了部までの距離を比較する比較手段の機能、比較手段の機能によって得た結果から触媒の交換時期を報知するための信号を出力する報知手段の機能を兼ね備えた制御部５７を備えている。さらに、本実施形態の水素製造装置１は、制御部５７が各触媒の劣化を判断したとき、制御部５７からの信号に応じて触媒の交換時期であることを表示して使用者に報知する表示部５９を備えている。

制御部５７は、燃料改質部３の入口部側熱電対３５及び反応終了部側熱電対３７、ＣＯシフト部５の入口部側熱電対４１及び反応終了部側熱電対４３、そして、ＣＯ選択酸化部７の入口部側熱電対４７、中間部熱電対４９及び出口部側熱電対５１と、各々、配線６１を介して電気的に接続されている。また、制御部５７は、表示部５９と配線６１を介して電気的に接続されている。

ここで、燃料改質部３、ＣＯシフト部５、そして、ＣＯ選択酸化部７の各々における触媒や熱電対の設置位置などの構成について説明する。燃料改質部３には、図２に示すように、ガスの流路３ａに、ガスの通流方向に対して上流側から、ハニカム型の燃焼触媒３ｂ、ハニカム型の改質触媒３ｃが順に設置されている。燃焼触媒３ｂと改質触媒３ｃとの間には隙間３ｄがあり、改質触媒３ｃの入口部側の温度を計測する入口部側熱電対３５は、この隙間３ｄに挿入された状態で設置されている。改質触媒３ｃの初期設置時つまり使用開始当初の、ガスの触媒反応の終了位置となる反応終了部に対応する位置には、反応終了部側熱電対３７が設置されている。反応終了部側熱電対３７は、改質触媒３ｃの出口部側から入口部に向けて改質触媒３ｃ内に挿入された状態になっている。

ＣＯシフト部５には、図３に示すように、ガスの流路５ａに、粒状のＣＯシフト触媒を充填することで、ＣＯシフト触媒５ｂを設置している。ＣＯシフト触媒５ｂのガスの入口部には、入口部側熱電対４１が、ＣＯシフト触媒５ｂの初期充填時つまり使用開始当初の、ガスの触媒反応の終了位置となる反応終了部に対応する位置には、反応終了部側熱電対４３が設置されている。入口部側熱電対４１及び反応終了部側熱電対４３は、各々の設置位置で、ＣＯシフト触媒５ｂ中に挿入された状態で設置されている。

ＣＯ選択酸化部７には、図４に示すように、ガスの流路７ａに、ガスの通流方向に対して上流側から、粒状のＣＯ選択酸化触媒を２段に分けて充填することで、前流側ＣＯ選択酸化触媒７ｂ及び後流側ＣＯ選択酸化触媒７ｃを順に設置している。前流側ＣＯ選択酸化触媒７ｂと後流側ＣＯ選択酸化触媒７ｃとの間には、ＣＯの酸化反応により生じた酸化熱を抑制するための冷却部７ｄが設けられている。前流側ＣＯ選択酸化触媒７ｂのガスの入口部には、入口部側熱電対４７が、前流側ＣＯ選択酸化触媒７ｂと後流側ＣＯ選択酸化触媒７ｃとを合わせて見たときに触媒のガスの通流方向の中間部となる前流側ＣＯ選択酸化触媒７ｂのガスの出口部には、中間部熱電対４９が設置されている。また、後流側ＣＯ選択酸化触媒７ｃのガスの出口部には、出口部側熱電対５１が設置されている。

さらに、本実施形態のＣＯ選択酸化部７では、前流側ＣＯ選択酸化触媒７ｂに昇温用ヒータ６３が設置されている。昇温用ヒータ６３には、触媒をできるだけ均一に昇温させるため、渦巻状シースヒータを用いている。昇温用ヒータ６３は、中間部熱電対４９によって計測した温度に応じて触媒を２００℃以上３００℃以下の温度範囲に制御するため、図示していない配線を介して制御部５７に電気的に接続されている。また、本実施形態の制御部５７は、昇温用ヒータ６３によって予め設定した時間の間、触媒を２００℃以上３００℃以下の温度範囲に制御するため、タイマー機能も有している。

このような構成の水素製造装置１を備えた部分酸化式の燃料電池システムとして、固体高分子形燃料電池（以下、ＰＥＦＣと略称する）システム６５の構成について説明する。本実施形態のＰＥＦＣシステム６５は、図１に示すように、水素製造装置１に、ＰＥＦＣつまり固体高分子形燃料電池６７、インバータ６９、貯湯槽７１などを加えた構成となっている。固体高分子形燃料電池６７は、水素製造装置１から改質ガス配管３３を介して送られてくるＣＯ濃度を低減した改質ガスを燃料とする燃料電池であり、アノード６７ａ側に改質ガス配管３３が連結されている。一方、固体高分子形燃料電池６７のカソード６７ｂ側には、空気ａを供給するためのカソード用空気配管７３が連結されており、カソード用空気配管７３には、カソード空気用ポンプ７５が設けられている。

そして、固体高分子形燃料電池６７は、改質ガス配管３３から供給されるＣＯ濃度を低減した改質ガス中に含まれる水素とカソード用空気配管７３から供給される空気ａ中に含まれる酸素とがアノード６７ａ、カソード６７ｂで電極反応することで発電を行なう。このとき、電極反応で発電に利用されなかった水素は発熱し、この熱は、固体高分子形燃料電池６７の排熱として、凝縮水の潜熱とともに電池部冷却水配管７７を通流する固体高分子形燃料電池６７の冷却水ｃ３を介して回収される。貯湯槽７１には、電池部冷却水配管７７が連結されており、熱回収した冷却水ｃ３は、電池部冷却水配管７７によって貯湯槽７１へ導かれ、給湯として利用される。アノード６７ａ側の電極反応に利用されなかった水素を含むガス及びカソード６７ｂ側のガスは、アノード排ガス排出管７９及びカソード排ガス管８１から、アノード排ガス及びカソード排ガスとして排出される。

また、貯湯槽７１には、貯湯槽７１内の湯を供給するための給湯用配管８３、貯湯槽７１に水ｗを補給するための給湯補給水供給配管８５、追い焚などのための貯湯加熱用配管８７などが連結されている。さらに、給湯の追い焚きなどを行なうための給湯器８９が設けられている。給湯補給水供給配管８５は、給湯器８９と貯湯槽７１との間を貯湯槽７１内の湯が循環するように配管されている。給湯補給水供給配管８５は、貯湯槽７１よりも水ｗの流れに対して上流側で給湯器８９を水ｗが通過するように配管されている。給湯器８９には、給湯部助燃用の都市ガスｇを給湯器８９へ供給する給湯部助燃用都市ガス供給配管９１が連結されている。給湯部助燃用都市ガス供給配管９１には、給湯部助燃用都市ガス圧縮機９３が設けられている。

このような構成の水素製造装置１における各触媒の劣化の判断などの動作や本発明の特徴部などについて説明する。燃料改質部３では、図２に示すように、制御部５７は、入口部側熱電対３５及び反応終了部側熱電対３７から伝達されてくる温度に基づいて、改質触媒３ｃの入口部側から反応終了部側に至るガスの通流方向の温度勾配を演算する。そして、演算した温度勾配の経時変化に基づいて使用期間中の反応終了部の位置の変化を演算する。

このとき、改質反応は吸熱反応のため、図５に示すように、改質触媒３ｃの入口から使用開始初期の反応終了部までの距離ｌ_０の間には、改質触媒３ｃの入口の温度Ｔ_１から改質触媒３ｃの入口の温度Ｔ_１より低い反応終了部の温度Ｔ_２,０へ漸次温度が低くなる温度勾配が生じる。燃料改質部３を使用して時間が経過するとともに改質触媒３ｃの劣化が進行すると、使用開始初期の反応終了部であった改質触媒３ｃの部分の温度は、温度Ｔ_２,０から、この温度Ｔ_２,０よりも高く、改質触媒３ｃの入口の温度Ｔ_１よりも低い温度Ｔ_２まで上昇する。したがって、温度Ｔ_２,０である反応終了部の位置は改質触媒３ｃの出口部側に移動し、改質触媒３ｃの入口と反応終了部との間の温度勾配は、使用時間の経過とともに緩やかになって行く。

そこで、所定時間経過したときの改質触媒３ｃの入口から反応終了部までの距離をｌ_ｒ、温度Ｔ_２,０となる反応終了部の位置が使用開始初期の位置から改質触媒３ｃの出口部側に移動した距離をｌ_ｉとすると、ｌ_ｒ（＝ｌ_０＋ｌ_ｉ）つまり反応終了部の位置は、以下の式（１）を用いて、温度勾配の経時変化に基づいて算出することができる。

ｌ_ｒ＝（１＋（Ｔ_２−Ｔ_２,０）／（Ｔ_１−Ｔ_２,０））×ｌ_０・・・（１）

本実施形態の水素製造装置１の制御部５７は、入口部側熱電対３５及び反応終了部側熱電対３７で計測した温度や、予め入力されている改質触媒３ｃの入口から使用開始初期の反応終了部までの距離ｌ_０から式（１）によって、所定時間経過したときの改質触媒３ｃの入口から反応終了部までの距離ｌ_ｒを求めている。さらに、本実施形態の水素製造装置１の制御部５７は、所定時間経過したときの改質触媒３ｃの入口から反応終了部までの距離ｌ_ｒと改質触媒３ｃのガスの通流方向の長さｌ_ｃとを比較し、所定時間経過したときの改質触媒３ｃの入口から反応終了部までの距離ｌ_ｒが改質触媒３ｃのガスの通流方向の長さｌ_ｃ以上となった場合、触媒が劣化したと判断している。このような演算の結果、触媒が劣化して交換時期となっている場合、制御部５７は、表示部５９へ、改質触媒３ｃの交換を報知するための表示を行なう指令信号を出力する。

ＣＯシフト部５では、図３に示すように、制御部５７は、入口部側熱電対４１及び反応終了部側熱電対４３から伝達されてくる温度に基づいて、ＣＯシフト触媒５ｂの入口部側から反応終了部側に至るガスの通流方向の温度勾配を演算する。そして、演算した温度勾配の経時変化に基づいて使用期間中の反応終了部の位置の変化を演算する。

このとき、ＣＯシフト反応は発熱反応のため、図６に示すように、ＣＯシフト触媒５ｂの入口から使用開始初期の反応終了部までの距離ｌ_０の間には、ＣＯシフト触媒５ｂの入口の温度Ｔ_１からＣＯシフト触媒５ｂの入口の温度Ｔ_１より高い反応終了部の温度Ｔ_２,０へ漸次温度が高くなる温度勾配が生じる。ＣＯシフト部５を使用して時間が経過するとともにＣＯシフト触媒５ｂの劣化が進行すると、使用開始初期の反応終了部であったＣＯシフト触媒５ｂの部分の温度は、温度Ｔ_２,０から、この温度Ｔ_２,０よりも低く、ＣＯシフト触媒５ｂの入口の温度Ｔ_１よりも高い温度Ｔ_２まで降下する。したがって、温度Ｔ_２,０である反応終了部の位置はＣＯシフト触媒５ｂの出口部側に移動し、ＣＯシフト触媒５ｂの入口と反応終了部との間の温度勾配は、使用時間の経過とともに緩やかになって行く。

そこで、所定時間経過したときのＣＯシフト触媒５ｂの入口から反応終了部までの距離をｌ_ｒ、温度Ｔ_２,０となる反応終了部の位置が使用開始初期の位置からＣＯシフト触媒５ｂの出口部側に移動した距離をｌ_ｉとすると、ｌ_ｒ（＝ｌ_０＋ｌ_ｉ）つまり反応終了部の位置は、改質触媒３ｃの場合と同様に、上記の式（１）を用いて、温度勾配の経時変化に基づいて算出することができる。

本実施形態の水素製造装置１の制御部５７は、入口部側熱電対４１及び反応終了部側熱電対４３で計測した温度や、予め入力されているＣＯシフト触媒５ｂの入口から使用開始初期の反応終了部までの距離ｌ_０から式（１）によって、所定時間経過したときのＣＯシフト触媒５ｂの入口から反応終了部までの距離ｌ_ｒを求めている。さらに、本実施形態の水素製造装置１の制御部５７は、所定時間経過したときのＣＯシフト触媒５ｂの入口から反応終了部までの距離ｌ_ｒとＣＯシフト触媒５ｂのガスの通流方向の長さｌ_ｃとを比較し、所定時間経過したときのＣＯシフト触媒５ｂの入口から反応終了部までの距離ｌ_ｒがＣＯシフト触媒５ｂのガスの通流方向の長さｌ_ｃ以上となった場合、触媒が劣化したと判断している。このような演算の結果、触媒が劣化して交換時期となっている場合、制御部５７は、表示部５９へ、ＣＯシフト触媒５ｂの交換を報知するための表示を行なう指令信号を出力する。

ＣＯ選択酸化部７では、図４に示すように、制御部５７は、入口部側熱電対４７、中間部熱電対４９及び出口部側熱電対５１から伝達されてくる温度に基づいて、前流側ＣＯ選択酸化触媒７ｂの入口部側から中間部に至るガスの通流方向の温度勾配、中間部から出口部側に至るガスの通流方向の温度勾配を演算する。そして、演算した温度勾配の経時変化に基づいて使用期間中の反応終了部の位置の変化を演算する。

このとき、ＣＯ選択酸化反応は発熱反応のため、図７に示すように、ＣＯ選択酸化触媒７ｂの入口から使用開始初期の反応ピーク部までの距離ｌ_０の間には、前流側ＣＯ選択酸化触媒７ｂの入口の温度Ｔ_１から前流側ＣＯ選択酸化触媒７ｂの入口の温度Ｔ_１より高い反応ピーク部の温度Ｔ_ｐ,０へ漸次温度が高くなる温度勾配が生じる。また、ＣＯ選択酸化部７は、ＣＯ選択酸化反応をできるだけ最適の状態で進行させるため、触媒温度を２００℃以下とする必要があり、そのため、前流側ＣＯ選択酸化触媒７ｂと後流側ＣＯ選択酸化触媒７ｃの間に冷却部７ｄを備えている。このため、冷却部７ｄで反応熱を除去することにより、後流側ＣＯ選択酸化触媒７ｃの出口側における温度Ｔ_ｔ,０は、冷却部７ｄに位置する反応ピーク部の温度Ｔ_ｐ,０よりも低くなる。つまり、反応ピーク部よりも後流側ＣＯ選択酸化触媒７ｃの出口側へは、漸次温度が低くなる温度勾配が生じる。時間の経過とともに触媒の劣化が進行すると反応ピーク部の温度が下降する。このとき、反応ピーク部が冷却部７ｄを超えていない場合、つまり、後流側ＣＯ選択酸化触媒７ｃにない場合、後流側ＣＯ選択酸化触媒７ｃの出口における温度Ｔ_{ｔ, ｉ}は、使用開始初期に反応ピーク部があった位置の温度Ｔ_ｐ,ｉより低くなる。

一方、反応ピーク部が冷却部７ｄを超えた場合、つまり、後流側ＣＯ選択酸化触媒７ｃに位置する場合、後流側ＣＯ選択酸化触媒７ｃの出口における温度Ｔ_{ｔ, ｉ}は、使用開始初期に反応ピーク部があった位置の温度Ｔ_ｐ,ｉより高くなる。そして、前流側ＣＯ選択酸化触媒７ｂの入口から反応ピーク部までの温度勾配、反応ピーク部から後流側ＣＯ選択酸化触媒７ｃの出口までの温度勾配がともに、漸次温度が高くなる状態となる。このように反応ピーク部が温度のピークとはならない状態となると、反応を制御することができなくなるため、後流側ＣＯ選択酸化触媒７ｃの反応終了部までの距離ｌ_ｒが、ＣＯ選択酸化触媒７ｂ、７ｃのガスの通流方向の長さｌ_ｃ以上となったと考えることで、反応終了部の位置を、改質触媒３ｃなどの場合と同様に、温度勾配の経時変化に基づいて演算し、そして、この反応終了部の位置に基づいて触媒の劣化を判断できる。

本実施形態の水素製造装置１の制御部５７は、入口部側熱電対４７、中間部熱電対４９及び出口部側熱電対５１で計測した温度によって、前流側ＣＯ選択酸化触媒７ｂの入口から反応ピーク部までの温度勾配、反応ピーク部から後流側ＣＯ選択酸化触媒７ｃの出口までの温度勾配がともに、漸次温度が高くなる温度勾配となったとき、反応終了部の位置が前流側ＣＯ選択酸化触媒７ｂ、冷却部７ｄ、後流側ＣＯ選択酸化触媒７ｃを併せたガスの通流方向の長さｌ_ｃ以上となったことを求めている。さらに、本実施形態の水素製造装置１の制御部５７は、反応終了部の位置が触媒のガスの通流方向の長さｌ_ｃ以上となった場合、前流側ＣＯ選択酸化触媒７ｂ及び後流側ＣＯ選択酸化触媒７ｃが劣化したと判断している。このような演算の結果、触媒が劣化して交換時期となっている場合、制御部５７は、表示部５９へ、前流側ＣＯ選択酸化触媒７ｂ及び後流側ＣＯ選択酸化触媒７ｃの交換を報知するための表示を行なう指令信号を出力する。

さらに、本実施形態のＣＯ選択酸化部７では、図４に示すように、昇温用ヒータ６３が設置されている。そして、制御部５７は、図８に示すように、前流側ＣＯ選択酸化触媒７ｂ及び後流側ＣＯ選択酸化触媒７ｃの劣化を検知すると（ステップ１０１）、昇温用ヒータ６３の設定温度を２４０℃に変更する（ステップ１０３）。このとき、冷却部６７の冷却水量を増加させ（ステップ１０５）、さらに、酸化用空気ポンプ５５を停止する（ステップ１０７）。これにより、改質ガスで前流側ＣＯ選択酸化触媒７ｂ及び後流側ＣＯ選択酸化触媒７ｃを再還元して触媒再生を行うことができる。制御部５７は、ステップ１０３−ステップ１０７の状態を、タイマー制御により予め設定された時間、例えば１時間継続した後（ステップ１０９）、昇温用ヒータ６３の設定温度を運転温度に戻し（ステップ１１１）、冷却部７ｄの冷却水量を定常量に戻し（ステップ１１３）、そして、酸化用空気ポンプ５５を作動させ（ステップ１１５）、定常運転に戻る。

このように、本実施形態の水素製造装置１及びＰＥＦＣシステム６５では、燃料改質部３に入口部側熱電対３５及び反応終了部側熱電対３７を、ＣＯシフト部５に入口部側熱電対４１及び反応終了部側熱電対４３を、そして、ＣＯ選択酸化部７に入口部側熱電対４７、中間部熱電対４９及び出口部側熱電対５１を温度計測手段として設けている。そして、制御部５７は、各温度計測手段で計測した温度に基づいて触媒のガスの通流方向の温度勾配を演算する温度勾配演算手段と、この温度勾配演算手段で演算した温度勾配の経時変化に基づいて反応終了部の位置を演算する反応終了位置演算手段の機能を有している。このため、燃料改質部３、ＣＯシフト部５、ＣＯ選択酸化部７のように温度ピークが得られない場合でも、各温度計測手段で計測した温度に基づいて触媒のガスの通流方向の温度勾配を演算し、演算した温度勾配の経時変化に基づいて反応終了部の位置を演算するといった簡単な演算により、触媒の劣化を判断できる。すなわち、触媒のガスの通流方向の温度勾配において温度ピークが得られない場合でも、演算処理を簡素化しながら触媒の劣化を判断できる。

さらに、燃料改質部３及びＣＯシフト部５では、使用開始初期の反応終了部における温度勾配に基づいて、また、ＣＯ選択酸化部７の場合、使用開始初期の反応ピーク部における温度勾配に基づいて、水素製造装置１の運転中、継続して各々の触媒の余寿命を判断することができる。加えて、水素製造装置１に搭載した各触媒の交換時期を適切に把握することができる。その結果、水素製造装置１の触媒に起因する種々のトラブルを抑制でき、長期間にわたるＰＥＦＣシステムの安定運転が可能となる。

さらに、本実施形態の水素製造装置１及びＰＥＦＣシステム６５では、制御部５７は、改質触媒３ｃ、ＣＯシフト触媒５ｂ又はＣＯ選択酸化触媒７ｂ、７ｃのガスの通流方向の長さと、作動中の入口部から反応終了部までの距離を比較する比較手段や、この比較手段で入口部から反応終了部までの距離が改質触媒３ｃ、ＣＯシフト触媒５ｂ又はＣＯ選択酸化触媒７ｂ、７ｃのガスの通流方向の長さ以上となったことを検出したとき、触媒の交換時期を報知する報知手段の役割を果たしている。このため、触媒の劣化を判断して使用者に報知することができ、触媒の再生や交換を行う時期などを知らせることができる。

加えて、本実施形態の水素製造装置１及びＰＥＦＣシステム６５では、ＣＯ選択酸化部７に昇温用ヒータ６３を備えている。そして、制御部５７は、水素製造装置１が入口部から反応終了部までの距離がＣＯ選択酸化触媒７ｂ、７ｃなどのガスの通流方向の長さ以上となったことを検出したとき、昇温用ヒータ６３によって改質ガス又は還元性ガス供給時にＣＯ選択酸化触媒７ｂ、７ｃを２００℃以上に昇温し、ＣＯ選択酸化触媒７ｂ、７ｃを２００℃以上３００℃以下の温度範囲に予め設定した時間の間制御している。これにより、ＣＯ選択酸化触媒の劣化を判断して、ＣＯ選択酸化触媒の再生を行うことができる。

さらに、本実施形態のＰＥＦＣシステム６５では、水素製造装置１を備えているため、水素製造装置の触媒の劣化によって生じる問題を抑制でき、信頼性を向上できる。

また、本実施形態の水素製造装置１では、燃料改質部３、ＣＯシフト部５、そして、ＣＯ選択酸化部７の全てに温度計測手段を設け、燃料改質部３、ＣＯシフト部５、そして、ＣＯ選択酸化部７の全てで触媒の劣化を判断できる構成としている。しかし、燃料改質部３、ＣＯシフト部５、そして、ＣＯ選択酸化部７の少なくとも１つに温度計測手段を設け、燃料改質部３、ＣＯシフト部５、そして、ＣＯ選択酸化部７の少なくとも１つ触媒の劣化を判断できる構成などにすることもできる。ただし、水素製造装置１の信頼性を向上する上では、本実施形態のように、燃料改質部３、ＣＯシフト部５、そして、ＣＯ選択酸化部７の全てに温度計測手段を設け、燃料改質部３、ＣＯシフト部５、そして、ＣＯ選択酸化部７の全てで触媒の劣化を判断できる構成とすることが望ましい。

また、本実施形態では、入口部、使用開始当初の反応終了部、中間部、出口部に各々１つずつ熱電対を設けた構成を示したが、各部に複数の熱電対を設けた構成にすることもできる。また、本実施形態では、表示部５９を備えた構成を示したが、表示部５９を備えていない構成や、その他の報知手段を設けた構成などにすることもできる。

また、本実施形態では、制御部５７は、温度勾配演算手段、反応終了位置演算手段、比較手段の全ての機能を果たすものであるが、比較手段の機能を果たさず、反応終了位置演算結果を出力する構成などにすることもできる。また、本実施形態では、温度勾配演算手段、反応終了位置演算手段、比較手段を１つの制御部５７が果たす場合を例示しているが、温度勾配演算手段、反応終了位置演算手段、比較手段は別個のユニットとして構成することもできる。さらに、制御部５７から、触媒の交換の指令信号を、電気通信回線等などを通じて遠隔地に設けられた報知手段や監視手段などに出力する構成にすることもできる。

このように、本発明は、本実施形態の構成の水素製造装置１やＰＥＦＣシステム６５に限らず、様々な構成の水素製造装置や燃料電池システムに適用できる。

本発明を適用してなる水素製造装置の一実施形態の概略構成と動作及びこの水素製造装置を備えた燃料電池システムの一実施形態の概略構成と動作を示すブロック図である。 本発明を適用してなる水素製造装置の一実施形態の燃料改質部の概略構成と動作を模式的に示す断面図である。 本発明を適用してなる水素製造装置の一実施形態のＣＯシフト部の概略構成と動作を模式的に示す断面図である。 本発明を適用してなる水素製造装置の一実施形態のＣＯ選択酸化部の概略構成と動作を模式的に示す断面図である。 本発明を適用してなる水素製造装置の一実施形態の燃料改質部が有する改質触媒の劣化の検知を説明する図である。 本発明を適用してなる水素製造装置の一実施形態のＣＯシフト部が有するＣＯシフト触媒の劣化の検知を説明する図である。 本発明を適用してなる水素製造装置の一実施形態のＣＯ選択酸化部が有するＣＯ選択酸化触媒の劣化の検知を説明する図である。 本発明を適用してなる水素製造装置の一実施形態のＣＯ選択酸化部におけるＣＯ選択酸化触媒の劣化の検知と再生動作を示すフロー図である。

符号の説明

１ 水素製造装置
３ 燃料改質部
５ ＣＯシフト部
７ ＣＯ選択酸化部
３５ 燃料改質部の入口部側熱電対
３７ 燃料改質部の反応終了部側熱電対
４１ ＣＯシフト部の入口部側熱電対
４３ ＣＯシフト部の反応終了部側熱電対
４７ ＣＯ選択酸化部の入口部側熱電対
４９ ＣＯ選択酸化部の中間部熱電対
５１ ＣＯ選択酸化部の出口部側熱電対
５７ 制御部

Claims (6)

1. 原燃料を改質反応により改質して水素を含む改質ガスを生成する改質触媒が設置されたガスの流路を有する内熱式の燃料改質部と、前記改質触媒の原燃料の入口部側に設けた入口部側温度計測手段と、前記改質触媒中を通流するガスの触媒反応の終了位置となる反応終了部の触媒の使用開始当初の位置に対応する前記改質触媒の部分に設けた反応終了部側温度計測手段と、前記入口部側温度計測手段で計測した温度及び前記反応終了部側温度計測手段で計測した温度に基づいて前記改質触媒のガスの通流方向の温度勾配を演算する温度勾配演算手段と、該温度勾配演算手段で演算した温度勾配の経時変化に基づいて前記反応終了部の位置を演算する反応終了位置演算手段とを備えた水素製造装置。
2. 原燃料を改質反応により改質して水素を含む改質ガスを生成する改質触媒が設置されたガスの流路を有する内熱式の燃料改質部と、該燃料改質部で生成された改質ガス中のＣＯガスと水蒸気とを反応させて水素ガスとＣＯ_２ガスとに変換するＣＯシフト触媒が設置されたガスの流路を有するＣＯシフト部と、前記ＣＯシフト触媒の前記燃料改質部からの改質ガスの入口部側に設けた入口部側温度計測手段と、前記ＣＯシフト触媒中を通流するガスの触媒反応の終了位置となる反応終了部の触媒の使用開始当初の位置に対応する前記ＣＯシフト触媒の部分に設けた反応終了部側温度計測手段と、前記入口部側温度計測手段で計測した温度及び前記反応終了部側温度計測手段で計測した温度に基づいて前記ＣＯシフト触媒のガスの通流方向の温度勾配を演算する温度勾配演算手段と、該温度勾配演算手段で演算した温度勾配の経時変化に基づいて前記反応終了部の位置を演算する反応終了位置演算手段とを備えた水素製造装置。
3. 原燃料を改質反応により改質して水素を含む改質ガスを生成する改質触媒が設置されたガスの流路を有する内熱式の燃料改質部と、該燃料改質部で生成された改質ガス中のＣＯガスと水蒸気とを反応させて水素ガスとＣＯ_２ガスとに変換するＣＯシフト触媒が設置されたガスの流路を有するＣＯシフト部と、該ＣＯシフト部からの改質ガス中に含まれるＣＯを選択的に酸化するＣＯ選択酸化触媒が設置されたガスの流路を有するＣＯ選択酸化部と、前記ＣＯ選択酸化触媒の前記ＣＯシフト部からの改質ガスの入口部側に設けた入口部側温度計測手段と、前記ＣＯ選択酸化触媒の、該ＣＯ選択酸化触媒中のガスの通流方向の中間部に設けた中間部温度計測手段と、前記ＣＯ選択酸化触媒の、該ＣＯ選択酸化触媒中を通流するガスの出口部側に設けた出口部側温度計測手段と、前記入口部側温度計測手段で計測した温度及び前記中間部温度計測手段で計測した温度に基づいて前記ＣＯ選択酸化触媒の入口部から中間部に至る前記ＣＯ選択酸化触媒中のガスの通流方向の温度勾配並びに前記中間部温度計測手段で計測した温度及び前記出口部側温度計測手段で計測した温度に基づいて前記ＣＯ選択酸化触媒の中間部から出口部に至る前記ＣＯ選択酸化触媒中のガスの通流方向の温度勾配を演算する温度勾配演算手段と、該温度勾配演算手段で演算した各温度勾配の経時変化に基づいて前記ＣＯ選択酸化触媒中を通流するガスの触媒反応の終了位置となる反応終了部の位置を演算する反応終了位置演算手段とを備えた水素製造装置。
4. 前記ＣＯ選択酸化触媒のガスの通流方向の長さと、作動中の前記入口部から前記反応終了部までの距離とを比較する比較手段と、該比較手段で前記入口部から前記反応終了部までの距離が前記ＣＯ選択酸化触媒のガスの通流方向の長さ以上となったことを検出したとき、改質ガス又は還元性ガス供給時に前記ＣＯ選択酸化触媒を２００℃以上に昇温する加熱手段と、前記ＣＯ選択酸化触媒を２００℃以上３００℃以下の温度範囲に予め設定した時間の間制御する加熱制御手段とを備えたことを特徴とする請求項３に記載の水素製造装置。
5. 前記改質触媒、前記ＣＯシフト触媒又は前記ＣＯ選択酸化触媒のガスの通流方向の長さと、作動中の前記入口部から前記反応終了部までの距離を比較する比較手段と、該比較手段で前記入口部から前記反応終了部までの距離が前記改質触媒、前記ＣＯシフト触媒又は前記ＣＯ選択酸化触媒のガスの通流方向の長さ以上となったことを検出したとき、触媒の交換時期を報知する報知手段とを備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の水素製造装置。
6. 原燃料を改質反応により改質して水素を含む改質ガスを生成する内熱式の燃料改質部を有する水素製造装置と、該水素製造装置からの改質ガスを燃料として発電を行う燃料電池と、該燃料電池からの排熱を回収して給湯に利用する給湯部とを備えた燃料電池システムであり、
   前記水素製造装置として、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の水素製造装置を備えたことを特徴とする燃料電池システム。

Images