JP2008247701A - 燃料処理装置の運転制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 改質器、低温シフトコンバータ、ＣＯ選択酸化反応器に最適な温度分布を成立させる。
【解決手段】 断熱容器１９内にバーナ２０と燃焼ガス流路２２を設け、燃焼ガス流路２２内に改質器５と水蒸発器１２と低温シフトコンバータ６とＣＯ選択酸化反応器７を順に配設して燃料処理装置を形成する。バーナ２０の燃焼ガス温度がおよそ１０００℃に保持されるようにバーナ２０への燃焼用燃料３５の供給量を定め、その供給量を改質器５の上流側近傍位置での燃焼ガス温度を基に補正する。水蒸発器１２の下流側で検出される燃焼ガス温度が低温シフトコンバータ６に所望される温度範囲となるように、水蒸発器１２への水３５の供給量を制御する。低温シフトコンバータ６に接続した冷却水ライン３３の低温シフトコンバータ６出口側での冷却水温度が、低温シフトコンバータ６に所望される温度範囲となるように冷却水の供給量を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池へ供給する水素リッチな改質ガスを発生させるために原料の改質処理を行う燃料処理装置の運転制御方法及び装置に関するものである。

燃料電池は、燃料を用いた他の発電方法に比して熱効率が高く、又、環境汚染が少ないため、有効な発電装置として期待されている。特に、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、１００℃以下という低温で発電が行なわれ、出力密度が高いので、他の形式の燃料電池に比して小型化でき、しかも、起動が容易であること、等の長所があることから、近年、小規模な業務用あるいは家庭用等の発電装置として使用されるようになってきている。

上記固体高分子型燃料電池を用いた発電装置（ＰＥＦＣ発電装置）の一般的な構成は、以下のようにしてある。すなわち、図２に示す如く、電解質としてフッ素系のイオン交換膜が用いられている固体高分子電解質膜の両面をカソード（空気極）２とアノード（燃料極）３の両ガス拡散電極で挟持させてなるセルを、セパレータ（図示せず）を介し積層してスタックとしてなる構成として固体高分子型燃料電池１を形成する。上記固体高分子型燃料電池１におけるアノード３の入口側には、改質器５、低温シフトコンバータ６、ＣＯ選択酸化反応器（ＣＯ除去器）７を順に備えてなる燃料処理装置４と、加湿器８を設けている。これにより、燃料供給部より供給される都市ガス（天然ガス）やＬＰＧ、灯油等の原料（原燃料）９を、脱硫器１０にて脱硫した後、原料予熱器（原燃料気化器）１１にて予熱してから、水蒸発器１２より導かれる水蒸気１３と共に上記燃料処理装置４へ供給して、該燃料処理装置４の改質器５にておよそ７００℃前後に加熱して水蒸気改質を行わせるようにしてある。得られる改質ガス（燃料ガス）１４は、低温シフトコンバータ６に導いておよそ２５０℃前後まで温度低下させてシフト反応させ、更に、上記ＣＯ選択酸化反応器７にておよそ１５０℃前後まで温度低下させてＣＯ除去処理されるようにしてある。
しかる後、上記燃料処理装置４より送出される改質ガス１４は、加湿器８にて加湿された後、上記固体高分子型燃料電池１のアノード３へ供給されるようにしてある。一方、上記カソード２の入口側には、酸化ガスとして空気１５が、空気ブロワ１６で加圧された後、上記加湿器８を経てから供給されるようにしてある。

かかる構成としてあることにより、上記固体高分子型燃料電池１にて、アノード３側に供給される改質ガス１４中の水素と、カソード２側に供給される空気１５中の酸素とを電気化学反応（燃料電池反応）させて、この際発生する起電力を取り出すようにしてある。

上記固体高分子型燃料電池１による燃料電池反応の後、アノード３の出口より排出されるアノードオフガス１７には未反応の水素が残存している。そのために、上記アノードオフガス１７は、上記燃料処理装置４の改質器５に付設された図示しないバーナへ導いて燃焼させて、上記改質器５の改質室にて吸熱反応である水蒸気改質反応を進行させるための熱源として利用するようにしてある。

更に、上記アノードオフガス１７の発熱量が小さいことに鑑みて、上記燃料処理装置４のバーナには、燃料供給部より供給される都市ガスやＬＰＧ、灯油等の原料９の一部を追焚き燃料９ａとして供給して燃焼させることにより、上記燃料処理装置４を運転して改質器５にて原料９の水蒸気改質を行わせる際に、上記アノードオフガス１７の発熱量のみでは不足する熱量を補うようにしてある。１８は固体高分子型燃料電池１における冷却部である。

ところで、上記改質器５、シフトコンバータ６及びＣＯ選択酸化反応器７を備えてなる燃料処理装置４としては、図３に示す如く、１つの断熱容器１９内に、上記アノードオフガス１７や追焚き燃料９ａを燃焼用燃料として燃焼させることができるようにしてあるバーナ（燃焼器）２０を設けると共に、該バーナ２０にて発生される燃焼ガス２１を流通させる燃焼ガス流路２２を形成し、該燃焼ガス流路２２内に、上記改質器５と、該改質器５に関連する水蒸発器１２と、上記低温シフトコンバータ６と、ＣＯ選択酸化反応器７とを上流側より順に備えて、これらを１つのユニットにまとめてなる形式のものが従来提案されている。

すなわち、上記ユニット形式の燃料処理装置４は、所要の高さ寸法を有し且つ上端を閉塞した容器内筒１９ａと容器外筒１９ｂとの間に断熱層としての真空断熱層１９ｃを備えた断熱容器（真空断熱容器）１９の下端側に、ベースプレート（燃料処理装置底板）２３をベース外筒２４を介して気密に取り付けてある。上記ベースプレート２３の中心部には、上記断熱容器１９の上下方向中間部付近まで立ち上がるベース内筒２５を設け、該ベース内筒２５の上端部内側に上記バーナ２０が配設してある。

上記バーナ２０には、図示しないアノードオフガス配管を通して上記ベースプレート２３の下側位置まで導かれるアノードオフガス１７を、上記ベース内筒２５の内側に挿通させて配設してあるアノードオフガス供給路２６を通して供給できるようにしてある。又、外部より供給される追焚き燃料９ａを、図３に示す如き所要の経路を経て上記アノードオフガス供給路２６の先端部（上端部）の同心位置より供給できるようにしてある。これにより、上記バーナ２０にて、図示しない燃料電池より上記アノードオフガス配管、アノードオフガス供給路２６を経て供給されるアノードオフガス１７や、上記所要の経路を経て供給される追焚き燃料９ａを、上記ベース内筒２５の内側を通して上記バーナ２０へ下方より供給される空気１５を用いて燃焼させることができるようにしてある。

更に、上記ベース内筒２５の上側には、上記断熱容器１９の天井部付近まで上下方向に延びる炉筒２７を接続して、上記断熱容器１９における容器内筒１９ａの内面と、上記炉筒２７及びベース内筒２５の外周面との間に、上下方向に延びる円筒状の空間部を設けて、該空間部に上記燃焼ガス流路２２を形成させるようにしてある。これにより、上記バーナ２０における上記アノードオフガス１７や追焚き燃料９ａの燃焼により発生する高温（およそ１０００℃程度）の燃焼ガス２１を、上記炉筒２７を通して上記断熱容器１９の天井付近まで一旦導いた後、ガス流れ方向を下向きに反転させ、上記燃焼ガス流路２２を、上端側から断熱容器１９の下端側となる上記ベース外筒２４の側壁に設けた排気口２８へ向けて下向きに流通させることができるようにしてある。

上記炉筒２７の外周に位置する上記燃焼ガス流路２２の上部領域には、周方向所要間隔で改質器５を複数配設すると共に、その下方位置に、該各改質器５へ供給するための水蒸気１３を発生させる水蒸発器１２が配設してある。更に、上記ベース内筒２５の外周に位置する上記燃焼ガス流路２２の下部領域には、上記各改質器５の下流側に接続する低温シフトコンバータ６と、ＣＯ選択酸化反応器（選択酸化ＣＯ除去器）７が上方より順に配設してある。

上記原料予熱器（部分気化器）１１は、上記低温シフトコンバータ６の外周側の燃焼ガス流路２２内に配設してあり、外部より供給される改質用の原料（原燃料）９を上記水蒸発器１２を通過した後の燃焼ガス２１に残存する熱を利用して予熱できるようにしてある。該原料予熱器１１にて予熱された原料９は、上記燃焼ガス流路２２内における上記水蒸発器１２と上記低温シフトコンバータ６との間に配設してある混合器（混合ヘッダ）２９へ導いて、上記水蒸発器１２より導かれる水蒸気１３と混合して上記各改質器５へ供給できるようにしてある。

以上の構成としてあることにより、上記バーナ２０で発生させた高温の燃焼ガス２１が、上記炉筒２７内を上昇した後、上記燃焼ガス流路２２を下向きに流れるときに、上記各改質器５がおよそ７００℃程度まで加熱されるようにし、この状態にて、該各改質器５へ、上記混合器２９より上記予熱した原料９と水蒸気１３との混合ガスをそれぞれ供給して、水蒸気改質反応を進行させて改質ガス１４が発生されるようにしてある。該発生した改質ガス１４は、上記低温シフトコンバータ６へ導いてシフト反応させた後、上記ＣＯ選択酸化反応器７によりＣＯ除去処理を行わせ、得られる改質ガス１４を上記ＣＯ選択酸化反応器７の出口側に接続した改質ガス配管３０を通して送出できるようにしてある。

上記各改質器５における水蒸気改質反応の熱源として供されて温度が低下させられた燃焼ガス２１は、その残存する熱を、上記水蒸発器１２にて外部より供給される水３５を加熱して上記各改質器５へ供給する水蒸気１３を発生させるための熱源として利用した後、断熱容器１９の下端部の排気口２８まで導いて外部へ排気させるようにしてある。

上記において、低温シフトコンバータ６における改質ガス１４のシフト反応と、ＣＯ選択酸化反応器７にて改質ガス１４のＣＯ除去処理を行わせる反応は共に発熱反応である。
そのために、上記ＣＯ選択酸化反応器７と低温シフトコンバータ６には、共に冷却水配管３１と３２を装備すると共に、該各冷却水配管３１と３２を、冷却水ライン３３に直列に接続してある。これにより、外部より該冷却水ライン３３に供給される冷却水３４を、上記ＣＯ選択酸化反応器７の冷却水配管３１と低温シフトコンバータ６の冷却水配管３２に順に流通させて、上記ＣＯ選択酸化反応器７をおよそ１５０℃前後の温度範囲に、又、上記低温シフトコンバータ６をおよそ２５０℃前後の温度範囲にそれぞれ保持できるようにしてある。上記のようにおよそ２５０℃前後の温度範囲に保持されるようにしてある低温シフトコンバータ６の冷却水配管を通過した後の上記冷却水３４は、加熱されて水蒸気が発生されるようになる。そこで、該水蒸気は、上記水蒸発器１２にて発生させる水蒸気１３と同様に、原料９と混合して各改質器５へ分配供給するために利用できるようにしてある（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００５−１０８７５３号公報

ところが、上記図３に示した如く、断熱容器１９内に、バーナ２０にて発生される燃焼ガス２１を流通させる燃焼ガス流路２２を形成し、該燃焼ガス流路２２内に、改質器５と水蒸発器１２と低温シフトコンバータ６とＣＯ選択酸化反応器７とを上流側より順に備えてなるユニット形式の燃料処理装置４では、上記改質器５はおよそ７００℃前後、上記低温シフトコンバータ６はおよそ２５０℃前後、上記ＣＯ選択酸化反応器７はおよそ１５０℃前後と各々最適な反応温度条件が定まっている。そのため、上記燃料処理装置４の運転を最適化するためには、上記各機器の温度制御を総合的に行うことが求められるが、かかる温度制御を行う具体的な制御手法は従来提案されていないというのが実状である。

そこで、本発明は、断熱容器内にバーナの燃焼ガスを流通させる燃焼ガス流路を備え、且つ該燃焼ガス流路内に、改質器、水蒸発器、低温シフトコンバータ、ＣＯ選択酸化反応器を上流側より順に備えてなる形式の燃料処理装置の運転を最適化すべく上記改質器、低温シフトコンバータ、ＣＯ選択酸化反応器の温度制御を総合的に行うことができるようにするための燃料処理装置の運転制御方法及び装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、断熱容器内にバーナと該バーナにて発生させる燃焼ガスの流路を設け、該燃焼ガス流路内に、改質器と水蒸発器と低温シフトコンバータとＣＯ選択酸化反応器とを上流側から順に備えてなる燃料処理装置における上記バーナで発生させる燃焼ガスの温度を検出して、該検出される燃焼ガスの温度が所要温度に保持されるように上記バーナへ供給する燃焼用燃料の供給量を定め、且つ、上記バーナで発生させた燃焼ガスが燃焼ガス流路を経て上記改質器の上流側近傍位置に達するときの温度を改質器上流側ガス温度として検出し、該検出される改質器上流側ガス温度が、上記改質器の水蒸気改質反応に所望される温度範囲と対応する温度範囲となるように、上記バーナへの燃焼用燃料の供給量を補正する燃料処理装置の運転制御方法、及び、断熱容器内にバーナと該バーナにて発生させる燃焼ガスの流路を設け、該燃焼ガス流路内に、改質器と水蒸発器と低温シフトコンバータとＣＯ選択酸化反応器とを上流側から順に備えてなる燃料処理装置における上記バーナの近傍位置に、該バーナで発生させる燃焼ガスの温度を検出できる燃焼ガス温度センサを設けると共に、上記燃焼ガス流路における改質器の上流側近傍位置に、燃焼ガス流路を経て該改質器に達する直前の燃焼ガスの温度を改質器上流側ガス温度として検出できるようにする改質器上流側ガス温度センサを設け、且つ、上記燃焼ガス温度センサより入力される燃焼ガスの温度の検出信号を基に上記バーナへ供給する燃焼用燃料の供給量を設定し、更に、上記改質器上流側ガス温度センサより入力される改質器上流側ガス温度の検出信号を基に、上記バーナへの燃焼用燃料の供給量を補正する機能を具備した制御器を備えてなる構成を有する燃料処理装置の運転制御装置とする。

又、上記において、燃焼ガス流路における水蒸発器よりも下流側で且つ低温シフトコンバータよりも上流側位置を流通する燃焼ガスの温度を水蒸発器下流側ガス温度として検出して、上記水蒸発器へ供給する水の量を制御し、該検出される水蒸発器下流側ガス温度が、上記低温シフトコンバータにおけるシフト反応に所望される温度範囲と対応する温度範囲となるようにする方法、及び、燃焼ガス流路における水蒸発器よりも下流側で且つ低温シフトコンバータよりも上流側位置に、水蒸発器下流側ガス温度センサを設けて、制御器に、上記水蒸発器下流側ガス温度センサより入力される温度検出信号を基に、水蒸発器へ供給する水の量を制御する機能を備えた装置とする。

更に、上記において、ＣＯ選択酸化反応器の冷却水配管と低温シフトコンバータの冷却水配管とを直列に接続して冷却水を流通させることができるようにしてある冷却水ラインにおける上記低温シフトコンバータの出口側近傍位置を流通する冷却水の温度をシフトコンバータ出口冷却水温度として検出して、冷却水ラインへ供給する冷却水の量を制御し、該検出されるシフトコンバータ出口冷却水温度が、上記低温シフトコンバータにおけるシフト反応に所望される温度範囲と対応する温度範囲となるようにする方法、及び、ＣＯ選択酸化反応器の冷却水配管と低温シフトコンバータの冷却水配管とを直列に接続して冷却水を流通させることができるようにしてある冷却水ラインにおける上記低温シフトコンバータの出口側近傍位置に、該低温シフトコンバータを通過した直後の冷却水の温度を検出するシフトコンバータ出口冷却水温度センサを設けて、制御器に、上記シフトコンバータ出口冷却水温度センサより入力される温度検出信号を基に、上記冷却水ラインへ供給する冷却水の量を制御する機能を備えた装置とする。

更に又、上記において、バーナで発生されて燃焼ガス流路を流通される燃焼ガスの流量が減少することに伴って低温シフトコンバータの温度が所要温度以下に低下するときに、上記バーナへ供給する空気の量を増加させるようにする方法、及び、制御器を、バーナで発生されて燃焼ガス流路を流通される燃焼ガスの流量が減少することに伴って低温シフトコンバータの温度が所要温度以下に低下するときに、上記バーナへ供給する空気の量を増加させる機能を備えてなるものとした装置とする。

上述の構成において、低温シフトコンバータの温度がシフト反応に所望される温度範囲まで昇温され、且つＣＯ選択酸化反応器の温度がＣＯ除去処理に所望される温度範囲まで昇温される間、水蒸発器への水の供給と、上記ＣＯ選択酸化反応器及び上記低温シフトコンバータに接続してある冷却水ラインへの冷却水の供給を停止するようにする方法、及び、制御器に、低温シフトコンバータの温度が該低温シフトコンバータにおけるシフト反応に所望される温度範囲よりも低く、且つＣＯ選択酸化反応器の温度がＣＯ除去処理に所望される温度範囲よりも低いときに、水蒸発器への水の供給と、上記ＣＯ選択酸化反応器及び上記低温シフトコンバータに接続してある冷却水ラインへの冷却水の供給を停止する機能を備えた装置とする。

本発明によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
（１）断熱容器内にバーナと該バーナにて発生させる燃焼ガスの流路を設け、該燃焼ガス流路内に、改質器と水蒸発器と低温シフトコンバータとＣＯ選択酸化反応器とを上流側から順に備えてなる燃料処理装置における上記バーナで発生させる燃焼ガスの温度を検出して、該検出される燃焼ガスの温度が所要温度に保持されるように上記バーナへ供給する燃焼用燃料の供給量を定め、且つ、上記バーナで発生させた燃焼ガスが燃焼ガス流路を経て上記改質器の上流側近傍位置に達するときの温度を改質器上流側ガス温度として検出し、該検出される改質器上流側ガス温度が、上記改質器の水蒸気改質反応に所望される温度範囲と対応する温度範囲となるように、上記バーナへの燃焼用燃料の供給量を補正する燃料処理装置の運転制御方法及び装置としてあるので、上記改質器を、原料の水蒸気改質処理に適した温度範囲に加熱することができる。
（２）燃焼ガス流路における水蒸発器よりも下流側で且つ低温シフトコンバータよりも上流側位置を流通する燃焼ガスの温度を水蒸発器下流側ガス温度として検出して、上記水蒸発器へ供給する水の量を制御し、該検出される水蒸発器下流側ガス温度が、上記低温シフトコンバータにおけるシフト反応に所望される温度範囲と対応する温度範囲となるようにする方法及び装置とすることにより、上記燃焼ガス流路を流れる燃焼ガスが水蒸発器を通過するときに、該燃焼ガス温度を、上記低温シフトコンバータでのシフト反応に適した温度まで温度低下させることができるため、該低温シフトコンバータへ到達する燃焼ガスにより低温シフトコンバータが過剰に加熱される虞を解消できる。
（３）ＣＯ選択酸化反応器の冷却水配管と低温シフトコンバータの冷却水配管とを直列に接続して冷却水を流通させることができるようにしてある冷却水ラインにおける上記低温シフトコンバータの出口側近傍位置を流通する冷却水の温度をシフトコンバータ出口冷却水温度として検出して、冷却水ラインへ供給する冷却水の量を制御し、該検出されるシフトコンバータ出口冷却水温度が、上記低温シフトコンバータにおけるシフト反応に所望される温度範囲と対応する温度範囲となるようにする方法及び装置とすることにより、上記低温シフトコンバータをシフト反応に適した温度に、又、上記ＣＯ選択酸化反応器をＣＯ除去処理に適した温度に保持することができる。
（４）上記（１）（２）（３）により、上記改質器、低温シフトコンバータ及びＣＯ選択酸化反応器に最適な温度分布を成立させることができることから、燃焼処理装置における改質用の原料の水蒸気改質反応、シフト反応、ＣＯ除去処理を良好に行わせて改質ガスを生成させることができる。
（５）バーナで発生されて燃焼ガス流路を流通される燃焼ガスの流量が減少することに伴って低温シフトコンバータの温度が所要温度以下に低下するときに、上記バーナへ供給する空気の量を増加させるようにする方法及び装置とすることにより、燃焼ガスの流量が減少する傾向にあるときにも低温シフトコンバータの温度低下を未然に防止することが可能になる。
（６）低温シフトコンバータの温度がシフト反応に所望される温度範囲まで昇温され、且つＣＯ選択酸化反応器の温度がＣＯ除去処理に所望される温度範囲まで昇温される間、水蒸発器への水の供給と、上記ＣＯ選択酸化反応器及び上記低温シフトコンバータに接続してある冷却水ラインへの冷却水の供給を停止するようにする方法及び装置とすることにより、上記低温シフトコンバータとＣＯ選択酸化反応器を速やかに昇温させて、燃料処理装置の起動を速やかに行わせることが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１（イ）（ロ）は本発明の燃料処理装置の運転制御方法及び装置の実施の一形態を示すもので、図３に示したと同様に、所要の断熱容器１９の内部に、図示しない燃料電池より導かれるアノードオフガス１７や追焚き燃料９ａ（図３参照）を燃焼用燃料３６として燃焼させるバーナ２０と、該バーナ２０にて発生させる燃焼ガス２１を流通させるための燃焼ガス流路２２を備え、且つ該燃焼ガス流路２２内に、改質器５と、水蒸発器１２と、低温シフトコンバータ６と、ＣＯ選択酸化反応器７とを上流側より順に備えてユニット化してなる形式の燃料処理装置４における上記バーナ２０の近傍位置に、該バーナ２０で発生させる燃焼ガス２１の燃焼ガス温度Ｔ１を検出するための燃焼ガス温度センサ３７を設ける。

又、上記燃焼ガス流路２２内における改質器５の上流側近傍位置に、改質器上流側ガス温度センサ３８を設けて、上記改質器５に達する直前の燃焼ガス２１の温度、すなわち、該改質器５の加熱用熱源として利用される燃焼ガス２１の温度（以下、改質器上流側ガス温度という）Ｔ２を検出できるようにする。

更に、上記燃焼ガス流路２２内における水蒸発器１２の下流側近傍位置に、水蒸発器下流側ガス温度センサ３９を設けて、上記水蒸発器１２における水蒸気発生用の熱源に供された後の燃焼ガス２１に残存する温度、すなわち、上記水蒸発器１２を通過した後に燃焼ガス流路２２の下流側に設けてある上記低温シフトコンバータ６へ導かれるようになる燃焼ガス２１の温度（以下、水蒸発器下流側ガス温度という）Ｔ３を検出できるようにする。

更に、上記ＣＯ選択酸化反応器７の冷却水配管３１と上記低温シフトコンバータ６の冷却水配管３２とを直列に接続して冷却水３４を流通させるようにしてある冷却水ライン３３における上記低温シフトコンバータ６の出口側近傍位置に、シフトコンバータ出口冷却水温度センサ４０を設けて、該低温シフトコンバータ６の冷却水配管３２を通過した直後の冷却水３４の温度（以下、シフトコンバータ出口冷却水温度という）Ｔ４を検出できるようにする。

更に、図１（ロ）に示す如く、上記各温度センサ３７，３８，３９，４０から入力される温度検出信号に基づいて、上記バーナ２０へ上記燃焼用燃料３６を供給するバーナ燃料ブロワ４１と、上記バーナ２０へ燃焼用の空気１５を供給する空気ブロワ４２と、上記改質器５へ改質用の原料９を供給する原料ブロワ４３と、上記水蒸発器１２へ水蒸気発生用の水３５を供給する水ポンプ４４と、上記ＣＯ選択酸化反応器７と低温シフトコンバータ６の冷却水ライン３３へ冷却水３４を供給する冷却水ポンプ４５とに指令を与える制御器４６を備える。

詳述すると、上記制御器４６は、燃焼ガス温度センサ３７より入力される燃焼ガス温度Ｔ１を基に、上記バーナ燃料ブロワ４１へ指令を与えて、バーナへ供給する燃焼用燃料３６の供給量をフィードバック制御する機能を備えて、上記バーナ２０にて燃焼用燃料３６を燃焼させて発生させる燃焼ガス２１の温度をおよそ１０００℃程度に保持できるようにしてある。

更に、上記改質器５にて原料９の水蒸気改質処理を最適に行うためには、該改質器５がおよそ７００℃程度まで加熱されることが好ましいが、該改質器５にて複雑な熱交換が行われていること、及び、改質器５が熱容量が大きいことに起因して、起動時等には温度変化速度が遅いものとなっている。そこで、上記制御器４６は、上記した如く、燃焼ガス温度センサ３７より入力される燃焼ガス温度Ｔ１を基に、上記バーナ燃料ブロワ４１へ指令を与えてバーナ２０への燃焼用燃料３６の供給量の制御を行わせる際、上記燃焼ガス流路２２内で上記改質器５に達する燃焼ガス２１の温度がおよそ７００℃に保持されるようにするために、上記改質器上流側ガスセンサ３８より入力される改質器上流側ガス温度Ｔ２を基にして上記バーナ燃料ブロワ４１へ与える指令に補正を加える機能を備えたものとしてある。これにより、上記改質器５は、上記バーナ２０における燃焼用燃料３６の燃焼により発生されて燃焼ガス流路２２を流通する燃焼ガス２１が、およそ７００℃程度で改質器５に達するようにして、該改質器５がおよそ７００℃前後に確実に加熱されるようにしてある。上記において、空気ブロワ４２よりバーナ２０へ供給する空気１５の量は、上記バーナ燃料ブロワ４１よりバーナ２０へ供給する燃焼用燃料３６の供給量の増減に応じて増減されるように、上記制御器４６により空気ブロワ４２を制御するようにしてある。

上記改質器５における原料９の水蒸気改質用の熱源として供されることに伴って温度低下させられた燃焼ガス２１は、その後、水蒸発器１２に達すると、該燃焼ガス２１に残存する熱が、該水蒸発器１２へ上記水ポンプ４４より供給される水３５を蒸発させて水蒸気１３とするための熱源として利用され、この水蒸気発生用の熱源に供されて更に温度低下した燃焼ガス２１が、燃焼ガス流路２２のより下流側に設けてある低温シフトコンバータ６へ導かれる。この際、上記低温シフトコンバータ６は、前述したように、上記改質器５より得られる改質ガス１４を、およそ２５０℃前後まで温度低下させてシフト反応させるようにしてあるものであることから、該低温シフトコンバータ６へ上記燃焼ガス２１が達するときには、該燃焼ガス２１がおよそ２５０℃前後まで温度低下されていることが要求される。

そこで、上記制御器４６は、上記水蒸発器下流側ガス温度センサ３９より、上記水蒸発器１２における水蒸気発生用の熱源に供された後の燃焼ガス２１の温度である水蒸発器下流側ガス温度Ｔ３が入力されると、該水蒸発器下流側ガス温度Ｔ３を基に上記水ポンプ４４へ指令を与えて、該水ポンプ４４より上記水蒸発器１２へ供給する水３５の量をフィードバック制御する機能を備えたものとしてある。これにより、上記燃焼ガス２１が水蒸発器１２を通過するときに水蒸気１３発生用の熱源として供される熱量を調整して、上記水蒸発器下流側ガス温度Ｔ３が、およそ２５０℃前後でほぼ一定に保持できるようにしてある。

更に又、上記低温シフトコンバータ６では、およそ２５０℃前後で改質ガス１４のシフト反応を確実に行わせ、又、ＣＯ選択酸化反応器７では、およそ１５０℃前後でのＣＯ除去処理を確実に行うことができるようにするために、上記制御器４６は、上記シフトコンバータ６の温度が反映されている上記シフトコンバータ出口冷却水温度センサ４０より入力されるシフトコンバータ出口冷却水温度Ｔ４を基に、冷却水ポンプ４５へ指令を与えて、該冷却水ポンプ４５より冷却水ライン３３を通して上記ＣＯ選択酸化反応器７の冷却水配管３１と、上記低温シフトコンバータ６の冷却水配管３２へ供給する冷却水３４の量をフィードバック制御する機能を備えたものとしてある。これにより、上記シフトコンバータ出口冷却水温度Ｔ４がおよそ２５０℃前後でほぼ一定に保持されるようにすることで、上記ＣＯ選択酸化反応器６と低温シフトコンバータ７の温度を、それぞれおよそ１５０℃前後とおよそ２５０℃前後に保持できるようにしてある。

ところで、上記したように、燃焼ガス温度センサ３７より入力される燃焼ガス温度Ｔ１と上記改質器上流側ガスセンサ３８より入力される改質器上流側ガス温度Ｔ２を基にして、上記バーナ燃料ブロワ４１へ指令を与え、該バーナ燃料ブロワ４１よりバーナ２０へ供給する燃焼用燃料３６の供給量を制御することによって、上記改質器５に達する燃焼ガス２１の温度がおよそ７００℃前後となるように制御している状態においても、燃焼ガス流路２２における燃焼ガス２１の流量が少ないと、上記低温シフトコンバータ６及びＣＯ選択酸化反応器７の温度が次第に低下してしまう。この場合には、上記水ポンプ４４より水蒸発器１２へ供給する水３５の供給量と、上記冷却水ポンプ４５より冷却水ライン３３を通して上記ＣＯ選択酸化反応器７の冷却水配管３１及び上記低温シフトコンバータ６の冷却水配管３２へ供給する冷却水３４の供給量が共に絞られることになる。しかし、上記改質器５へは原料９を水蒸気改質するために或る程度の水蒸気１３を供給できるようにする必要がある。そこで、上記制御器４６は、上記のように燃焼ガス流路２２を流通する燃焼ガス２１の流量が少ないことに伴って上記水ポンプ４４より水蒸発器１２へ供給する水３５の供給量と、上記冷却水ポンプ４５より冷却水ライン３３を通して上記ＣＯ選択酸化反応器７の冷却水配管３１及び上記低温シフトコンバータ６の冷却水配管３２へ供給する冷却水３４の供給量があらかじめ定めてある所要の最低量に達すると、上記空気ブロワ４２へ指令を与えて、バーナ２０へ供給する空気１５の量を増加させる制御を行う機能を有するものとしてある。これにより、上記燃焼ガス流路２２に流通される燃焼ガス２１の流量を増加させることができるようにして、上記水ポンプ４４より水蒸発器１２へ供給する水３５の供給量と、上記冷却水ポンプ４５より冷却水ライン３３を通して上記ＣＯ選択酸化反応器７の冷却水配管３１及び上記低温シフトコンバータ６の冷却水配管３２へ供給される冷却水３４の供給量が、それぞれ或る一定量以上確保されるようにしてある。

更に、上記制御器４６は、燃料処理装置４の起動時用のオプションとして、該燃料処理装置４の起動時に上記低温シフトコンバータ６及びＣＯ選択酸化反応器７が所望温度に達するまでの期間は、上記水ポンプ４４及び冷却水ポンプ４５を共に停止状態とする機能を備えたものとしてある。これにより、上記燃料処理装置４の起動時には、上記バーナ２０の燃焼により発生された後、燃焼ガス流路２２を通して改質器５まで導かれて該改質器５と熱交換した後の燃焼ガス２１を、水蒸発器１２で熱交換させることなく上記低温シフトコンバータ６及びＣＯ選択酸化反応器７まで導くようにすると共に、該低温シフトコンバータ６及びＣＯ選択酸化反応器７における冷却水配管３２及び３１への冷却水の流通を停止状態とさせておくことにより、上記低温シフトコンバータ６及びＣＯ選択酸化反応器７を速やかに昇温させることができるようにしてある。

なお、図１においては、上記ＣＯ選択酸化反応器７の冷却水配管３１及び上記低温シフトコンバータ６の冷却水配管３２を直列に接続してある冷却水ライン３３の下流側端部は、上記混合器２９に接続してあり、上記ＣＯ選択酸化反応器７及び低温シフトコンバータ６の冷却に伴って発生する蒸気を、上記混合器２９へ直接導くことができるようにしてある。又、図示する便宜上、上記断熱容器１９内に装備される各種機器のうち、上記したバーナ２０、改質器５、水蒸発器１２、低温シフトコンバータ６、ＣＯ選択酸化反応器７及び混合器２９以外の機器の記載は省略してあるが、図３に示した従来提案されているユニット化された形式の燃料処理装置４と同様に備えているものとする。

このように、本発明の燃料処理装置の運転制御方法及び装置によれば、バーナ２０で発生させる燃焼ガス２１を流通させる燃焼ガス流路２２内における改質器５、低温シフトコンバータ６及びＣＯ選択酸化反応器７のそれぞれの配設個所に対し、該改質器５、低温シフトコンバータ６及びＣＯ選択酸化反応器７にそれぞれ所望される温度に応じた最適な温度分布を成立させることができる。

したがって、上記改質器５における原料９の水蒸気改質反応、上記ＣＯ選択酸化反応器７における改質ガス１４のシフト反応、及び、ＣＯ選択酸化反応器７における改質ガス１４のＣＯ除去処理をいずれも良好に行わせることが可能となる。

更に、燃焼ガス流路２２における燃焼ガス２１の流量が少なくなると、上記空気ブロワ４２よりバーナ２０へ供給する空気１５の量を増加させて、燃焼ガス２１の流量を増加させることで、上記水蒸発器１２へ供給する水３５の供給量と、上記ＣＯ選択酸化反応器７及び上記低温シフトコンバータ６へ供給される冷却水３４の供給量が、それぞれ或る一定量以上確保されるようにしてあるため、改質器５へ供給される水蒸気１２の量をある所要レベル以上に保持することができるようにしてある。

更に、燃料処理装置４の起動時には、上記低温シフトコンバータ６及びＣＯ選択酸化反応器７を速やかに昇温させることができるため、燃料処理装置４を速やかに起動させることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、たとえば、水蒸発器下流側ガス温度センサ３９は、燃焼ガス流路２２における水蒸発器１２よりも下流側で且つ低温シフトコンバータ６よりも上流側位置にて、上記水蒸発器１２を通過した後に低温シフトコンバータ６へ導かれる燃焼ガス２１の温度を、水蒸発器下流側ガス温度Ｔ３として検出できれば、図１に二点鎖線で示す如く、燃焼ガス流路２１内における混合器２９よりも下流側位置に配設するようにしてもよい。

所要の断熱容器１９内に、バーナ２０により発生させる燃焼ガス２１を流通させる燃焼ガス流路２２を備えると共に、該燃焼ガス流路２２内に、改質器５と水蒸発器１２と低温シフトコンバータ６とＣＯ選択酸化反応器７とを上流側から順に備えてなる形式の燃料処理装置４であれば、断熱容器１９の形状や断熱構造、断熱容器１９内における上記燃焼ガス流路２２の配置経路や流路形状、該燃焼ガス流路２２内に配設する改質器５、水蒸発器１２、低温シフトコンバータ６、ＣＯ選択酸化反応器７のそれぞれの形式や形状や大きさを適宜変更する等、いかなる形式の燃料処理装置の運転制御にも適用できる。その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の燃料処理装置の運転制御方法及び装置の実施の一形態を示すもので、（イ）は装置構成の概要図、（ロ）は制御系統の概要図である。 一般的な固体高分子型燃料電池発電装置の概要を示す図である。 従来提案されているバーナの燃焼ガスの流路内に改質器、水蒸発器、低温シフトコンバータ及びＣＯ選択酸化反応器を配設してユニット化してなる形式の燃料処理装置の概要を示す切断側面図である。

符号の説明

５ 改質器
６ 低温シフトコンバータ
７ ＣＯ選択酸化反応器
１２ 水蒸発器
１５ 空気
１９ 断熱容器
２０ バーナ
２１ 燃焼ガス
２２ 燃焼ガス流路
３１ 冷却水配管
３２ 冷却水配管
３３ 冷却水ライン
３４ 冷却水
３５ 水
３７ 燃焼ガス温度センサ
３８ 改質器上流側ガス温度センサ
３９ 水蒸発器下流側ガス温度センサ
４０ シフトコンバータ出口冷却水温度センサ
４６ 制御器
Ｔ１ 燃焼ガス温度
Ｔ２ 改質器上流側ガス温度
Ｔ３ 水蒸発器下流側ガス温度
Ｔ４ シフトコンバータ出口冷却水温度

Claims (10)

1. 断熱容器内にバーナと該バーナにて発生させる燃焼ガスの流路を設け、該燃焼ガス流路内に、改質器と水蒸発器と低温シフトコンバータとＣＯ選択酸化反応器とを上流側から順に備えてなる燃料処理装置における上記バーナで発生させる燃焼ガスの温度を検出して、該検出される燃焼ガスの温度が所要温度に保持されるように上記バーナへ供給する燃焼用燃料の供給量を定め、且つ、上記バーナで発生させた燃焼ガスが燃焼ガス流路を経て上記改質器の上流側近傍位置に達するときの温度を改質器上流側ガス温度として検出し、該検出される改質器上流側ガス温度が、上記改質器の水蒸気改質反応に所望される温度範囲と対応する温度範囲となるように、上記バーナへの燃焼用燃料の供給量を補正することを特徴とする燃料処理装置の運転制御方法。
2. 燃焼ガス流路における水蒸発器よりも下流側で且つ低温シフトコンバータよりも上流側位置を流通する燃焼ガスの温度を水蒸発器下流側ガス温度として検出して、上記水蒸発器へ供給する水の量を制御し、該検出される水蒸発器下流側ガス温度が、上記低温シフトコンバータにおけるシフト反応に所望される温度範囲と対応する温度範囲となるようにする請求項１記載の燃料処理装置の運転制御方法。
3. ＣＯ選択酸化反応器の冷却水配管と低温シフトコンバータの冷却水配管とを直列に接続して冷却水を流通させることができるようにしてある冷却水ラインにおける上記低温シフトコンバータの出口側近傍位置を流通する冷却水の温度をシフトコンバータ出口冷却水温度として検出して、冷却水ラインへ供給する冷却水の量を制御し、該検出されるシフトコンバータ出口冷却水温度が、上記低温シフトコンバータにおけるシフト反応に所望される温度範囲と対応する温度範囲となるようにする請求項２記載の燃料処理装置の運転制御方法。
4. バーナで発生されて燃焼ガス流路を流通される燃焼ガスの流量が減少することに伴って低温シフトコンバータの温度が所要温度以下に低下するときに、上記バーナへ供給する空気の量を増加させるようにする請求項２記載の燃料処理装置の運転制御方法。
5. 低温シフトコンバータの温度がシフト反応に所望される温度範囲まで昇温され、且つＣＯ選択酸化反応器の温度がＣＯ除去処理に所望される温度範囲まで昇温される間、水蒸発器への水の供給と、上記ＣＯ選択酸化反応器及び上記低温シフトコンバータに接続してある冷却水ラインへの冷却水の供給を停止するようにする請求項３記載の燃料処理装置の運転制御方法。
6. 断熱容器内にバーナと該バーナにて発生させる燃焼ガスの流路を設け、該燃焼ガス流路内に、改質器と水蒸発器と低温シフトコンバータとＣＯ選択酸化反応器とを上流側から順に備えてなる燃料処理装置における上記バーナの近傍位置に、該バーナで発生させる燃焼ガスの温度を検出できる燃焼ガス温度センサを設けると共に、上記燃焼ガス流路における改質器の上流側近傍位置に、燃焼ガス流路を経て該改質器に達する直前の燃焼ガスの温度を改質器上流側ガス温度として検出できるようにする改質器上流側ガス温度センサを設け、且つ、上記燃焼ガス温度センサより入力される燃焼ガスの温度の検出信号を基に上記バーナへ供給する燃焼用燃料の供給量を設定し、更に、上記改質器上流側ガス温度センサより入力される改質器上流側ガス温度の検出信号を基に、上記バーナへの燃焼用燃料の供給量を補正する機能を具備した制御器を備えてなる構成を有することを特徴とする燃料処理装置の運転制御装置。
7. 燃焼ガス流路における水蒸発器よりも下流側で且つ低温シフトコンバータよりも上流側位置に、水蒸発器下流側ガス温度センサを設けて、制御器に、上記水蒸発器下流側ガス温度センサより入力される温度検出信号を基に、水蒸発器へ供給する水の量を制御する機能を備えた請求項６記載の燃料処理装置の運転制御装置。
8. ＣＯ選択酸化反応器の冷却水配管と低温シフトコンバータの冷却水配管とを直列に接続して冷却水を流通させることができるようにしてある冷却水ラインにおける上記低温シフトコンバータの出口側近傍位置に、該低温シフトコンバータを通過した直後の冷却水の温度を検出するシフトコンバータ出口冷却水温度センサを設けて、制御器に、上記シフトコンバータ出口冷却水温度センサより入力される温度検出信号を基に、上記冷却水ラインへ供給する冷却水の量を制御する機能を備えた請求項７記載の燃料処理装置の運転制御装置。
9. 制御器を、バーナで発生されて燃焼ガス流路を流通される燃焼ガスの流量が減少することに伴って低温シフトコンバータの温度が所要温度以下に低下するときに、上記バーナへ供給する空気の量を増加させる機能を備えてなるものとした請求項７記載の燃料処理装置の運転制御装置。
10. 制御器に、低温シフトコンバータの温度が該低温シフトコンバータにおけるシフト反応に所望される温度範囲よりも低く、且つＣＯ選択酸化反応器の温度がＣＯ除去処理に所望される温度範囲よりも低いときに、水蒸発器への水の供給と、上記ＣＯ選択酸化反応器及び上記低温シフトコンバータに接続してある冷却水ラインへの冷却水の供給を停止する機能を備えた請求項８記載の燃料処理装置の運転制御装置。

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