JP3646625B2 - 燃料改質装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素燃料と水蒸気から水素を生成する水蒸気改質反応と、炭化水素燃料と酸化剤から水素を生成する部分酸化反応とを同時に進行させ、発熱反応である部分酸化反応の熱を利用して、吸熱反応である水蒸気改質反応の熱を賄う燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池用メタノール改質装置としては、特開平１１−０９２１０２号公報に記載されたものが知られている。この従来のメタノール改質装置は、燃料電池用改質装置内の温度分布を均一化することを目的としている。そしてその公報に記載された発明の第６実施例及び第７実施例は、触媒に対する酸化剤の供給位置を経時的に変化させることによって、局所的に酸化反応が継続することによる触媒の局所的昇温を防止し、内部でより多くの酸化反応を進行させ、起動時間の短縮を図るものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料電池用メタノール改質装置は、意図的に発熱反応である酸化反応を局所的に行わない、言い換えれば酸化反応による発熱を分散させる構成であるため、触媒が活性化する温度まで昇温するのにより多くの燃料と時間を要し、起動時間を十分に短縮できないという問題点があった。
【０００４】
すなわち、起動時に触媒の一部を活性化温度まで昇温できれば触媒表面で化学反応が始まり、その化学反応による発熱によって連鎖反応的に周囲の触媒が加熱され、反応が開始する。したがって、起動時間を短縮するためには、より短時間で触媒温度を活性化温度以上に加熱することが必要であるが、従来はそのような考慮がなされていなかった。
【０００５】
本発明はこのような従来の技術的課題を解決するためになされたもので、短時間で触媒温度を活性化温度以上に加熱することにより起動時間を短縮することができる燃料改質装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、炭化水素燃料と水蒸気から水素を生成する水蒸気改質反応と、炭化水素燃料と酸化剤から水素を生成する部分酸化反応とを同時に進行させ、発熱反応である部分酸化反応の熱を利用して、吸熱反応である水蒸気改質反応の熱を賄う燃料改質装置において、主に定常運転時に前記水蒸気改質反応と部分酸化反応とを促進する触媒を備える第１触媒部と、前記第１触媒部の上流に位置し、主に起動時あるいは負荷が増大する方向の過渡運転時に、前記部分酸化反応を促進する触媒を備える第２触媒部と、前記第２触媒部の上流から炭化水素燃料を供給する燃料供給手段と、前記第１触媒部に対して酸化剤を供給する第１酸化剤供給手段と、前記第２触媒部に対して酸化剤を供給する第２酸化剤供給手段と、酸化剤供給源から前記第１酸化剤供給手段又は第２酸化剤供給手段へ流路を切り替える酸化剤流路制御弁と、前記第１触媒部に対して水蒸気を供給する第１水蒸気供給手段と、前記第２触媒部に対して水蒸気を供給する第２水蒸気供給手段と、水蒸気供給源から前記第１水蒸気供給手段又は第２水蒸気供給手段へ流路を切り替える水蒸気流路制御弁と、前記酸化剤流路制御弁と水蒸気流路制御弁とを制御するための制御装置とを備え、前記制御装置が、起動時、あるいは加速信号の入力により、前記酸化剤供給源と第２酸化剤供給手段とが連通するように前記酸化剤流路制御弁を制御するとともに前記水蒸気供給源と第１水蒸気供給手段とが連通するように前記水蒸気流路制御弁を制御し、所定時間経過後に、前記酸化剤供給源と第１酸化剤供給手段とが連通するように前記酸化剤流路制御弁を制御するとともに前記水蒸気供給源と第２水蒸気供給手段とが連通するように前記水蒸気流路制御弁を制御するものである。
【０００７】
請求項２の発明は、炭化水素燃料と水蒸気から水素を生成する水蒸気改質反応と、炭化水素燃料と酸化剤から水素を生成する部分酸化反応とを同時に進行させ、発熱反応である部分酸化反応の熱を利用して、吸熱反応である水蒸気改質反応の熱を賄う燃料改質装置において、主に定常運転時に前記水蒸気改質反応と部分酸化反応とを促進する触媒を備える第１触媒部と、前記第１触媒部の上流に位置し、主に起動時あるいは負荷が増大する方向の過渡運転時に、前記部分酸化反応を促進する触媒を備える第２触媒部と、前記第２触媒部の上流から炭化水素燃料を供給する燃料供給手段と、前記第１触媒部に対して酸化剤を供給する第１酸化剤供給手段と、前記第２触媒部に対して酸化剤を供給する第２酸化剤供給手段と、酸化剤供給源から前記第１酸化剤供給手段又は第２酸化剤供給手段へ流路を切り替える酸化剤流路制御弁と、前記第１触媒部に対して水蒸気を供給する第１水蒸気供給手段と、前記第２触媒部に対して水蒸気を供給する第２水蒸気供給手段と、水蒸気供給源から前記第１水蒸気供給手段又は第２水蒸気供給手段へ流路を切り替える水蒸気流路制御弁と、前記第１触媒部の温度を所定の位置で計測する温度計測手段と、前記温度計測手段からの出力信号によって、前記酸化剤流路制御弁と水蒸気流路制御弁とを制御するための制御装置とを備え、前記制御装置が、起動時あるいは加速信号の入力により、前記酸化剤供給源と第２酸化剤供給手段とが連通するように前記酸化剤流路制御弁を制御するとともに前記水蒸気供給源と第１水蒸気供給手段とが連通するように前記水蒸気流路制御弁を制御し、前記温度計測手段からの出力信号が所定値に達したところで、前記酸化剤供給源と第１酸化剤供給手段とが連通するように前記酸化剤流路制御弁を制御するとともに前記水蒸気供給源と第２水蒸気供給手段とが連通するように前記水蒸気流路制御弁を制御するものである。
【０００８】
請求項３の発明は、炭化水素燃料と水蒸気から水素を生成する水蒸気改質反応と、炭化水素燃料と酸化剤から水素を生成する部分酸化反応とを同時に進行させ、発熱反応である部分酸化反応の熱を利用して、吸熱反応である水蒸気改質反応の熱を賄う燃料改質装置において、主に定常運転時に前記水蒸気改質反応と部分酸化反応とを促進する触媒を備える第１触媒部と、前記第１触媒部の上流に位置し、主に起動時あるいは負荷が増大する方向の過渡運転時（加速時）に、前記部分酸化反応を促進する触媒を備える第２触媒部と、前記第２触媒部の上流から炭化水素燃料を供給する燃料供給手段と、前記第１触媒部に対して酸化剤、あるいは水蒸気を供給する第１原料供給手段と、前記第２触媒部に対して酸化剤、あるいは水蒸気を供給する第２原料供給手段と、酸化剤供給源から前記第１原料供給手段又は第２原料供給手段へ流路を切り替える酸化剤流路制御弁と、水蒸気供給源から前記第１原料供給手段又は第２原料供給手段へ流路を切り替える水蒸気流路制御弁と、前記酸化剤流路制御弁と水蒸気流路制御弁とを制御するための制御装置とを備え、前記制御装置が、起動時、あるいは加速信号の入力により、前記酸化剤供給源と第２原料供給手段とが連通するように前記酸化剤流路制御弁を制御するとともに前記水蒸気供給源と第１原料供給手段とが連通するように前記水蒸気流路制御弁を制御し、所定時間経過後に、前記酸化剤供給源と第１原料供給手段とが連通するように前記酸化剤流路制御弁を制御するとともに前記水蒸気供給源と第２原料供給手段とが連通するように前記水蒸気流路制御弁を制御するものである。
【０００９】
請求項４の発明は、炭化水素燃料と水蒸気から水素を生成する水蒸気改質反応と、炭化水素燃料と酸化剤から水素を生成する部分酸化反応とを同時に進行させ、発熱反応である部分酸化反応の熱を利用して、吸熱反応である水蒸気改質反応の熱を賄う燃料改質装置において、主に定常運転時に前記水蒸気改質反応と部分酸化反応とを促進する触媒を備える第１触媒部と、前記第１触媒部の上流に位置し、主に起動時あるいは負荷が増大する方向の過渡運転時（加速時）に、前記部分酸化反応を促進する触媒を備える第２触媒部と、前記第２触媒部の上流から炭化水素燃料を供給する燃料供給手段と、前記第１触媒部に対して酸化剤、あるいは水蒸気を供給する第１原料供給手段と、前記第２触媒部に対して酸化剤、あるいは水蒸気を供給する第２原料供給手段と、酸化剤供給源から前記第１原料供給手段又は第２原料供給手段へ流路を切り替える酸化剤流路制御弁と、水蒸気供給源から前記第１原料供給手段又は第２原料供給手段へ流路を切り替える水蒸気流路制御弁と、前記第１触媒部の温度を所定の位置で計測する温度計測手段と、前記温度計測手段からの出力信号によって、前記酸化剤流路制御弁と水蒸気流路制御弁とを独立して制御するための制御装置とを備え、前記制御装置が、起動時あるいは加速信号の入力により、酸化剤供給源と第２原料供給手段とが連通するように前記酸化剤流路制御弁を制御するとともに前記水蒸気供給源と第１原料供給手段とが連通するように前記水蒸気流路制御弁を制御し、前記温度計測手段からの出力信号が所定値に達したところで、前記酸化剤供給源と第１原料供給手段とが連通するように前記酸化剤流路制御弁を制御するとともに前記水蒸気供給源と第２原料供給手段とが連通するように前記水蒸気流路制御弁を制御するものである。
【００１０】
請求項５の発明は、請求項２又は４の燃料改質装置において、前記温度計測手段が第１触媒部の入口側ガス流路の所定位置に設置されているものである。
【００１１】
請求項６の発明は、請求項２又は４の燃料改質装置において、前記温度計測手段が第１触媒部の触媒層内の所定位置に設置されているものである。
【００１２】
請求項７の発明は、請求項２又は４の燃料改質装置において、前記温度計測手段が第１触媒部の出口側ガス流路の所定位置に設置されているものである。
【００１３】
請求項８の発明は、請求項１〜７の燃料改質装置において、前記炭化水素燃料がメタノールであり、前記第１触媒部と第２触媒部とが銅系触媒又はパラジューム系触媒であるものである。
【００１４】
請求項９の発明は、請求項１〜７の燃料改質装置において、前記炭化水素燃料がメタノールであり、前記第１触媒部が銅系触媒又はパラジューム系触媒であり、前記第２触媒部が酸化触媒であるものである。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、起動時において、まず第２触媒部の上流から炭化水素燃料と酸化剤を供給し、第１触媒部の上流から水蒸気を供給する。これにより、第２触媒部で急峻な酸化反応が起こり、そこで発生した高温ガスによって下流の第１触媒部が速やかに加熱昇温される。同時に、第２触媒部で発生した一酸化炭素（ＣＯ）は、第１触媒部において水蒸気と反応（シフト反応＝発熱反応）し、第１触媒部の加熱が一層促進される。この時、第２触媒部で生成したＣＯは、第１触媒部でシフト反応によって浄化される。
【００１６】
そして起動から定常運転に移行する際には、所定時間経過後、第２触媒部の上流から炭化水素燃料と水蒸気を供給し、第１触媒部の上流から酸化剤を供給する。これにより、第２触媒部では水蒸気改質反応が起こり、吸熱によって急激に第２触媒部の温度が低下し、反応が停止する。第２触媒部を素通りした炭化水素燃料と水蒸気は、下流の第１触媒部で部分酸化反応と水蒸気改質反応に供され、水素リッチな改質ガスを生成する。
【００１７】
このような作用によって、起動時間を短縮しつつ、改質装置下流の燃料電池被毒や排気悪化の要因となる副生成物の発生を最小限に抑えることができる。
【００１８】
また、請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、第１触媒部周辺の温度を起動から定常運転に移行する際の制御判断の基準とすることにより、よりスムーズに、かつ副生成物の発生を抑えて、起動から定常運転に移行することができる。
【００１９】
また、請求項３の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、第１触媒部、第２触媒部に対してそれぞれ酸化剤、水蒸気を供給する原料供給手段を統合することにより、燃料改質装置の構成を簡略化できる。
【００２０】
また、請求項４の発明によれば、請求項３の発明の効果に加えて、第１触媒部周辺の温度を起動から定常運転に移行する際の制御判断の基準とすることにより、よりスムーズに、かつ副生成物の発生を抑えて、起動から定常運転に移行することができる。
【００２１】
請求項５〜７の発明によれば、請求項２又は４の発明の効果に加えて、第１触媒部の周辺の温度を起動から定常運転に移行する際の制御判断基準とすることにより、よりスムーズにかつ副生成物の発生を抑えて、起動から定常運転に移行することができる。
【００２２】
また、請求項８の発明によれば、請求項１〜７の発明の効果に加え、本装置をメタノールを燃料とする燃料電池システムに応用することができる。
【００２３】
また、請求項９の発明によれば、請求項８の発明の効果に加え、一般的に広く用いられている酸化触媒を用いることによって、耐久性の向上とコストの低減が図れる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
【００２５】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態の燃料改質装置を示している。触媒部（１）１は、主に定常運転時に水蒸気改質反応と部分酸化反応とを進行する触媒を備える触媒担体であり、反応器ケーシング１４内の下流側に隙間無く装填されている。触媒部（２）２は、主に起動時、あるいは負荷が増大する方向の過渡運転時（加速時）に、部分酸化反応を促進する触媒を備える触媒担体であり、触媒部（１）１の上流側の反応器ケーシング１４内に隙間無く装填されている。
【００２６】
燃料供給手段は、図示しない炭化水素燃料供給装置から供給された炭化水素燃料を、触媒部（２）２の上流から噴霧あるいは噴射するものであり、触媒部（２）２の上流側の反応器ケーシング１４に嵌合されている。
【００２７】
酸化剤供給手段（１）４は、図示しない酸化剤供給装置から供給された酸化剤を、反応器ケーシング１４内の触媒部（１）１と触媒部（２）２との間に形成されるガス流路内に極力均一に分布するように供給するものであり、反応器ケーシング１４に嵌合されている。酸化剤供給手段（２）５は、図示しない酸化剤供給装置から供給された酸化剤を、反応器ケーシング１４内の触媒部（２）２の上流側に形成されるガス流路内に極力均一に分布するように供給するものであり、反応器ケーシング１４に嵌合されている。そして酸化剤流路制御弁６は、図示しない酸化剤供給装置から供給される酸化剤を、酸化剤供給手段（１）４あるいは酸化剤供給手段（２）５のいずれかに供給できるように、酸化剤供給装置と酸化剤供給手段（１）と酸化剤供給手段（２）とを接続する配管流路途中に設置されている。
【００２８】
水蒸気供給手段（１）７は、図示しない水蒸気供給装置から供給された水蒸気を、反応器ケーシング１４内の触媒部（１）１と触媒部（２）２との間に形成されるガス流路内に極力均一に分布するように供給するものであり、反応器ケーシング１４に嵌合されている。水蒸気供給手段（２）８は、図示しない水蒸気供給装置から供給された水蒸気を、反応器ケーシング１４内の触媒部（１）１の上流側に形成されるガス流路内に極力均一に分布するように供給するものであり、反応器ケーシング１４に嵌合されている。水蒸気流路制御弁９は、図示しない水蒸気供給装置から供給される水蒸気を、水蒸気供給手段（１）７あるいは水蒸気供給手段（２）８のいずれかに供給できるように、水蒸気供給装置と水蒸気供給手段（１）と水蒸気供給手段（２）とを接続する配管流路途中に設置されている。
【００２９】
制御装置１０は、酸化剤流路制御弁６と水蒸気流路制御弁９とをそれぞれ独立して制御するためのものであり、酸化剤流路制御弁６及び水蒸気流路制御弁９と信号線で接続されている。
【００３０】
次に、図２に示す制御フローチャートに従って本実施の形態の燃料改質装置の制御動作を説明する。
【００３１】
外部からの起動信号の入力により、この制御フローに入る。そしてまず、ステップＳ１０では、酸化剤流路制御弁６が制御装置１０からの信号により、酸化剤供給装置と酸化剤供給手段（２）５とが連通するように流路を切り替える。同時に、水蒸気流路制御弁９が制御装置１０からの信号により、水蒸気供給装置と水蒸気供給手段（１）７とが連通するように流路を切り替える。
【００３２】
そして所定の量に調量された炭化水素燃料、酸化剤、水蒸気が燃料改質装置に供給されると、触媒部（２）２ではその上流から供給された炭化水素燃料と酸化剤とによって（部分）酸化反応が起こり、急峻な発熱によって触媒部（２）２の温度が上昇するとともに発生したガスによって下流の触媒部（１）１も加熱される。同時に、触媒部（１）１では、触媒部（２）２の（部分）酸化反応で発生した一酸化炭素と触媒部（１）１の上流から供給される水蒸気とによってシフト反応が起こり、自己発熱によってさらに加熱される。その際、触媒部（２）２で発生した一酸化炭素は、触媒部（１）１のシフト反応によって浄化される。
【００３３】
次のステップＳ２０では、ステップＳ１０から予め設定した所定の時間τが経過したかどうかを判断する。所定の時間τが経過したならば、ステップＳ３０に進む。一方、所定の時間τが経過していない場合は、待機する。
【００３４】
そしてステップＳ３０では、酸化剤流路制御弁６が制御装置１０からの信号により、酸化剤供給装置と酸化剤供給手段（１）４とが連通するように流路を切り替える。同時に、水蒸気流路制御弁（９）が制御装置１０からの信号により、水蒸気供給装置と水蒸気供給手段（２）８とが連通するように流路を切り替える。
【００３５】
触媒部（２）２では、その上流から供給される炭化水素燃料と水蒸気によって吸熱反応である水蒸気改質反応が起こり、触媒部（２）２の温度が低下してすべての反応が停止する。そのため、触媒部（２）の上流から供給された炭化水素燃料と水蒸気は、触媒部（２）で反応することなく触媒部（２）を素通りして触媒部１に達する。そして触媒部（１）１では、触媒部（２）を素通りしてきた炭化水素燃料と水蒸気と触媒部（１）の上流から供給される酸化剤とによって水蒸気改質反応と部分酸化反応とが起こり、水素リッチな改質ガスを生成する。これらよって一連の処理は終了する。
【００３６】
図３は、この第１の実施の形態の燃料改質装置における、時間経過に伴う酸化剤、水蒸気の供給位置の変化、また触媒部（１），（２）の温度変化とを示している。この図３に示すように、第１の実施の形態の燃料改質装置では、触媒部（２）での急峻な（部分）酸化反応によって速やかに触媒部（１）を加熱すると同時に、発生した一酸化炭素を触媒部（１）で水蒸気と反応させることによってシフト反応を起こさせることによって、起動時間を短縮しつつ、改質装置下流の燃料電池被毒や排気悪化の要因となる副生成物の発生を最小限に抑えることができる。
【００３７】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態の燃料改質装置を示している。第２の実施の形態の燃料改質装置の基本構成は、図１に示した第１の実施の形態と同様であるが、次の点が異なる。温度計測手段１１が触媒部（１）１の近傍で反応器ケーシング１４に嵌合されていて、触媒部（１）の近傍の温度を測定するようにしてある。そしてこの温度計測手段１１で測定されたデータは、制御装置１０に送るようにしてある。
【００３８】
次に、図５に示す制御フローチャートに従って、第２の実施の形態の燃料改質装置の制御動作を説明する。第２の実施の形態の基本的な制御動作は、図２に示した第１の実施の形態のものと同様であるが、以下の点が異なる。
【００３９】
ステップＳ２０′では、温度計測手段１１からの信号によって、触媒部（１）の近傍の温度が所定の温度に達したかどうかを判断する。所定の温度に達したならば、ステップＳ３０に進む。一方、所定の温度に達していない場合には待機する。
【００４０】
図６に時間経過に伴う酸化剤、水蒸気の供給位置の変化と触媒部（１），（２）の温度変化を示す。この図６に示すように、第２の実施の形態の燃料改質装置では、触媒部（１）の近傍の温度を起動から定常運転に移行する際の制御判断の基準とすることにより、第１の実施の形態の燃料改質装置の作用効果に加え、さらなる起動時間の短縮が図れると同時に、よりスムーズに、かつ副生成物の発生を抑えて起動から定常運転に移行することができる。
【００４１】
（第３の実施の形態）
図７は、本発明の第３の実施の形態の燃料改質装置を示している。第３の実施の形態の基本構成は図４に示した第２実施の形態と同様であるが、以下の点が異なる。温度計測手段１１は、反応器ケーシング１４内の触媒部（１）１の上流側に形成されるガス流路内に位置するように、反応器ケーシング１４に嵌合されていて、触媒部（１）の上流のガス温度を測定するようにしてある。この温度計測手段１１で測定されたデータは、制御装置１０に送られる。
【００４２】
第３の実施の形態の燃料改質装置の基本的な制御動作は第２実施の形態と同様である。そして、第３の実施の形態の場合、第２の実施の形態の作用効果に加え、触媒部（２）からのガス温度を直接測定することにより、起動状態から定常運転状態への移行時期をいち早く検出でき、さらなる起動時間の短縮を図ることができる。
【００４３】
（第４の実施の形態）
図８は、本発明の第４の実施の形態の形態の燃料改質装置を示している。第４の実施の形態の燃料改質装置の基本構成は図４に示した第２の実施の形態と同様であるが、以下の点が異なる。温度計測手段１１は、触媒部（１）１に内挿されるように反応器ケーシング１４に嵌合されており、触媒部（１）の内部の温度を測定するようにしてある。そして温度計測手段１１で測定されたデータは、制御装置１０に送られる。
【００４４】
第４の実施の形態の燃料改質装置の基本的な制御動作は、第２実施の形態と同様である。この第４の実施の形態の作用効果としては、第２の実施の形態に関する効果に加えて、触媒部（１）の内部温度を直接測定することにより、起動状態から定常運転状態へ移行する際の失火などを防止し、確実に定常運転状態へ移行させることができる。
【００４５】
（第５の実施の形態）
図９は、本発明の第５の実施の形態の形態の燃料改質装置を示している。第５の実施の形態の燃料改質装置の基本構成は図４に示した第２実施の形態と同様であるが、以下の点が異なる。温度計測手段１１は、反応器ケーシング１４内の触媒部（１）１の下流側に形成されるガス流路内に位置するように反応器ケーシング１４に嵌合されていて、触媒部（１）の下流のガス温度を測定し、温度測定データを制御装置１０に送るようにしてある。
【００４６】
第５の実施の形態の燃料改質装置の基本的な制御動作は第２実施の形態と同様である。この第５の実施の形態では、第２の実施の形態の作用効果に加えて、触媒部（１）の下流のガス温度、従って比較的低いガス温度を測定するので、簡便な温度計測手段を用いることができ、コストの低減が図れ、同時に温度計測手段の耐久性が向上できる。
【００４７】
（第６の実施の形態）
図１０は、本発明の第６実施の形態の形態の燃料改質装置を示している。第６の実施の形態の燃料改質装置の基本構成は図１に示した第１の実施の形態と同様であるが、以下の点が異なる。原料供給手段（１）１２は、図示しない酸化剤供給装置から供給された酸化剤、あるいは図示しない水蒸気供給装置から供給された水蒸気のいずれか一方を、反応器ケーシング１４内の触媒部（１）１と触媒部（２）２との間に形成されるガス流路内に極力均一に分布するように供給するものであり、反応器ケーシング１４に嵌合されている。原料供給手段（２）１３は、図示しない酸化剤供給装置から供給された酸化剤、あるいは図示しない水蒸気供給装置から供給された水蒸気のいずれか一方を、反応器ケーシング１４内の触媒部（２）２の上流側に形成されるガス流路内に、極力均一に分布するように供給するものであり、反応器ケーシング１４に嵌合されている。
【００４８】
次に、図１１に示す制御フローチャートに従って第６の実施の形態の燃料改質装置の制御動作を説明する。基本的な制御動作は図２に示した第１の実施の形態のものと同様であるが、以下の点が異なる。
【００４９】
まずステップＳ１０では、酸化剤流路制御弁６が制御装置１０からの信号により、酸化剤供給装置と原料供給手段（２）１３とが連通するように流路を切り替える。同時に、水蒸気流路制御弁９が制御装置１０からの信号により、水蒸気供給装置と原料供給手段（１）１２とが連通するように流路を切り替える。
【００５０】
そして所定の量に調量された炭化水素燃料、酸化剤、水蒸気が燃料改質装置に供給されると、触媒部（２）２ではその上流から供給された炭化水素燃料と酸化剤とによって（部分）酸化反応が起こり、急峻な発熱によって触媒部（２）２の温度が上昇するとともに発生したガスによって下流の触媒部（１）１も加熱される。同時に、触媒部（１）１では、触媒部（２）２の（部分）酸化反応で発生した一酸化炭素と、触媒部（１）１の上流から供給される水蒸気とによってシフト反応が起こり、自己発熱によって更に加熱される。その際、触媒部（２）２で発生した一酸化炭素は、触媒部（１）のシフト反応によって浄化される。
【００５１】
続くステップＳ２０では、ステップＳ１０から所定の時間が経過したかどうかを判断する。所定の時間τが経過したならば、ステップＳ３０に進む。一方、所定の時間τが経過していない場合は待機する。
【００５２】
ステップＳ３０では、酸化剤流路制御弁６が制御装置１０からの信号により、酸化剤供給装置と原料供給手段（１）１２とが連通するように流路を切り替える。同時に、水蒸気流路制御弁９が制御装置１０からの信号により、水蒸気供給装置と原料供給手段（２）１３とが連通するように流路を切り替える。触媒部（２）２では、その上流から供給される炭化水素燃料と水蒸気によって吸熱反応である水蒸気改質反応が起こり、触媒部（２）２の温度が低下してすべての反応が停止する。そのため、触媒部（２）２の上流から供給された炭化水素燃料と水蒸気は、触媒部（２）２で反応することなく触媒部（２）２を素通りして触媒部（１）１に達する。
【００５３】
触媒部（１）１では、触媒部（２）２を素通りしてきた炭化水素燃料と水蒸気と触媒部（１）１の上流から供給される酸化剤によって、水蒸気改質反応と部分酸化反応とが起こり、水素リッチな改質ガスを生成する。これで一連の処理は終了する。
【００５４】
図１２に時間経過に伴う、酸化剤、水蒸気の供給位置の変化と、触媒部（１），（２）の温度変化を示す。この図１２に示すように、第６の実施の形態では、酸化剤供給手段（１）４と水蒸気供給手段（１）７とを統合して原料供給手段（１）１２とし、また酸化剤供給手段（２）５と水蒸気供給手段（２）８とを統合して原料供給手段（２）１３としたことにより、第１の実施の形態による作用効果に加え、燃料改質装置の構成を小形、簡略化できる。
【００５５】
なお、この第６の実施の形態の燃料改質装置に対して、所定の時間τの経過を待って酸化剤流路制御弁６、水蒸気流路制御弁９を切り替える構成の代わりに、第２〜第５の実施の形態のように温度計測手段１１を用い、各場所の温度を測定し、それが所定値に到達した際にこれらの制御弁６，９を切換える制御をする構成にすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の燃料改質装置の構成を示す断面図。
【図２】第１の実施の形態による制御動作を示すフローチャート。
【図３】第１の実施の形態における酸化剤、水蒸気の流路切替制御、触媒部温度の時間変化を示すタイミングチャート。
【図４】本発明の第２の実施の形態の燃料改質装置の構成を示す断面図。
【図５】第２の実施の形態による制御動作を示すフローチャート。
【図６】第２の実施の形態における酸化剤、水蒸気の流路切替制御、触媒部温度の時間変化を示すタイミングチャート。
【図７】本発明の第３の実施の形態の燃料改質装置の構成を示す断面図。
【図８】本発明の第４の実施の形態の燃料改質装置の構成を示す断面図。
【図９】本発明の第５の実施の形態の燃料改質装置の構成を示す断面図。
【図１０】本発明の第６の実施の形態の燃料改質装置の構成を示す断面図。
【図１１】第６の実施の形態による制御動作を示すフローチャート。
【図１２】第６の実施の形態における酸化剤、水蒸気の流路切替制御、触媒部温度の時間変化を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
１ 触媒部（１）
２ 触媒部（２）
３ 燃料供給手段
４ 酸化剤供給手段（１）
５ 酸化剤供給手段（２）
６ 酸化剤流路制御弁
７ 水蒸気供給手段（１）
８ 水蒸気供給手段（２）
９ 水蒸気流路制御弁
１０ 制御装置
１１ 温度計測手段
１２ 原料供給手段（１）
１３ 原料供給手段（２）
１４ 反応器ケーシング
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素燃料と水蒸気から水素を生成する水蒸気改質反応と、炭化水素燃料と酸化剤から水素を生成する部分酸化反応とを同時に進行させ、発熱反応である部分酸化反応の熱を利用して、吸熱反応である水蒸気改質反応の熱を賄う燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池用メタノール改質装置としては、特開平１１−０９２１０２号公報に記載されたものが知られている。この従来のメタノール改質装置は、燃料電池用改質装置内の温度分布を均一化することを目的としている。そしてその公報に記載された発明の第６実施例及び第７実施例は、触媒に対する酸化剤の供給位置を経時的に変化させることによって、局所的に酸化反応が継続することによる触媒の局所的昇温を防止し、内部でより多くの酸化反応を進行させ、起動時間の短縮を図るものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料電池用メタノール改質装置は、意図的に発熱反応である酸化反応を局所的に行わない、言い換えれば酸化反応による発熱を分散させる構成であるため、触媒が活性化する温度まで昇温するのにより多くの燃料と時間を要し、起動時間を十分に短縮できないという問題点があった。
【０００４】
すなわち、起動時に触媒の一部を活性化温度まで昇温できれば触媒表面で化学反応が始まり、その化学反応による発熱によって連鎖反応的に周囲の触媒が加熱され、反応が開始する。したがって、起動時間を短縮するためには、より短時間で触媒温度を活性化温度以上に加熱することが必要であるが、従来はそのような考慮がなされていなかった。
【０００５】
本発明はこのような従来の技術的課題を解決するためになされたもので、短時間で触媒温度を活性化温度以上に加熱することにより起動時間を短縮することができる燃料改質装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、炭化水素燃料と水蒸気から水素を生成する水蒸気改質反応と、炭化水素燃料と酸化剤から水素を生成する部分酸化反応とを同時に進行させ、発熱反応である部分酸化反応の熱を利用して、吸熱反応である水蒸気改質反応の熱を賄う燃料改質装置において、主に定常運転時に前記水蒸気改質反応と部分酸化反応とを促進する触媒を備える第１触媒部と、前記第１触媒部の上流に位置し、主に起動時あるいは負荷が増大する方向の過渡運転時に、前記部分酸化反応を促進する触媒を備える第２触媒部と、前記第２触媒部の上流から炭化水素燃料を供給する燃料供給手段と、前記第１触媒部に対して酸化剤を供給する第１酸化剤供給手段と、前記第２触媒部に対して酸化剤を供給する第２酸化剤供給手段と、酸化剤供給源から前記第１酸化剤供給手段又は第２酸化剤供給手段へ流路を切り替える酸化剤流路制御弁と、前記第１触媒部に対して水蒸気を供給する第１水蒸気供給手段と、前記第２触媒部に対して水蒸気を供給する第２水蒸気供給手段と、水蒸気供給源から前記第１水蒸気供給手段又は第２水蒸気供給手段へ流路を切り替える水蒸気流路制御弁と、前記酸化剤流路制御弁と水蒸気流路制御弁とを制御するための制御装置とを備え、前記制御装置が、起動時、あるいは加速信号の入力により、前記酸化剤供給源と第２酸化剤供給手段とが連通するように前記酸化剤流路制御弁を制御するとともに前記水蒸気供給源と第１水蒸気供給手段とが連通するように前記水蒸気流路制御弁を制御し、所定時間経過後に、前記酸化剤供給源と第１酸化剤供給手段とが連通するように前記酸化剤流路制御弁を制御するとともに前記水蒸気供給源と第２水蒸気供給手段とが連通するように前記水蒸気流路制御弁を制御するものである。
【０００７】
請求項２の発明は、炭化水素燃料と水蒸気から水素を生成する水蒸気改質反応と、炭化水素燃料と酸化剤から水素を生成する部分酸化反応とを同時に進行させ、発熱反応である部分酸化反応の熱を利用して、吸熱反応である水蒸気改質反応の熱を賄う燃料改質装置において、主に定常運転時に前記水蒸気改質反応と部分酸化反応とを促進する触媒を備える第１触媒部と、前記第１触媒部の上流に位置し、主に起動時あるいは負荷が増大する方向の過渡運転時に、前記部分酸化反応を促進する触媒を備える第２触媒部と、前記第２触媒部の上流から炭化水素燃料を供給する燃料供給手段と、前記第１触媒部に対して酸化剤を供給する第１酸化剤供給手段と、前記第２触媒部に対して酸化剤を供給する第２酸化剤供給手段と、酸化剤供給源から前記第１酸化剤供給手段又は第２酸化剤供給手段へ流路を切り替える酸化剤流路制御弁と、前記第１触媒部に対して水蒸気を供給する第１水蒸気供給手段と、前記第２触媒部に対して水蒸気を供給する第２水蒸気供給手段と、水蒸気供給源から前記第１水蒸気供給手段又は第２水蒸気供給手段へ流路を切り替える水蒸気流路制御弁と、前記第１触媒部の温度を所定の位置で計測する温度計測手段と、前記温度計測手段からの出力信号によって、前記酸化剤流路制御弁と水蒸気流路制御弁とを制御するための制御装置とを備え、前記制御装置が、起動時あるいは加速信号の入力により、前記酸化剤供給源と第２酸化剤供給手段とが連通するように前記酸化剤流路制御弁を制御するとともに前記水蒸気供給源と第１水蒸気供給手段とが連通するように前記水蒸気流路制御弁を制御し、前記温度計測手段からの出力信号が所定値に達したところで、前記酸化剤供給源と第１酸化剤供給手段とが連通するように前記酸化剤流路制御弁を制御するとともに前記水蒸気供給源と第２水蒸気供給手段とが連通するように前記水蒸気流路制御弁を制御するものである。
【０００８】
請求項３の発明は、炭化水素燃料と水蒸気から水素を生成する水蒸気改質反応と、炭化水素燃料と酸化剤から水素を生成する部分酸化反応とを同時に進行させ、発熱反応である部分酸化反応の熱を利用して、吸熱反応である水蒸気改質反応の熱を賄う燃料改質装置において、主に定常運転時に前記水蒸気改質反応と部分酸化反応とを促進する触媒を備える第１触媒部と、前記第１触媒部の上流に位置し、主に起動時あるいは負荷が増大する方向の過渡運転時（加速時）に、前記部分酸化反応を促進する触媒を備える第２触媒部と、前記第２触媒部の上流から炭化水素燃料を供給する燃料供給手段と、前記第１触媒部に対して酸化剤、あるいは水蒸気を供給する第１原料供給手段と、前記第２触媒部に対して酸化剤、あるいは水蒸気を供給する第２原料供給手段と、酸化剤供給源から前記第１原料供給手段又は第２原料供給手段へ流路を切り替える酸化剤流路制御弁と、水蒸気供給源から前記第１原料供給手段又は第２原料供給手段へ流路を切り替える水蒸気流路制御弁と、前記酸化剤流路制御弁と水蒸気流路制御弁とを制御するための制御装置とを備え、前記制御装置が、起動時、あるいは加速信号の入力により、前記酸化剤供給源と第２原料供給手段とが連通するように前記酸化剤流路制御弁を制御するとともに前記水蒸気供給源と第１原料供給手段とが連通するように前記水蒸気流路制御弁を制御し、所定時間経過後に、前記酸化剤供給源と第１原料供給手段とが連通するように前記酸化剤流路制御弁を制御するとともに前記水蒸気供給源と第２原料供給手段とが連通するように前記水蒸気流路制御弁を制御するものである。
【０００９】
請求項４の発明は、炭化水素燃料と水蒸気から水素を生成する水蒸気改質反応と、炭化水素燃料と酸化剤から水素を生成する部分酸化反応とを同時に進行させ、発熱反応である部分酸化反応の熱を利用して、吸熱反応である水蒸気改質反応の熱を賄う燃料改質装置において、主に定常運転時に前記水蒸気改質反応と部分酸化反応とを促進する触媒を備える第１触媒部と、前記第１触媒部の上流に位置し、主に起動時あるいは負荷が増大する方向の過渡運転時（加速時）に、前記部分酸化反応を促進する触媒を備える第２触媒部と、前記第２触媒部の上流から炭化水素燃料を供給する燃料供給手段と、前記第１触媒部に対して酸化剤、あるいは水蒸気を供給する第１原料供給手段と、前記第２触媒部に対して酸化剤、あるいは水蒸気を供給する第２原料供給手段と、酸化剤供給源から前記第１原料供給手段又は第２原料供給手段へ流路を切り替える酸化剤流路制御弁と、水蒸気供給源から前記第１原料供給手段又は第２原料供給手段へ流路を切り替える水蒸気流路制御弁と、前記第１触媒部の温度を所定の位置で計測する温度計測手段と、前記温度計測手段からの出力信号によって、前記酸化剤流路制御弁と水蒸気流路制御弁とを独立して制御するための制御装置とを備え、前記制御装置が、起動時あるいは加速信号の入力により、酸化剤供給源と第２原料供給手段とが連通するように前記酸化剤流路制御弁を制御するとともに前記水蒸気供給源と第１原料供給手段とが連通するように前記水蒸気流路制御弁を制御し、前記温度計測手段からの出力信号が所定値に達したところで、前記酸化剤供給源と第１原料供給手段とが連通するように前記酸化剤流路制御弁を制御するとともに前記水蒸気供給源と第２原料供給手段とが連通するように前記水蒸気流路制御弁を制御するものである。
【００１０】
請求項５の発明は、請求項２又は４の燃料改質装置において、前記温度計測手段が第１触媒部の入口側ガス流路の所定位置に設置されているものである。
【００１１】
請求項６の発明は、請求項２又は４の燃料改質装置において、前記温度計測手段が第１触媒部の触媒層内の所定位置に設置されているものである。
【００１２】
請求項７の発明は、請求項２又は４の燃料改質装置において、前記温度計測手段が第１触媒部の出口側ガス流路の所定位置に設置されているものである。
【００１３】
請求項８の発明は、請求項１〜７の燃料改質装置において、前記炭化水素燃料がメタノールであり、前記第１触媒部と第２触媒部とが銅系触媒又はパラジューム系触媒であるものである。
【００１４】
請求項９の発明は、請求項１〜７の燃料改質装置において、前記炭化水素燃料がメタノールであり、前記第１触媒部が銅系触媒又はパラジューム系触媒であり、前記第２触媒部が酸化触媒であるものである。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、起動時において、まず第２触媒部の上流から炭化水素燃料と酸化剤を供給し、第１触媒部の上流から水蒸気を供給する。これにより、第２触媒部で急峻な酸化反応が起こり、そこで発生した高温ガスによって下流の第１触媒部が速やかに加熱昇温される。同時に、第２触媒部で発生した一酸化炭素（ＣＯ）は、第１触媒部において水蒸気と反応（シフト反応＝発熱反応）し、第１触媒部の加熱が一層促進される。この時、第２触媒部で生成したＣＯは、第１触媒部でシフト反応によって浄化される。
【００１６】
そして起動から定常運転に移行する際には、所定時間経過後、第２触媒部の上流から炭化水素燃料と水蒸気を供給し、第１触媒部の上流から酸化剤を供給する。これにより、第２触媒部では水蒸気改質反応が起こり、吸熱によって急激に第２触媒部の温度が低下し、反応が停止する。第２触媒部を素通りした炭化水素燃料と水蒸気は、下流の第１触媒部で部分酸化反応と水蒸気改質反応に供され、水素リッチな改質ガスを生成する。
【００１７】
このような作用によって、起動時間を短縮しつつ、改質装置下流の燃料電池被毒や排気悪化の要因となる副生成物の発生を最小限に抑えることができる。
【００１８】
また、請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、第１触媒部周辺の温度を起動から定常運転に移行する際の制御判断の基準とすることにより、よりスムーズに、かつ副生成物の発生を抑えて、起動から定常運転に移行することができる。
【００１９】
また、請求項３の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、第１触媒部、第２触媒部に対してそれぞれ酸化剤、水蒸気を供給する原料供給手段を統合することにより、燃料改質装置の構成を簡略化できる。
【００２０】
また、請求項４の発明によれば、請求項３の発明の効果に加えて、第１触媒部周辺の温度を起動から定常運転に移行する際の制御判断の基準とすることにより、よりスムーズに、かつ副生成物の発生を抑えて、起動から定常運転に移行することができる。
【００２１】
請求項５〜７の発明によれば、請求項２又は４の発明の効果に加えて、第１触媒部の周辺の温度を起動から定常運転に移行する際の制御判断基準とすることにより、よりスムーズにかつ副生成物の発生を抑えて、起動から定常運転に移行することができる。
【００２２】
また、請求項８の発明によれば、請求項１〜７の発明の効果に加え、本装置をメタノールを燃料とする燃料電池システムに応用することができる。
【００２３】
また、請求項９の発明によれば、請求項８の発明の効果に加え、一般的に広く用いられている酸化触媒を用いることによって、耐久性の向上とコストの低減が図れる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
【００２５】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態の燃料改質装置を示している。触媒部（１）１は、主に定常運転時に水蒸気改質反応と部分酸化反応とを進行する触媒を備える触媒担体であり、反応器ケーシング１４内の下流側に隙間無く装填されている。触媒部（２）２は、主に起動時、あるいは負荷が増大する方向の過渡運転時（加速時）に、部分酸化反応を促進する触媒を備える触媒担体であり、触媒部（１）１の上流側の反応器ケーシング１４内に隙間無く装填されている。
【００２６】
燃料供給手段は、図示しない炭化水素燃料供給装置から供給された炭化水素燃料を、触媒部（２）２の上流から噴霧あるいは噴射するものであり、触媒部（２）２の上流側の反応器ケーシング１４に嵌合されている。
【００２７】
酸化剤供給手段（１）４は、図示しない酸化剤供給装置から供給された酸化剤を、反応器ケーシング１４内の触媒部（１）１と触媒部（２）２との間に形成されるガス流路内に極力均一に分布するように供給するものであり、反応器ケーシング１４に嵌合されている。酸化剤供給手段（２）５は、図示しない酸化剤供給装置から供給された酸化剤を、反応器ケーシング１４内の触媒部（２）２の上流側に形成されるガス流路内に極力均一に分布するように供給するものであり、反応器ケーシング１４に嵌合されている。そして酸化剤流路制御弁６は、図示しない酸化剤供給装置から供給される酸化剤を、酸化剤供給手段（１）４あるいは酸化剤供給手段（２）５のいずれかに供給できるように、酸化剤供給装置と酸化剤供給手段（１）と酸化剤供給手段（２）とを接続する配管流路途中に設置されている。
【００２８】
水蒸気供給手段（１）７は、図示しない水蒸気供給装置から供給された水蒸気を、反応器ケーシング１４内の触媒部（１）１と触媒部（２）２との間に形成されるガス流路内に極力均一に分布するように供給するものであり、反応器ケーシング１４に嵌合されている。水蒸気供給手段（２）８は、図示しない水蒸気供給装置から供給された水蒸気を、反応器ケーシング１４内の触媒部（１）１の上流側に形成されるガス流路内に極力均一に分布するように供給するものであり、反応器ケーシング１４に嵌合されている。水蒸気流路制御弁９は、図示しない水蒸気供給装置から供給される水蒸気を、水蒸気供給手段（１）７あるいは水蒸気供給手段（２）８のいずれかに供給できるように、水蒸気供給装置と水蒸気供給手段（１）と水蒸気供給手段（２）とを接続する配管流路途中に設置されている。
【００２９】
制御装置１０は、酸化剤流路制御弁６と水蒸気流路制御弁９とをそれぞれ独立して制御するためのものであり、酸化剤流路制御弁６及び水蒸気流路制御弁９と信号線で接続されている。
【００３０】
次に、図２に示す制御フローチャートに従って本実施の形態の燃料改質装置の制御動作を説明する。
【００３１】
外部からの起動信号の入力により、この制御フローに入る。そしてまず、ステップＳ１０では、酸化剤流路制御弁６が制御装置１０からの信号により、酸化剤供給装置と酸化剤供給手段（２）５とが連通するように流路を切り替える。同時に、水蒸気流路制御弁９が制御装置１０からの信号により、水蒸気供給装置と水蒸気供給手段（１）７とが連通するように流路を切り替える。
【００３２】
そして所定の量に調量された炭化水素燃料、酸化剤、水蒸気が燃料改質装置に供給されると、触媒部（２）２ではその上流から供給された炭化水素燃料と酸化剤とによって（部分）酸化反応が起こり、急峻な発熱によって触媒部（２）２の温度が上昇するとともに発生したガスによって下流の触媒部（１）１も加熱される。同時に、触媒部（１）１では、触媒部（２）２の（部分）酸化反応で発生した一酸化炭素と触媒部（１）１の上流から供給される水蒸気とによってシフト反応が起こり、自己発熱によってさらに加熱される。その際、触媒部（２）２で発生した一酸化炭素は、触媒部（１）１のシフト反応によって浄化される。
【００３３】
次のステップＳ２０では、ステップＳ１０から予め設定した所定の時間τが経過したかどうかを判断する。所定の時間τが経過したならば、ステップＳ３０に進む。一方、所定の時間τが経過していない場合は、待機する。
【００３４】
そしてステップＳ３０では、酸化剤流路制御弁６が制御装置１０からの信号により、酸化剤供給装置と酸化剤供給手段（１）４とが連通するように流路を切り替える。同時に、水蒸気流路制御弁（９）が制御装置１０からの信号により、水蒸気供給装置と水蒸気供給手段（２）８とが連通するように流路を切り替える。
【００３５】
触媒部（２）２では、その上流から供給される炭化水素燃料と水蒸気によって吸熱反応である水蒸気改質反応が起こり、触媒部（２）２の温度が低下してすべての反応が停止する。そのため、触媒部（２）の上流から供給された炭化水素燃料と水蒸気は、触媒部（２）で反応することなく触媒部（２）を素通りして触媒部１に達する。そして触媒部（１）１では、触媒部（２）を素通りしてきた炭化水素燃料と水蒸気と触媒部（１）の上流から供給される酸化剤とによって水蒸気改質反応と部分酸化反応とが起こり、水素リッチな改質ガスを生成する。これらよって一連の処理は終了する。
【００３６】
図３は、この第１の実施の形態の燃料改質装置における、時間経過に伴う酸化剤、水蒸気の供給位置の変化、また触媒部（１），（２）の温度変化とを示している。この図３に示すように、第１の実施の形態の燃料改質装置では、触媒部（２）での急峻な（部分）酸化反応によって速やかに触媒部（１）を加熱すると同時に、発生した一酸化炭素を触媒部（１）で水蒸気と反応させることによってシフト反応を起こさせることによって、起動時間を短縮しつつ、改質装置下流の燃料電池被毒や排気悪化の要因となる副生成物の発生を最小限に抑えることができる。
【００３７】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態の燃料改質装置を示している。第２の実施の形態の燃料改質装置の基本構成は、図１に示した第１の実施の形態と同様であるが、次の点が異なる。温度計測手段１１が触媒部（１）１の近傍で反応器ケーシング１４に嵌合されていて、触媒部（１）の近傍の温度を測定するようにしてある。そしてこの温度計測手段１１で測定されたデータは、制御装置１０に送るようにしてある。
【００３８】
次に、図５に示す制御フローチャートに従って、第２の実施の形態の燃料改質装置の制御動作を説明する。第２の実施の形態の基本的な制御動作は、図２に示した第１の実施の形態のものと同様であるが、以下の点が異なる。
【００３９】
ステップＳ２０′では、温度計測手段１１からの信号によって、触媒部（１）の近傍の温度が所定の温度に達したかどうかを判断する。所定の温度に達したならば、ステップＳ３０に進む。一方、所定の温度に達していない場合には待機する。
【００４０】
図６に時間経過に伴う酸化剤、水蒸気の供給位置の変化と触媒部（１），（２）の温度変化を示す。この図６に示すように、第２の実施の形態の燃料改質装置では、触媒部（１）の近傍の温度を起動から定常運転に移行する際の制御判断の基準とすることにより、第１の実施の形態の燃料改質装置の作用効果に加え、さらなる起動時間の短縮が図れると同時に、よりスムーズに、かつ副生成物の発生を抑えて起動から定常運転に移行することができる。
【００４１】
（第３の実施の形態）
図７は、本発明の第３の実施の形態の燃料改質装置を示している。第３の実施の形態の基本構成は図４に示した第２実施の形態と同様であるが、以下の点が異なる。温度計測手段１１は、反応器ケーシング１４内の触媒部（１）１の上流側に形成されるガス流路内に位置するように、反応器ケーシング１４に嵌合されていて、触媒部（１）の上流のガス温度を測定するようにしてある。この温度計測手段１１で測定されたデータは、制御装置１０に送られる。
【００４２】
第３の実施の形態の燃料改質装置の基本的な制御動作は第２実施の形態と同様である。そして、第３の実施の形態の場合、第２の実施の形態の作用効果に加え、触媒部（２）からのガス温度を直接測定することにより、起動状態から定常運転状態への移行時期をいち早く検出でき、さらなる起動時間の短縮を図ることができる。
【００４３】
（第４の実施の形態）
図８は、本発明の第４の実施の形態の形態の燃料改質装置を示している。第４の実施の形態の燃料改質装置の基本構成は図４に示した第２の実施の形態と同様であるが、以下の点が異なる。温度計測手段１１は、触媒部（１）１に内挿されるように反応器ケーシング１４に嵌合されており、触媒部（１）の内部の温度を測定するようにしてある。そして温度計測手段１１で測定されたデータは、制御装置１０に送られる。
【００４４】
第４の実施の形態の燃料改質装置の基本的な制御動作は、第２実施の形態と同様である。この第４の実施の形態の作用効果としては、第２の実施の形態に関する効果に加えて、触媒部（１）の内部温度を直接測定することにより、起動状態から定常運転状態へ移行する際の失火などを防止し、確実に定常運転状態へ移行させることができる。
【００４５】
（第５の実施の形態）
図９は、本発明の第５の実施の形態の形態の燃料改質装置を示している。第５の実施の形態の燃料改質装置の基本構成は図４に示した第２実施の形態と同様であるが、以下の点が異なる。温度計測手段１１は、反応器ケーシング１４内の触媒部（１）１の下流側に形成されるガス流路内に位置するように反応器ケーシング１４に嵌合されていて、触媒部（１）の下流のガス温度を測定し、温度測定データを制御装置１０に送るようにしてある。
【００４６】
第５の実施の形態の燃料改質装置の基本的な制御動作は第２実施の形態と同様である。この第５の実施の形態では、第２の実施の形態の作用効果に加えて、触媒部（１）の下流のガス温度、従って比較的低いガス温度を測定するので、簡便な温度計測手段を用いることができ、コストの低減が図れ、同時に温度計測手段の耐久性が向上できる。
【００４７】
（第６の実施の形態）
図１０は、本発明の第６実施の形態の形態の燃料改質装置を示している。第６の実施の形態の燃料改質装置の基本構成は図１に示した第１の実施の形態と同様であるが、以下の点が異なる。原料供給手段（１）１２は、図示しない酸化剤供給装置から供給された酸化剤、あるいは図示しない水蒸気供給装置から供給された水蒸気のいずれか一方を、反応器ケーシング１４内の触媒部（１）１と触媒部（２）２との間に形成されるガス流路内に極力均一に分布するように供給するものであり、反応器ケーシング１４に嵌合されている。原料供給手段（２）１３は、図示しない酸化剤供給装置から供給された酸化剤、あるいは図示しない水蒸気供給装置から供給された水蒸気のいずれか一方を、反応器ケーシング１４内の触媒部（２）２の上流側に形成されるガス流路内に、極力均一に分布するように供給するものであり、反応器ケーシング１４に嵌合されている。
【００４８】
次に、図１１に示す制御フローチャートに従って第６の実施の形態の燃料改質装置の制御動作を説明する。基本的な制御動作は図２に示した第１の実施の形態のものと同様であるが、以下の点が異なる。
【００４９】
まずステップＳ１０では、酸化剤流路制御弁６が制御装置１０からの信号により、酸化剤供給装置と原料供給手段（２）１３とが連通するように流路を切り替える。同時に、水蒸気流路制御弁９が制御装置１０からの信号により、水蒸気供給装置と原料供給手段（１）１２とが連通するように流路を切り替える。
【００５０】
そして所定の量に調量された炭化水素燃料、酸化剤、水蒸気が燃料改質装置に供給されると、触媒部（２）２ではその上流から供給された炭化水素燃料と酸化剤とによって（部分）酸化反応が起こり、急峻な発熱によって触媒部（２）２の温度が上昇するとともに発生したガスによって下流の触媒部（１）１も加熱される。同時に、触媒部（１）１では、触媒部（２）２の（部分）酸化反応で発生した一酸化炭素と、触媒部（１）１の上流から供給される水蒸気とによってシフト反応が起こり、自己発熱によって更に加熱される。その際、触媒部（２）２で発生した一酸化炭素は、触媒部（１）のシフト反応によって浄化される。
【００５１】
続くステップＳ２０では、ステップＳ１０から所定の時間が経過したかどうかを判断する。所定の時間τが経過したならば、ステップＳ３０に進む。一方、所定の時間τが経過していない場合は待機する。
【００５２】
ステップＳ３０では、酸化剤流路制御弁６が制御装置１０からの信号により、酸化剤供給装置と原料供給手段（１）１２とが連通するように流路を切り替える。同時に、水蒸気流路制御弁９が制御装置１０からの信号により、水蒸気供給装置と原料供給手段（２）１３とが連通するように流路を切り替える。触媒部（２）２では、その上流から供給される炭化水素燃料と水蒸気によって吸熱反応である水蒸気改質反応が起こり、触媒部（２）２の温度が低下してすべての反応が停止する。そのため、触媒部（２）２の上流から供給された炭化水素燃料と水蒸気は、触媒部（２）２で反応することなく触媒部（２）２を素通りして触媒部（１）１に達する。
【００５３】
触媒部（１）１では、触媒部（２）２を素通りしてきた炭化水素燃料と水蒸気と触媒部（１）１の上流から供給される酸化剤によって、水蒸気改質反応と部分酸化反応とが起こり、水素リッチな改質ガスを生成する。これで一連の処理は終了する。
【００５４】
図１２に時間経過に伴う、酸化剤、水蒸気の供給位置の変化と、触媒部（１），（２）の温度変化を示す。この図１２に示すように、第６の実施の形態では、酸化剤供給手段（１）４と水蒸気供給手段（１）７とを統合して原料供給手段（１）１２とし、また酸化剤供給手段（２）５と水蒸気供給手段（２）８とを統合して原料供給手段（２）１３としたことにより、第１の実施の形態による作用効果に加え、燃料改質装置の構成を小形、簡略化できる。
【００５５】
なお、この第６の実施の形態の燃料改質装置に対して、所定の時間τの経過を待って酸化剤流路制御弁６、水蒸気流路制御弁９を切り替える構成の代わりに、第２〜第５の実施の形態のように温度計測手段１１を用い、各場所の温度を測定し、それが所定値に到達した際にこれらの制御弁６，９を切換える制御をする構成にすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の燃料改質装置の構成を示す断面図。
【図２】第１の実施の形態による制御動作を示すフローチャート。
【図３】第１の実施の形態における酸化剤、水蒸気の流路切替制御、触媒部温度の時間変化を示すタイミングチャート。
【図４】本発明の第２の実施の形態の燃料改質装置の構成を示す断面図。
【図５】第２の実施の形態による制御動作を示すフローチャート。
【図６】第２の実施の形態における酸化剤、水蒸気の流路切替制御、触媒部温度の時間変化を示すタイミングチャート。
【図７】本発明の第３の実施の形態の燃料改質装置の構成を示す断面図。
【図８】本発明の第４の実施の形態の燃料改質装置の構成を示す断面図。
【図９】本発明の第５の実施の形態の燃料改質装置の構成を示す断面図。
【図１０】本発明の第６の実施の形態の燃料改質装置の構成を示す断面図。
【図１１】第６の実施の形態による制御動作を示すフローチャート。
【図１２】第６の実施の形態における酸化剤、水蒸気の流路切替制御、触媒部温度の時間変化を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
１ 触媒部（１）
２ 触媒部（２）
３ 燃料供給手段
４ 酸化剤供給手段（１）
５ 酸化剤供給手段（２）
６ 酸化剤流路制御弁
７ 水蒸気供給手段（１）
８ 水蒸気供給手段（２）
９ 水蒸気流路制御弁
１０ 制御装置
１１ 温度計測手段
１２ 原料供給手段（１）
１３ 原料供給手段（２）
１４ 反応器ケーシング
Claims (9)
- 炭化水素燃料と水蒸気から水素を生成する水蒸気改質反応と、炭化水素燃料と酸化剤から水素を生成する部分酸化反応とを同時に進行させ、発熱反応である部分酸化反応の熱を利用して、吸熱反応である水蒸気改質反応の熱を賄う燃料改質装置において、
主に定常運転時に前記水蒸気改質反応と部分酸化反応とを促進する触媒を備える第１触媒部と、
前記第１触媒部の上流に位置し、主に起動時あるいは負荷が増大する方向の過渡運転時に、前記部分酸化反応を促進する触媒を備える第２触媒部と、
前記第２触媒部の上流から炭化水素燃料を供給する燃料供給手段と、
前記第１触媒部に対して酸化剤を供給する第１酸化剤供給手段と、
前記第２触媒部に対して酸化剤を供給する第２酸化剤供給手段と、
酸化剤供給源から前記第１酸化剤供給手段又は第２酸化剤供給手段へ流路を切り替える酸化剤流路制御弁と、
前記第１触媒部に対して水蒸気を供給する第１水蒸気供給手段と、
前記第２触媒部に対して水蒸気を供給する第２水蒸気供給手段と、
水蒸気供給源から前記第１水蒸気供給手段又は第２水蒸気供給手段へ流路を切り替える水蒸気流路制御弁と、
前記酸化剤流路制御弁と水蒸気流路制御弁とを制御するための制御装置とを備え、
前記制御装置は、起動時、あるいは加速信号の入力により、前記酸化剤供給源と第２酸化剤供給手段とが連通するように前記酸化剤流路制御弁を制御するとともに前記水蒸気供給源と第１水蒸気供給手段とが連通するように前記水蒸気流路制御弁を制御し、所定時間経過後に、前記酸化剤供給源と第１酸化剤供給手段とが連通するように前記酸化剤流路制御弁を制御するとともに前記水蒸気供給源と第２水蒸気供給手段とが連通するように前記水蒸気流路制御弁を制御することを特徴とする燃料改質装置。 - 炭化水素燃料と水蒸気から水素を生成する水蒸気改質反応と、炭化水素燃料と酸化剤から水素を生成する部分酸化反応とを同時に進行させ、発熱反応である部分酸化反応の熱を利用して、吸熱反応である水蒸気改質反応の熱を賄う燃料改質装置において、
主に定常運転時に前記水蒸気改質反応と部分酸化反応とを促進する触媒を備える第１触媒部と、
前記第１触媒部の上流に位置し、主に起動時あるいは負荷が増大する方向の過渡運転時に、前記部分酸化反応を促進する触媒を備える第２触媒部と、
前記第２触媒部の上流から炭化水素燃料を供給する燃料供給手段と、
前記第１触媒部に対して酸化剤を供給する第１酸化剤供給手段と、
前記第２触媒部に対して酸化剤を供給する第２酸化剤供給手段と、
酸化剤供給源から前記第１酸化剤供給手段又は第２酸化剤供給手段へ流路を切り替える酸化剤流路制御弁と、
前記第１触媒部に対して水蒸気を供給する第１水蒸気供給手段と、
前記第２触媒部に対して水蒸気を供給する第２水蒸気供給手段と、
水蒸気供給源から前記第１水蒸気供給手段又は第２水蒸気供給手段へ流路を切り替える水蒸気流路制御弁と、
前記第１触媒部の温度を所定の位置で計測する温度計測手段と、
前記温度計測手段からの出力信号によって、前記酸化剤流路制御弁と水蒸気流路制御弁とを制御するための制御装置とを備え、
前記制御装置は、起動時あるいは加速信号の入力により、前記酸化剤供給源と第２酸化剤供給手段とが連通するように前記酸化剤流路制御弁を制御するとともに前記水蒸気供給源と第１水蒸気供給手段とが連通するように前記水蒸気流路制御弁を制御し、前記温度計測手段からの出力信号が所定値に達したところで、前記酸化剤供給源と第１酸化剤供給手段とが連通するように前記酸化剤流路制御弁を制御するとともに前記水蒸気供給源と第２水蒸気供給手段とが連通するように前記水蒸気流路制御弁を制御することを特徴とする燃料改質装置。 - 炭化水素燃料と水蒸気から水素を生成する水蒸気改質反応と、炭化水素燃料と酸化剤から水素を生成する部分酸化反応とを同時に進行させ、発熱反応である部分酸化反応の熱を利用して、吸熱反応である水蒸気改質反応の熱を賄う燃料改質装置において、
主に定常運転時に前記水蒸気改質反応と部分酸化反応とを促進する触媒を備える第１触媒部と、
前記第１触媒部の上流に位置し、主に起動時あるいは負荷が増大する方向の過渡運転時（加速時）に、前記部分酸化反応を促進する触媒を備える第２触媒部と、
前記第２触媒部の上流から炭化水素燃料を供給する燃料供給手段と、
前記第１触媒部に対して酸化剤、あるいは水蒸気を供給する第１原料供給手段と、
前記第２触媒部に対して酸化剤、あるいは水蒸気を供給する第２原料供給手段と、
酸化剤供給源から前記第１原料供給手段又は第２原料供給手段へ流路を切り替える酸化剤流路制御弁と、
水蒸気供給源から前記第１原料供給手段又は第２原料供給手段へ流路を切り替える水蒸気流路制御弁と、
前記酸化剤流路制御弁と水蒸気流路制御弁とを制御するための制御装置とを備え、
前記制御装置は、起動時、あるいは加速信号の入力により、前記酸化剤供給源と第２原料供給手段とが連通するように前記酸化剤流路制御弁を制御するとともに前記水蒸気供給源と第１原料供給手段とが連通するように前記水蒸気流路制御弁を制御し、所定時間経過後に、前記酸化剤供給源と第１原料供給手段とが連通するように前記酸化剤流路制御弁を制御するとともに前記水蒸気供給源と第２原料供給手段とが連通するように前記水蒸気流路制御弁を制御することを特徴とする燃料改質装置。 - 炭化水素燃料と水蒸気から水素を生成する水蒸気改質反応と、炭化水素燃料と酸化剤から水素を生成する部分酸化反応とを同時に進行させ、発熱反応である部分酸化反応の熱を利用して、吸熱反応である水蒸気改質反応の熱を賄う燃料改質装置において、
主に定常運転時に前記水蒸気改質反応と部分酸化反応とを促進する触媒を備える第１触媒部と、
前記第１触媒部の上流に位置し、主に起動時あるいは負荷が増大する方向の過渡運転時（加速時）に、前記部分酸化反応を促進する触媒を備える第２触媒部と、
前記第２触媒部の上流から炭化水素燃料を供給する燃料供給手段と、
前記第１触媒部に対して酸化剤、あるいは水蒸気を供給する第１原料供給手段と、
前記第２触媒部に対して酸化剤、あるいは水蒸気を供給する第２原料供給手段と、
酸化剤供給源から前記第１原料供給手段又は第２原料供給手段へ流路を切り替える酸化剤流路制御弁と、
水蒸気供給源から前記第１原料供給手段又は第２原料供給手段へ流路を切り替える水蒸気流路制御弁と、
前記第１触媒部の温度を所定の位置で計測する温度計測手段と、
前記温度計測手段からの出力信号によって、前記酸化剤流路制御弁と水蒸気流路制御弁とを独立して制御するための制御装置とを備え、
前記制御装置は、起動時あるいは加速信号の入力により、酸化剤供給源と第２原料供給手段とが連通するように前記酸化剤流路制御弁を制御するとともに前記水蒸気供給源と第１原料供給手段とが連通するように前記水蒸気流路制御弁を制御し、前記温度計測手段からの出力信号が所定値に達したところで、前記酸化剤供給源と第１原料供給手段とが連通するように前記酸化剤流路制御弁を制御するとともに前記水蒸気供給源と第２原料供給手段とが連通するように前記水蒸気流路制御弁を制御することを特徴とする燃料改質装置。 - 請求項２又は４に記載の燃料改質装置において、前記温度計測手段が第１触媒部の入口側ガス流路の所定位置に設置されていることを特徴とする燃料改質装置。
- 請求項２又は４に記載の燃料改質装置において、前記温度計測手段が第１触媒部の触媒層内の所定位置に設置されていることを特徴とする燃料改質装置。
- 請求項２又は４に記載の燃料改質装置において、前記温度計測手段が第１触媒部の出口側ガス流路の所定位置に設置されていることを特徴とする燃料改質装置。
- 請求項１〜７のいずれかに記載の燃料改質装置において、前記炭化水素燃料はメタノールであり、前記第１触媒部と第２触媒部とは銅系触媒又はパラジューム系触媒であることを特徴とする燃料改質装置。
- 請求項１〜７のいずれかに記載の燃料改質装置において、前記炭化水素燃料はメタノールであり、前記第１触媒部は銅系触媒又はパラジューム系触媒であり、前記第２触媒部は酸化触媒であることを特徴とする燃料改質装置。
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