JP4038390B2 - 燃料処理システムおよびその運転方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料処理システムおよびその運転方法に関するものであり、詳しくは、意図しない理由により原燃料または原料水（スチーム）の流量が設定値からずれた場合、これを検出、対処することにより、安定な運転およびシステムの保護を可能にする燃料処理システムおよびその運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、第１の従来例として、特開２００１−３２５９７５号公報に示された従来の燃料処理システムの一例を説明するための図である。図７において、原燃料ガス供給ライン１０１から原燃料ガス流量制御弁１０２および脱硫器７を介して改質反応器１１に原燃料ガスが供給され、また、スチーム供給ライン１０４からスチーム制御弁１０５を介して、改質反応器１１にスチームが供給される。改質反応器１１において改質反応が行われ（例えば反応温度500−800℃においてCH4とH2Oとが反応しH2、CO、CO2、CH4、H2Oが生じる反応）、改質されたガスはＣＯ変成器（シフト反応器）１２を介して燃料電池本体９に供給される。原燃料ガス供給ライン１０１は、原燃料ガス流量計３を備える。また、スチーム供給ライン１０４はスチーム流量計６を備える。さらに、原燃料ガス流量制御弁１０２の開度を調節するための調節器１０３と、スチーム制御弁１０５の開度を調節するための調節器１０６とが設けられ、後述する演算装置１６と前記各調節器１０３および１０６により演算調節装置を構成している。演算装置１６はシステム全体を制御する計算機内に組み込まれており、原燃料ガス供給流量およびスチーム供給流量の測定値と原燃料ガス供給流量およびスチーム供給流量の指令値とを入力するように構成されている。
次に、動作について説明する。要求負荷に応じて燃料電池本体９に必要な水素量が決まり、原燃料ガス流量制御弁１０２の調節器１０３の水素流量設定値の変更を行う。この設定値変更によって調節器１０３は制御弁１０２に開閉信号の変化を与え、バルブの開度が変化することによって原燃料ガス流量が増減し、流量計３の測定値が変化する。この弁開度と流量測定値は演算装置１６に入力され、改質反応器１１入口のスチームカーボン比S／Cの演算値と燃料電池本体９入口の水素流量とが計算され、これらが設定値になるように、原燃料とスチームの流量が制御される。
【０００３】
また、図８は、第２の従来例として、特開平５−２７５１０１号公報に開示された燃料処理システムを説明するための図である。図８において５は原料水を供給するポンプであり、１１０は熱交換器であり、他の部分は前述の第１の従来例と同様であり同一の符号を付して説明は省略する。ここでは、第１の従来例においてスチームを供給していたのに対して、原料水をポンプ５により供給し、熱交換器１１０により加熱してスチームを生成し、燃料処理装置８に供給する。ここでは、供給流量の制御方法については明示されていないが、流量計を用いないとすれば、一定の流量を供給するためには定量ポンプすなわちポンプに与えた信号により決まった流量を流せるポンプが必要となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に流量計は長期間使用していると経時変化により流量測定値が実際の流量からずれてきたり、故障により正しくない値を表示してしまうことがある。故障の場合、測定値が０やオーバーレンジとなれば判断もできるが、例えば一定の値を出力し続けるような場合は演算装置１６は、故障とは判断できない。
従来の燃料処理システムは以上のように構成されていたため、流量計の経時変化や故障の場合は、原燃料またはスチームの流量が本来流すべき流量からずれた状態で運転されてしまうという問題があった。特に、原燃料とスチームとの割合を示すスチームカーボン比S／Cは重要であり、通常、原燃料に都市ガスを用いる場合はS／Cは２ないし４程度、原燃料にメタノールを用いる場合には１ないし２程度が用いられるが、システムとして設計されたS／Cより小さくなると、改質反応器においてカーボンの析出が生じ、改質反応器の性能劣化さらには動作不能になることもあり、絶対に避けなければならない。しかし、例えば第１の従来例の燃料処理システムでは、例えばスチームの流量計６の測定値が実際より大きい値が表示されるように変化してしまった場合、測定値が設定したい値になるように制御弁１０５を絞るように動作し、S／Cの小さい状態で動作させてしまうという危険があった。
また、第２の従来例の場合も、経時変化等によりポンプの定量性が狂ってきた場合には全く対応できず、流量の設定値からのずれが検出できないという問題があった。
【０００５】
本発明は上記のような問題点を解消するためになされたものであり、意図しない理由により原燃料または原料水（スチーム）の流量が設定値からずれた場合、これを検出、対処することにより、安定な運転およびシステムの保護を可能にする燃料処理システムおよびその運転方法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、アルコール類またはエーテル類を含む原燃料と原料水またはスチームとを水素リッチな燃料ガスに変換する燃料処理システムにおいて、前記燃料処理システムが、前記燃料ガスの露点温度測定手段と、露点温度に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量を推定する演算手段と、演算結果に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量を調節する流量調節手段とを設けたことを特徴とする燃料処理システムである。
請求項２の発明は、前記演算結果に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量が異常であると判断された場合に、前記異常を連絡する警報手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料処理システムである。
請求項３の発明は、燃料処理システムが、原燃料と原料水またはスチームとを改質反応により水素リッチな燃料ガスに変換する改質反応器を含み、露点温度測定手段が、前記改質反応器の下流に設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料処理システムである。
請求項４の発明は、露点温度測定手段が、燃料ガスの温度測定手段であり、測定された前記燃料ガスの温度結果から、露点温度を推定することを特徴とする請求項３に記載の燃料処理システムである。
請求項５の発明は、複数の温度測定手段が、改質反応器の下流に設置されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料処理システムである。
請求項６の発明は、燃料ガス中のスチームの一部が凝縮する位置に、温度測定手段が設置されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料処理システムである。
請求項７の発明は、炭化水素、アルコール類またはエーテル類を含む原燃料と原料水またはスチームとを水素リッチな燃料ガスに変換する燃料処理システムの運転方法において、前記燃料ガスの露点温度を測定し、前記露点温度に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量を推定し、推定結果に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量が異常であると判断された場合に、前記異常を連絡する警報を発するか、あるいは、異常を連絡する警報を発するとともに、前記推定結果に基づき前記原燃料流量あるいは水またはスチーム流量を調節することを特徴とする燃料処理システムの運転方法である。
請求項８の発明は、燃料処理システムが、原燃料と原料水またはスチームとを改質反応により水素リッチな燃料ガスに変換する改質反応器を含み、露点温度が、前記改質反応器の下流に流れる燃料ガスの温度から推定されるとともに、前記原燃料の流量、あるいは前記燃料処理システムの周囲温度に基づき、燃料ガス温度を補正し、燃料ガスの露点温度を推定することを特徴とする請求項７に記載の燃料処理システムの運転方法である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による燃料処理システムを説明するための図である。実施の形態１では原燃料として都市ガスを用いている。図１において、１は原燃料である都市ガス供給ラインであり、２は都市ガスを燃料処理装置に供給する都市ガスブロワであり原燃料の流量調節手段を兼ねており、３は都市ガスの流量を測定するための流量計である。また、４は原料水を貯えたタンクであり、原料水が使用されて水位が減少した場合は自動的に補充されるように構成されている。５は原料水を燃料処理装置に供給するとともにその供給流量を調節する流量調節手段としてのポンプである。６は原料水の流量を測定するための流量計であり、ここでは液体マスフローメータを使用しているが外部出力があればロータメータタイプのもの等他の方式のものでも構わない。７は脱硫器、８は燃料処理装置、９は燃料電池本体であり、１４は燃料処理装置８から排出された燃料ガスが流通する燃料ガス流通経路である。燃料処理装置８は、ここでは、原料水を蒸発させる蒸発部１０、改質反応により原燃料の都市ガスと原料水とから水素リッチガスを生成する改質反応器１１、シフト反応によりＣＯを１％以下のレベルにまで低減するシフト反応器１２、さらに選択的にＣＯを酸化させてＣＯを10ppm程度まで除去するＣＯ酸化器１３等から構成されているが、これらは一体構造であっても別々の反応器であっても一部が一体構造でもよく、またこれらの機能が全部そろっていなくてはならないわけでもない。燃料電池本体９は加湿器を含むものであってもよい。１５は燃料処理装置８の出口に近い燃料ガス流通経路１４内に設置された露点温度測定手段であり、公知の高分子膜方式のセンサー式露点計が用いられている。これは、高分子膜を誘電体としてコンデンサを形成させ、相対湿度の変化量（水分の吸脱湿）を静電容量の変化として捉えることを利用しているもので、比較的小型で高湿度領域まで測定可能であるため本用途に適している。ただし、方式はこれに限定されるものではない。１６は演算手段であり、露点温度測定手段１５、流量計３、および流量計６の出力信号を取り込み、都市ガスブロワ２および原料水ポンプ５に対し駆動信号を与えるものである。また、１７は警報手段である。
【０００８】
次に、動作について説明する。まず燃料電池本体９で必要な水素量を発生させるための原燃料の必要流量が決定される。流量計３による測定値が必要流量（設定値）になるように都市ガスブロワ２が運転される。都市ガスは脱硫器７により付臭剤が取り除かれ燃料処理装置８に投入されるのは従来と同様である。また、原料水タンク４から、ポンプ５により原料水が燃料処理装置８に供給される。このとき、例えばS／Cの設定値を３とすれば、原燃料である都市ガス流量から原料水の流量設定値が算出できる。流量計６による測定値が、この原料水流量設定値になるようにポンプ５が駆動される。従って、この場合はポンプ５は特に定量ポンプである必要はなく、入力信号により流量が可変できればよい。燃料処理装置８の蒸発部１０において、原料水は蒸発される。その後、原燃料と蒸発したスチームとにより水素リッチガスが生成され、燃料ガス流通経路１４を通って、燃料電池本体９に供給される。
【０００９】
ここで、例えばS／Cの設定値を３、燃料処理装置８の改質反応器１１における改質触媒層出口の反応温度（平衡温度）を650℃（このときの改質率約９０％）、シフト反応器１２での反応温度（平衡温度）を200℃（このときのＣＯ濃度約0.3％）、ＣＯ酸化反応１３における空気比（当量比）を約7.0とすると、反応組成の計算により燃料処理装置から出た燃料ガスの水分は21.8%となり、露点は62.3℃となる。
また、S／Cが変化した場合の露点は下記表１のようになる。表１での計算では改質反応、シフト反応の反応温度を同じとし、改質率やシフト反応後におけるＣＯ濃度はそれぞれのS／Cに対しての平衡反応として求めた。また、ＣＯ酸化の空気量は一定とした。このようにS／Cの変化に対して燃料ガスの露点は大きく変化するため、逆に露点を測定することによりS／Cの変化を予測することが可能となる。
【００１０】
【表１】
【００１１】
そこで、図１において、露点温度測定手段１５により測定した燃料ガスの露点をもとに、上記の表１と同様なテーブルに従うか、あるいはS／Cを仮定した繰り返し計算により運転時の実際のS／Cの値を推定することができる。この値が、設定値から例えば２割以上ずれていた場合、原料水（スチーム）または原燃料の流量の異常として警報手段１７により警報を発する。警報は音でも、ランプ等の点灯、点滅でもよいし、表示パネル等による、動画または静止画による表示でも、他の方法でもよい。場合によっては運転を停止することも含む。
また、実際のS／C推定値が設置値からずれていた場合、原料水（スチーム）または原燃料の流量が同時にずれる可能性は低いため、どちらかに異常があると考える。例えば水の流量計６の信頼性が劣ることがあらかじめ分かっている場合は、流量計６の不具合とみなし、露点から推定するS／Cが設定値になるようにポンプ５を駆動して流量を調節するようにしてもよい。また、原燃料と原料水（スチーム）のどちらが設定値からずれたか分からない場合は、他の情報と合わせてどちらの不具合か判定し、異常の生じたと考えられる方の流量を変化させてS／Cを設定値にあわせることも可能である。
【００１２】
システム上、露点を測定する個所としては改質反応前の原燃料（蒸発部１０の出口）、改質反応後（改質反応器１１の出口）、シフト反応後（シフト反応器１２の出口）、そして上記に示したＣＯ酸化反応後（燃料処理装置８の出口）が考えられる。S／Cが変化したとき、これらの場所におけるガスの露点がどのように変化するかを示したのが下記表２である。表２で、ΔTとはS／Cが±２０％変化したときの露点の変化量を表している。これより、蒸発部１０の出口、すなわち反応前の原燃料の時点では露点の差があまりないためかなり難しく、改質反応後の方が好ましい。さらに露点の変化量の大きいシフト反応後（ＣＯ酸化反応後も含む）で実施する方がより好ましい。
【００１３】
【表２】
【００１４】
以上のように反応後のガスの露点を測定することにより、運転時において、設定値ではなく、実際のS／Cが推定でき、燃料処理装置の保護および原料水（スチーム）または原燃料供給系の異常が発見できるという効果がある。また、特にシフト反応後あるいはＣＯ酸化反応後のガスの露点を用いることにより、S／Cの異常等の推定においてより感度を向上させることが可能となる。さらに、燃料電池に水素リッチガスを供給することに用いたので、例えばS／Cの低下から生じるＣＯ濃度の増大による燃料電池の性能劣化が防止できるなど、燃料電池を安定に動作させられるという効果もある。
なお、実施の形態１においては、原料水の供給系としてポンプ５と流量計６の組合せを用いたが、これに限るものではなく、例えば定量ポンプを用い、流量計は省略したものでもよい。また、実施の形態１においては原料水を供給したのち燃料処理装置内部で蒸発させる構成としたが、これに限るものではなく、スチームを供給するものでもよく、あるいは原燃料ガスを加湿させる方式でもよい。また、原燃料として都市ガスを用いる例を示したが、これに限るものではなく、メタン、プロパン、ブタン、その他の炭化水素系気体燃料、メタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル等のエーテル類、その他の液体燃料でもよい。さらに、実施の形態１においては燃料電池に燃料ガスを供給する例を示したが、これに限るものではなく、例えば水素製造装置として用いる場合でもよい。これらは、以下の実施の形態においても同様である。
【００１５】
実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２による燃料処理システムを説明するための図である。図２において、２１は温度測定手段としての熱電対で、燃料電池本体９の手前の燃料ガスの流通経路１４内に設置されており、当該位置において燃料処理装置から排出された燃料ガスの温度を測定している。ここで、燃料ガス流通経路１４は長さ約８０ｃｍのステンレス配管であり温度測定手段２１は燃料処理装置８から約７０ｃｍすなわち燃料電池本体９の手前約１０ｃｍのところの配管内に位置している。他の部分は実施の形態１と同様であるため、同一符号を付して説明を省略する。
【００１６】
次に動作について説明する。実施の形態１と同様にS／Cの設定値を３、燃料処理装置８における改質触媒層出口の反応温度（平衡温度）を650℃（このときの改質率約９０％）、シフト反応器での反応温度（平衡温度）を200℃（このときのＣＯ濃度約0.3％）、ＣＯ酸化反応における空気比（当量比）を約7.0の場合を考える。燃料ガスの流量として約30NL/min（ウェットベース，標準状態）の場合、燃料ガスの単位時間当たりの顕熱（熱容量）は0.7W/Kであるのに対して、燃料ガスの単位時間当たりの蒸発熱は約200Wである。例えば10%の水が結露した場合（潜熱20W）、露点は2.3℃低下するだけであるので、単位時間当りの潜熱（熱容量）は約9W/Kとなり顕熱の10倍以上である。そこで、燃料処理装置８の出口ガス温度を例えば80℃で運転した場合、流れ方向の距離に対する燃料ガスの温度は、放熱によって露点まで低下した後、低下率が10倍以上鈍化する。この様子を示したのが図３である。すなわち、図３におけるAの区間で温度を測定すれば、燃料処理装置８から排出される燃料ガスの露点Bに近い温度が測定できる。燃料ガスの燃料処理装置８における出口温度および周囲温度、燃料ガス流通経路１４の周囲との熱抵抗がわかれば図３における点Cの位置は簡単に計算できる。温度測定区間Aはある程度幅があるので、計算が厳密でなくても対応可能である。なお、前記温度測定手段２１は、この温度測定区間Aに設けられている。このようにして、温度測定手段１５により燃料処理装置８から排出された燃料ガスのおおよその露点を測定することができる。その値を演算手段１６に取り込み実施の形態１と同様に実運転時のS／Cを推定することができる。
下記表３に、実際にこのような系を構成し実験した結果を示す。なお計算によるS／Cでは、温度測定個所における燃料ガスの圧力約７kPa（S／Cによっては変わらないとする）を考慮した。これによると、当該個所における温度測定手段により計算される露点に近い値が測定されており、わずかなS／Cの変化でも測定温度に差が表われているため有効であることが分かる。
【００１７】
【表３】
【００１８】
以上のように、燃料ガスが結露する区間で温度測定をすることにより、比較的複雑で高価な露点計を用いなくてもよく、簡単で安価な方法でS／Cの推定、さらには原料水（スチーム）または原燃料の流量異常の検出が行なえるという効果がある。なお、実施の形態２においては温度測定手段として熱電対を用いる例を示したが、これに限るものではなく、サーミスタや白金抵抗対等でもよい。また、燃料処理装置８における各反応が測定温度に対して平衡状態になっていない場合は、所望のS／Cに対応する露点の算出に影響を及ぼすため、予め測定しておいた特性データに基づいて、反応温度と改質率またはＣＯ濃度との関係を補正することが好ましい。
【００１９】
実施の形態３．
図４は本発明の実施の形態３による燃料処理システムを説明するための図である。図４において、温度測定手段２１は、燃料ガス流通経路１４の配管内にほぼ同じ間隔で設けられた温度測定点21a、21b、21c（それぞれの位置をＡ点、Ｂ点、Ｃ点とする）から構成され、ここでは温度測定には熱電対が用いられている。各点からの測定データはすべて演算手段１６に入力される。なお、図４においては図１および図２と異なる部分のみを記載している。
ここで、燃料ガスが６０℃前後としたときのおおよその流通経路の配管から周囲への放熱量を求め、燃料ガスの凝縮熱から、凝縮しているときの各温度測定点間の温度低下量を求める。例えばＡ点とＢ点、Ｂ点とＣ点との間の放熱がそれぞれ約１０Wずつだと仮定すると、実施の形態１中に記述した通り、それぞれ1.2℃ずつ燃料ガス温度が低下する。すなわち、図５のように３点の温度をプロットしたとき、1区間1.2℃の傾き（図中の破線で示す）に乗れば、この区間では凝縮していると判断できる。そこで、図５（ａ）のように３点ともこの傾きに乗るときは燃料ガス温度は一転鎖線のように推定でき、Ａ点では凝縮が始まっていると判断し、露点温度に最も近いＡ点の温度を露点温度として採用する。図５（ｂ）のようにＢ−Ｃ間のみ破線の傾きに乗っている場合は燃料ガス温は一転鎖線のように推定でき、凝縮の始まった最初の点であるＢ点の温度を露点温度とする。同様に図５（ｃ）のような場合にはＣ点の温度を露点温度として採用する。露点温度を得た後の処理は実施の形態１と同様である。
このように複数の温度測定手段を設け、それらの測定値間の関係から１つの温度測定手段を選択することによって、例えば燃料処理装置８の出口の温度が変化し、凝縮が始まる位置が変化する場合でも実際の露点に近い温度を求めることが可能となる。
【００２０】
実施の形態４．
以下、本発明の実施の形態４について説明する。実施の形態４は実施の形態３と同様図４に示す構成とする。ただし、実施の形態３のように、選択する温度測定手段を各測定値の関係から求めるのではなく、条件によって予め選択する温度測定手段を決めている。例えば、周囲温度が１５℃以下のときは、放熱が大きいのでＡ点を選択、１５℃〜２５℃のときはＢ点を選択、２５℃以上のときはＣ点を選択とする。あるいは、周囲温度のみではなく燃料処理装置８の出口における燃料ガス温度と周囲温度との差によって選択する点を決定してもよい。また、燃料ガスの流量によっても放熱が変わるので定格時および負荷率８０％以上はＣ点を選択、負荷率５０％〜８０％のときはＢ点を選択、負荷率５０％以下のときはＡ点を選択するのも一方法である。あるいはこれらの組み合わせでもよくその場合、例えば2次元のテーブルができることになる。いずれの場合もより正確に露点を測定でき、より正確にS／Cのずれを推定することが可能となる。
なお、上記実施の形態３および４においては温度測定手段を３つ設置した例を示したが、もちろんこれに限るものではなく２点でも４点でもそれ以上設置してもよい。
【００２１】
実施の形態５．
以下、本発明の実施の形態５について説明する。実施の形態５は実施の形態３と同様図２に示す構成とする。このとき、温度測定手段２１は、燃料ガスの凝縮が最も下流で始まる条件（例えば、定格負荷で、燃料処理装置８の出口温度が最大で、周囲温度が最大のとき）においても、確実に凝縮が始まる位置に設置される。運転時には、温度測定手段２１によって測定された温度に対して以下の補正を行い、補正後の温度を露点として扱う。補正では、一つの例として、周囲温度が１５℃以下のときは放熱が大きく露点より例えば４℃程度低い温度が測定されるため、露点は測定温度＋４℃、周囲温度が１５℃〜２５℃のときは露点は測定温度＋２℃、周囲温度が２５℃以上のときは測定温度をそのまま露点とする。あるいは、燃料処理装置８の出口温度と周囲温度との差によって場合わけしてもよいし、場合わけではなく、補正曲線あるいは補正直線により補正してもよい。また、定格時および負荷率が８０％以上のときは補正なし、負荷率が５０〜８０％のときは露点は測定温度＋２℃、負荷率５０％以下のときは露点は測定温度＋４℃というような補正を行なってもよい。この場合も場合わけではなく補正曲線（直線）を用いてもよいし、前述の周囲温度等との組合せも考えられる。いずれも温度測定手段が１つであってもより正確に露点を測定でき、より正確にS／Cのずれを推定することが可能となる。
【００２２】
実施の形態６．
以下、本発明の実施の形態６について説明する。図６は実施の形態６による燃料処理システムの燃料ガス流通経路１４について示したものであり他の部分は図１、図２あるいは図４と同一である。ここで、６１は燃料ガス流通経路１４の配管の外側に密着して設けられた保温材を示している。図６のように保温材は燃料ガス流通経路１４のほぼ後半約２／３のみに設けられている。
前述の実施の形態２ないし５で述べたように、温度測定手段で燃料処理装置８出口における燃料ガスの露点を測定する場合、凝縮区間での燃料ガス温度低下が少ないことを利用している。従ってこの区間では放熱を極力抑える必要があり、流通経路１４の十分な断熱を行なうことが好ましい。一方、温度測定手段２１（複数の温度測定点がある場合は最下流の温度測定点）では少なくとも燃料ガス中のスチームの一部が凝縮している必要がある。燃料ガス流通経路１４全体を十分断熱すると、温度測定手段２１の位置より上流側で燃料ガスの凝縮が始まるためには燃料ガス流通経路１４の長さを長くしなければならない恐れがある。そこで、前半（の一部）で断熱性能を低下させるよう調節することにより、燃料ガス流通経路１４の長さを短縮しても、温度測定手段２１（複数の温度測定点がある場合は最下流の温度測定点）で少なくとも燃料ガス中のスチームの一部が凝縮する構成とすることができる。なお、前記の保温材６１の断熱性能を低下させる手段はとくに制限されないが、例えば保温材６１の厚さを燃料ガスの流れ方向に応じて変化させたり、保温材６１の構成材料を段階的に燃料ガスの流れ方向に応じて変更する等が挙げられる。
【００２３】
【発明の効果】
請求項１の発明は、炭化水素、アルコール類またはエーテル類を含む原燃料と原料水またはスチームとを水素リッチな燃料ガスに変換する燃料処理システムにおいて、前記燃料処理システムが、前記燃料ガスの露点温度測定手段と、露点温度に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量を推定する演算手段と、演算結果に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量を調節する流量調節手段とを設けたことを特徴とする燃料処理システムであるので、意図しない理由により原燃料または原料水（スチーム）の流量が設定値からずれた場合、これを検出、対処することにより、安定な運転およびシステムの保護を可能にする燃料処理システムが提供される。
【００２４】
請求項２の発明は、前記演算結果に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量が異常であると判断された場合に、前記異常を連絡する警報手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料処理システムであるので、異常状態を瞬時に把握することができ、一層安定な運転およびシステムの保護を可能にする燃料処理システムが提供される。
【００２５】
請求項３の発明は、燃料処理システムが、原燃料と原料水またはスチームとを改質反応により水素リッチな燃料ガスに変換する改質反応器を含み、露点温度測定手段が、前記改質反応器の下流に設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料処理システムであるので、原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量の異常状態の検出感度が一層高まる。
【００２６】
請求項４の発明は、露点温度測定手段が、燃料ガスの温度測定手段であり、測定された前記燃料ガスの温度結果から、露点温度を推定することを特徴とする請求項３に記載の燃料処理システムであるので、簡便な方法で原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量の異常状態を検出することができる。
【００２７】
請求項５の発明は、複数の温度測定手段が、改質反応器の下流に設置されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料処理システムであるので、より正確な原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量の異常状態の検出が可能になる。
【００２８】
請求項６の発明は、燃料ガス中のスチームの一部が凝縮する位置に、温度測定手段が設置されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料処理システムであるので、複雑で高価な露点計を用いなくてもＳ／Ｃの値を推定でき、原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量の異常状態の検出が可能になる。
【００２９】
請求項７の発明は、炭化水素、アルコール類またはエーテル類を含む原燃料と原料水またはスチームとを水素リッチな燃料ガスに変換する燃料処理システムの運転方法において、前記燃料ガスの露点温度を測定し、前記露点温度に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量を推定し、推定結果に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量が異常であると判断された場合に、前記異常を連絡する警報を発するか、あるいは、異常を連絡する警報を発するとともに、前記推定結果に基づき前記原燃料流量あるいは水またはスチーム流量を調節することを特徴とする燃料処理システムの運転方法であるので、意図しない理由により原燃料または原料水（スチーム）の流量が設定値からずれた場合、これを検出、対処することにより、安定な運転およびシステムの保護を可能にする燃料処理システムの運転方法が提供される。
【００３０】
請求項８の発明は、燃料処理システムが、原燃料と原料水またはスチームとを改質反応により水素リッチな燃料ガスに変換する改質反応器を含み、露点温度が、前記改質反応器の下流に流れる燃料ガスの温度から推定されるとともに、前記原燃料の流量、あるいは前記燃料処理システムの周囲温度に基づき、燃料ガス温度を補正し、燃料ガスの露点温度を推定することを特徴とする請求項７に記載の燃料処理システムの運転方法であるので、より正確な原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量の異常状態の検出が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１による燃料処理システムおよびその運転方法を説明するための図である。
【図２】 実施の形態２による燃料処理システムおよびその運転方法を説明するための図である。
【図３】 実施の形態２の燃料処理システムおよびその運転方法を説明するためのグラフである。
【図４】 実施の形態３の燃料処理システムおよびその運転方法を説明するための図である。
【図５】 （ａ），（ｂ），（ｃ）ともに実施の形態３の燃料処理システムおよびその運転方法を説明するための図である。
【図６】 実施の形態６の燃料処理システムおよびその運転方法を説明するための図である。
【図７】 従来の燃料処理システムの一例を説明するための図である。
【図８】 従来の別の燃料処理システムを説明するための図である。
【符号の説明】
１ 都市ガス供給ライン、２ 都市ガスブロワ、３ 流量計、４ タンク、５原料水流量調節手段、６ 流量計、８ 燃料処理装置、９ 燃料電池、１１ 改質反応器、１２ シフト反応器、１４ 燃料ガス流通経路、１５ 露点温度測定手段、１６ 演算手段、１７ 警報手段、２１ 温度測定手段、６１ 保温材。
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料処理システムおよびその運転方法に関するものであり、詳しくは、意図しない理由により原燃料または原料水（スチーム）の流量が設定値からずれた場合、これを検出、対処することにより、安定な運転およびシステムの保護を可能にする燃料処理システムおよびその運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、第１の従来例として、特開２００１−３２５９７５号公報に示された従来の燃料処理システムの一例を説明するための図である。図７において、原燃料ガス供給ライン１０１から原燃料ガス流量制御弁１０２および脱硫器７を介して改質反応器１１に原燃料ガスが供給され、また、スチーム供給ライン１０４からスチーム制御弁１０５を介して、改質反応器１１にスチームが供給される。改質反応器１１において改質反応が行われ（例えば反応温度500−800℃においてCH4とH2Oとが反応しH2、CO、CO2、CH4、H2Oが生じる反応）、改質されたガスはＣＯ変成器（シフト反応器）１２を介して燃料電池本体９に供給される。原燃料ガス供給ライン１０１は、原燃料ガス流量計３を備える。また、スチーム供給ライン１０４はスチーム流量計６を備える。さらに、原燃料ガス流量制御弁１０２の開度を調節するための調節器１０３と、スチーム制御弁１０５の開度を調節するための調節器１０６とが設けられ、後述する演算装置１６と前記各調節器１０３および１０６により演算調節装置を構成している。演算装置１６はシステム全体を制御する計算機内に組み込まれており、原燃料ガス供給流量およびスチーム供給流量の測定値と原燃料ガス供給流量およびスチーム供給流量の指令値とを入力するように構成されている。
次に、動作について説明する。要求負荷に応じて燃料電池本体９に必要な水素量が決まり、原燃料ガス流量制御弁１０２の調節器１０３の水素流量設定値の変更を行う。この設定値変更によって調節器１０３は制御弁１０２に開閉信号の変化を与え、バルブの開度が変化することによって原燃料ガス流量が増減し、流量計３の測定値が変化する。この弁開度と流量測定値は演算装置１６に入力され、改質反応器１１入口のスチームカーボン比S／Cの演算値と燃料電池本体９入口の水素流量とが計算され、これらが設定値になるように、原燃料とスチームの流量が制御される。
【０００３】
また、図８は、第２の従来例として、特開平５−２７５１０１号公報に開示された燃料処理システムを説明するための図である。図８において５は原料水を供給するポンプであり、１１０は熱交換器であり、他の部分は前述の第１の従来例と同様であり同一の符号を付して説明は省略する。ここでは、第１の従来例においてスチームを供給していたのに対して、原料水をポンプ５により供給し、熱交換器１１０により加熱してスチームを生成し、燃料処理装置８に供給する。ここでは、供給流量の制御方法については明示されていないが、流量計を用いないとすれば、一定の流量を供給するためには定量ポンプすなわちポンプに与えた信号により決まった流量を流せるポンプが必要となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に流量計は長期間使用していると経時変化により流量測定値が実際の流量からずれてきたり、故障により正しくない値を表示してしまうことがある。故障の場合、測定値が０やオーバーレンジとなれば判断もできるが、例えば一定の値を出力し続けるような場合は演算装置１６は、故障とは判断できない。
従来の燃料処理システムは以上のように構成されていたため、流量計の経時変化や故障の場合は、原燃料またはスチームの流量が本来流すべき流量からずれた状態で運転されてしまうという問題があった。特に、原燃料とスチームとの割合を示すスチームカーボン比S／Cは重要であり、通常、原燃料に都市ガスを用いる場合はS／Cは２ないし４程度、原燃料にメタノールを用いる場合には１ないし２程度が用いられるが、システムとして設計されたS／Cより小さくなると、改質反応器においてカーボンの析出が生じ、改質反応器の性能劣化さらには動作不能になることもあり、絶対に避けなければならない。しかし、例えば第１の従来例の燃料処理システムでは、例えばスチームの流量計６の測定値が実際より大きい値が表示されるように変化してしまった場合、測定値が設定したい値になるように制御弁１０５を絞るように動作し、S／Cの小さい状態で動作させてしまうという危険があった。
また、第２の従来例の場合も、経時変化等によりポンプの定量性が狂ってきた場合には全く対応できず、流量の設定値からのずれが検出できないという問題があった。
【０００５】
本発明は上記のような問題点を解消するためになされたものであり、意図しない理由により原燃料または原料水（スチーム）の流量が設定値からずれた場合、これを検出、対処することにより、安定な運転およびシステムの保護を可能にする燃料処理システムおよびその運転方法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、アルコール類またはエーテル類を含む原燃料と原料水またはスチームとを水素リッチな燃料ガスに変換する燃料処理システムにおいて、前記燃料処理システムが、前記燃料ガスの露点温度測定手段と、露点温度に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量を推定する演算手段と、演算結果に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量を調節する流量調節手段とを設けたことを特徴とする燃料処理システムである。
請求項２の発明は、前記演算結果に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量が異常であると判断された場合に、前記異常を連絡する警報手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料処理システムである。
請求項３の発明は、燃料処理システムが、原燃料と原料水またはスチームとを改質反応により水素リッチな燃料ガスに変換する改質反応器を含み、露点温度測定手段が、前記改質反応器の下流に設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料処理システムである。
請求項４の発明は、露点温度測定手段が、燃料ガスの温度測定手段であり、測定された前記燃料ガスの温度結果から、露点温度を推定することを特徴とする請求項３に記載の燃料処理システムである。
請求項５の発明は、複数の温度測定手段が、改質反応器の下流に設置されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料処理システムである。
請求項６の発明は、燃料ガス中のスチームの一部が凝縮する位置に、温度測定手段が設置されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料処理システムである。
請求項７の発明は、炭化水素、アルコール類またはエーテル類を含む原燃料と原料水またはスチームとを水素リッチな燃料ガスに変換する燃料処理システムの運転方法において、前記燃料ガスの露点温度を測定し、前記露点温度に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量を推定し、推定結果に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量が異常であると判断された場合に、前記異常を連絡する警報を発するか、あるいは、異常を連絡する警報を発するとともに、前記推定結果に基づき前記原燃料流量あるいは水またはスチーム流量を調節することを特徴とする燃料処理システムの運転方法である。
請求項８の発明は、燃料処理システムが、原燃料と原料水またはスチームとを改質反応により水素リッチな燃料ガスに変換する改質反応器を含み、露点温度が、前記改質反応器の下流に流れる燃料ガスの温度から推定されるとともに、前記原燃料の流量、あるいは前記燃料処理システムの周囲温度に基づき、燃料ガス温度を補正し、燃料ガスの露点温度を推定することを特徴とする請求項７に記載の燃料処理システムの運転方法である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による燃料処理システムを説明するための図である。実施の形態１では原燃料として都市ガスを用いている。図１において、１は原燃料である都市ガス供給ラインであり、２は都市ガスを燃料処理装置に供給する都市ガスブロワであり原燃料の流量調節手段を兼ねており、３は都市ガスの流量を測定するための流量計である。また、４は原料水を貯えたタンクであり、原料水が使用されて水位が減少した場合は自動的に補充されるように構成されている。５は原料水を燃料処理装置に供給するとともにその供給流量を調節する流量調節手段としてのポンプである。６は原料水の流量を測定するための流量計であり、ここでは液体マスフローメータを使用しているが外部出力があればロータメータタイプのもの等他の方式のものでも構わない。７は脱硫器、８は燃料処理装置、９は燃料電池本体であり、１４は燃料処理装置８から排出された燃料ガスが流通する燃料ガス流通経路である。燃料処理装置８は、ここでは、原料水を蒸発させる蒸発部１０、改質反応により原燃料の都市ガスと原料水とから水素リッチガスを生成する改質反応器１１、シフト反応によりＣＯを１％以下のレベルにまで低減するシフト反応器１２、さらに選択的にＣＯを酸化させてＣＯを10ppm程度まで除去するＣＯ酸化器１３等から構成されているが、これらは一体構造であっても別々の反応器であっても一部が一体構造でもよく、またこれらの機能が全部そろっていなくてはならないわけでもない。燃料電池本体９は加湿器を含むものであってもよい。１５は燃料処理装置８の出口に近い燃料ガス流通経路１４内に設置された露点温度測定手段であり、公知の高分子膜方式のセンサー式露点計が用いられている。これは、高分子膜を誘電体としてコンデンサを形成させ、相対湿度の変化量（水分の吸脱湿）を静電容量の変化として捉えることを利用しているもので、比較的小型で高湿度領域まで測定可能であるため本用途に適している。ただし、方式はこれに限定されるものではない。１６は演算手段であり、露点温度測定手段１５、流量計３、および流量計６の出力信号を取り込み、都市ガスブロワ２および原料水ポンプ５に対し駆動信号を与えるものである。また、１７は警報手段である。
【０００８】
次に、動作について説明する。まず燃料電池本体９で必要な水素量を発生させるための原燃料の必要流量が決定される。流量計３による測定値が必要流量（設定値）になるように都市ガスブロワ２が運転される。都市ガスは脱硫器７により付臭剤が取り除かれ燃料処理装置８に投入されるのは従来と同様である。また、原料水タンク４から、ポンプ５により原料水が燃料処理装置８に供給される。このとき、例えばS／Cの設定値を３とすれば、原燃料である都市ガス流量から原料水の流量設定値が算出できる。流量計６による測定値が、この原料水流量設定値になるようにポンプ５が駆動される。従って、この場合はポンプ５は特に定量ポンプである必要はなく、入力信号により流量が可変できればよい。燃料処理装置８の蒸発部１０において、原料水は蒸発される。その後、原燃料と蒸発したスチームとにより水素リッチガスが生成され、燃料ガス流通経路１４を通って、燃料電池本体９に供給される。
【０００９】
ここで、例えばS／Cの設定値を３、燃料処理装置８の改質反応器１１における改質触媒層出口の反応温度（平衡温度）を650℃（このときの改質率約９０％）、シフト反応器１２での反応温度（平衡温度）を200℃（このときのＣＯ濃度約0.3％）、ＣＯ酸化反応１３における空気比（当量比）を約7.0とすると、反応組成の計算により燃料処理装置から出た燃料ガスの水分は21.8%となり、露点は62.3℃となる。
また、S／Cが変化した場合の露点は下記表１のようになる。表１での計算では改質反応、シフト反応の反応温度を同じとし、改質率やシフト反応後におけるＣＯ濃度はそれぞれのS／Cに対しての平衡反応として求めた。また、ＣＯ酸化の空気量は一定とした。このようにS／Cの変化に対して燃料ガスの露点は大きく変化するため、逆に露点を測定することによりS／Cの変化を予測することが可能となる。
【００１０】
【表１】
そこで、図１において、露点温度測定手段１５により測定した燃料ガスの露点をもとに、上記の表１と同様なテーブルに従うか、あるいはS／Cを仮定した繰り返し計算により運転時の実際のS／Cの値を推定することができる。この値が、設定値から例えば２割以上ずれていた場合、原料水（スチーム）または原燃料の流量の異常として警報手段１７により警報を発する。警報は音でも、ランプ等の点灯、点滅でもよいし、表示パネル等による、動画または静止画による表示でも、他の方法でもよい。場合によっては運転を停止することも含む。
また、実際のS／C推定値が設置値からずれていた場合、原料水（スチーム）または原燃料の流量が同時にずれる可能性は低いため、どちらかに異常があると考える。例えば水の流量計６の信頼性が劣ることがあらかじめ分かっている場合は、流量計６の不具合とみなし、露点から推定するS／Cが設定値になるようにポンプ５を駆動して流量を調節するようにしてもよい。また、原燃料と原料水（スチーム）のどちらが設定値からずれたか分からない場合は、他の情報と合わせてどちらの不具合か判定し、異常の生じたと考えられる方の流量を変化させてS／Cを設定値にあわせることも可能である。
【００１２】
システム上、露点を測定する個所としては改質反応前の原燃料（蒸発部１０の出口）、改質反応後（改質反応器１１の出口）、シフト反応後（シフト反応器１２の出口）、そして上記に示したＣＯ酸化反応後（燃料処理装置８の出口）が考えられる。S／Cが変化したとき、これらの場所におけるガスの露点がどのように変化するかを示したのが下記表２である。表２で、ΔTとはS／Cが±２０％変化したときの露点の変化量を表している。これより、蒸発部１０の出口、すなわち反応前の原燃料の時点では露点の差があまりないためかなり難しく、改質反応後の方が好ましい。さらに露点の変化量の大きいシフト反応後（ＣＯ酸化反応後も含む）で実施する方がより好ましい。
【００１３】
【表２】
以上のように反応後のガスの露点を測定することにより、運転時において、設定値ではなく、実際のS／Cが推定でき、燃料処理装置の保護および原料水（スチーム）または原燃料供給系の異常が発見できるという効果がある。また、特にシフト反応後あるいはＣＯ酸化反応後のガスの露点を用いることにより、S／Cの異常等の推定においてより感度を向上させることが可能となる。さらに、燃料電池に水素リッチガスを供給することに用いたので、例えばS／Cの低下から生じるＣＯ濃度の増大による燃料電池の性能劣化が防止できるなど、燃料電池を安定に動作させられるという効果もある。
なお、実施の形態１においては、原料水の供給系としてポンプ５と流量計６の組合せを用いたが、これに限るものではなく、例えば定量ポンプを用い、流量計は省略したものでもよい。また、実施の形態１においては原料水を供給したのち燃料処理装置内部で蒸発させる構成としたが、これに限るものではなく、スチームを供給するものでもよく、あるいは原燃料ガスを加湿させる方式でもよい。また、原燃料として都市ガスを用いる例を示したが、これに限るものではなく、メタン、プロパン、ブタン、その他の炭化水素系気体燃料、メタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル等のエーテル類、その他の液体燃料でもよい。さらに、実施の形態１においては燃料電池に燃料ガスを供給する例を示したが、これに限るものではなく、例えば水素製造装置として用いる場合でもよい。これらは、以下の実施の形態においても同様である。
【００１５】
実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２による燃料処理システムを説明するための図である。図２において、２１は温度測定手段としての熱電対で、燃料電池本体９の手前の燃料ガスの流通経路１４内に設置されており、当該位置において燃料処理装置から排出された燃料ガスの温度を測定している。ここで、燃料ガス流通経路１４は長さ約８０ｃｍのステンレス配管であり温度測定手段２１は燃料処理装置８から約７０ｃｍすなわち燃料電池本体９の手前約１０ｃｍのところの配管内に位置している。他の部分は実施の形態１と同様であるため、同一符号を付して説明を省略する。
【００１６】
次に動作について説明する。実施の形態１と同様にS／Cの設定値を３、燃料処理装置８における改質触媒層出口の反応温度（平衡温度）を650℃（このときの改質率約９０％）、シフト反応器での反応温度（平衡温度）を200℃（このときのＣＯ濃度約0.3％）、ＣＯ酸化反応における空気比（当量比）を約7.0の場合を考える。燃料ガスの流量として約30NL/min（ウェットベース，標準状態）の場合、燃料ガスの単位時間当たりの顕熱（熱容量）は0.7W/Kであるのに対して、燃料ガスの単位時間当たりの蒸発熱は約200Wである。例えば10%の水が結露した場合（潜熱20W）、露点は2.3℃低下するだけであるので、単位時間当りの潜熱（熱容量）は約9W/Kとなり顕熱の10倍以上である。そこで、燃料処理装置８の出口ガス温度を例えば80℃で運転した場合、流れ方向の距離に対する燃料ガスの温度は、放熱によって露点まで低下した後、低下率が10倍以上鈍化する。この様子を示したのが図３である。すなわち、図３におけるAの区間で温度を測定すれば、燃料処理装置８から排出される燃料ガスの露点Bに近い温度が測定できる。燃料ガスの燃料処理装置８における出口温度および周囲温度、燃料ガス流通経路１４の周囲との熱抵抗がわかれば図３における点Cの位置は簡単に計算できる。温度測定区間Aはある程度幅があるので、計算が厳密でなくても対応可能である。なお、前記温度測定手段２１は、この温度測定区間Aに設けられている。このようにして、温度測定手段１５により燃料処理装置８から排出された燃料ガスのおおよその露点を測定することができる。その値を演算手段１６に取り込み実施の形態１と同様に実運転時のS／Cを推定することができる。
下記表３に、実際にこのような系を構成し実験した結果を示す。なお計算によるS／Cでは、温度測定個所における燃料ガスの圧力約７kPa（S／Cによっては変わらないとする）を考慮した。これによると、当該個所における温度測定手段により計算される露点に近い値が測定されており、わずかなS／Cの変化でも測定温度に差が表われているため有効であることが分かる。
【００１７】
【表３】
以上のように、燃料ガスが結露する区間で温度測定をすることにより、比較的複雑で高価な露点計を用いなくてもよく、簡単で安価な方法でS／Cの推定、さらには原料水（スチーム）または原燃料の流量異常の検出が行なえるという効果がある。なお、実施の形態２においては温度測定手段として熱電対を用いる例を示したが、これに限るものではなく、サーミスタや白金抵抗対等でもよい。また、燃料処理装置８における各反応が測定温度に対して平衡状態になっていない場合は、所望のS／Cに対応する露点の算出に影響を及ぼすため、予め測定しておいた特性データに基づいて、反応温度と改質率またはＣＯ濃度との関係を補正することが好ましい。
【００１９】
実施の形態３．
図４は本発明の実施の形態３による燃料処理システムを説明するための図である。図４において、温度測定手段２１は、燃料ガス流通経路１４の配管内にほぼ同じ間隔で設けられた温度測定点21a、21b、21c（それぞれの位置をＡ点、Ｂ点、Ｃ点とする）から構成され、ここでは温度測定には熱電対が用いられている。各点からの測定データはすべて演算手段１６に入力される。なお、図４においては図１および図２と異なる部分のみを記載している。
ここで、燃料ガスが６０℃前後としたときのおおよその流通経路の配管から周囲への放熱量を求め、燃料ガスの凝縮熱から、凝縮しているときの各温度測定点間の温度低下量を求める。例えばＡ点とＢ点、Ｂ点とＣ点との間の放熱がそれぞれ約１０Wずつだと仮定すると、実施の形態１中に記述した通り、それぞれ1.2℃ずつ燃料ガス温度が低下する。すなわち、図５のように３点の温度をプロットしたとき、1区間1.2℃の傾き（図中の破線で示す）に乗れば、この区間では凝縮していると判断できる。そこで、図５（ａ）のように３点ともこの傾きに乗るときは燃料ガス温度は一転鎖線のように推定でき、Ａ点では凝縮が始まっていると判断し、露点温度に最も近いＡ点の温度を露点温度として採用する。図５（ｂ）のようにＢ−Ｃ間のみ破線の傾きに乗っている場合は燃料ガス温は一転鎖線のように推定でき、凝縮の始まった最初の点であるＢ点の温度を露点温度とする。同様に図５（ｃ）のような場合にはＣ点の温度を露点温度として採用する。露点温度を得た後の処理は実施の形態１と同様である。
このように複数の温度測定手段を設け、それらの測定値間の関係から１つの温度測定手段を選択することによって、例えば燃料処理装置８の出口の温度が変化し、凝縮が始まる位置が変化する場合でも実際の露点に近い温度を求めることが可能となる。
【００２０】
実施の形態４．
以下、本発明の実施の形態４について説明する。実施の形態４は実施の形態３と同様図４に示す構成とする。ただし、実施の形態３のように、選択する温度測定手段を各測定値の関係から求めるのではなく、条件によって予め選択する温度測定手段を決めている。例えば、周囲温度が１５℃以下のときは、放熱が大きいのでＡ点を選択、１５℃〜２５℃のときはＢ点を選択、２５℃以上のときはＣ点を選択とする。あるいは、周囲温度のみではなく燃料処理装置８の出口における燃料ガス温度と周囲温度との差によって選択する点を決定してもよい。また、燃料ガスの流量によっても放熱が変わるので定格時および負荷率８０％以上はＣ点を選択、負荷率５０％〜８０％のときはＢ点を選択、負荷率５０％以下のときはＡ点を選択するのも一方法である。あるいはこれらの組み合わせでもよくその場合、例えば2次元のテーブルができることになる。いずれの場合もより正確に露点を測定でき、より正確にS／Cのずれを推定することが可能となる。
なお、上記実施の形態３および４においては温度測定手段を３つ設置した例を示したが、もちろんこれに限るものではなく２点でも４点でもそれ以上設置してもよい。
【００２１】
実施の形態５．
以下、本発明の実施の形態５について説明する。実施の形態５は実施の形態３と同様図２に示す構成とする。このとき、温度測定手段２１は、燃料ガスの凝縮が最も下流で始まる条件（例えば、定格負荷で、燃料処理装置８の出口温度が最大で、周囲温度が最大のとき）においても、確実に凝縮が始まる位置に設置される。運転時には、温度測定手段２１によって測定された温度に対して以下の補正を行い、補正後の温度を露点として扱う。補正では、一つの例として、周囲温度が１５℃以下のときは放熱が大きく露点より例えば４℃程度低い温度が測定されるため、露点は測定温度＋４℃、周囲温度が１５℃〜２５℃のときは露点は測定温度＋２℃、周囲温度が２５℃以上のときは測定温度をそのまま露点とする。あるいは、燃料処理装置８の出口温度と周囲温度との差によって場合わけしてもよいし、場合わけではなく、補正曲線あるいは補正直線により補正してもよい。また、定格時および負荷率が８０％以上のときは補正なし、負荷率が５０〜８０％のときは露点は測定温度＋２℃、負荷率５０％以下のときは露点は測定温度＋４℃というような補正を行なってもよい。この場合も場合わけではなく補正曲線（直線）を用いてもよいし、前述の周囲温度等との組合せも考えられる。いずれも温度測定手段が１つであってもより正確に露点を測定でき、より正確にS／Cのずれを推定することが可能となる。
【００２２】
実施の形態６．
以下、本発明の実施の形態６について説明する。図６は実施の形態６による燃料処理システムの燃料ガス流通経路１４について示したものであり他の部分は図１、図２あるいは図４と同一である。ここで、６１は燃料ガス流通経路１４の配管の外側に密着して設けられた保温材を示している。図６のように保温材は燃料ガス流通経路１４のほぼ後半約２／３のみに設けられている。
前述の実施の形態２ないし５で述べたように、温度測定手段で燃料処理装置８出口における燃料ガスの露点を測定する場合、凝縮区間での燃料ガス温度低下が少ないことを利用している。従ってこの区間では放熱を極力抑える必要があり、流通経路１４の十分な断熱を行なうことが好ましい。一方、温度測定手段２１（複数の温度測定点がある場合は最下流の温度測定点）では少なくとも燃料ガス中のスチームの一部が凝縮している必要がある。燃料ガス流通経路１４全体を十分断熱すると、温度測定手段２１の位置より上流側で燃料ガスの凝縮が始まるためには燃料ガス流通経路１４の長さを長くしなければならない恐れがある。そこで、前半（の一部）で断熱性能を低下させるよう調節することにより、燃料ガス流通経路１４の長さを短縮しても、温度測定手段２１（複数の温度測定点がある場合は最下流の温度測定点）で少なくとも燃料ガス中のスチームの一部が凝縮する構成とすることができる。なお、前記の保温材６１の断熱性能を低下させる手段はとくに制限されないが、例えば保温材６１の厚さを燃料ガスの流れ方向に応じて変化させたり、保温材６１の構成材料を段階的に燃料ガスの流れ方向に応じて変更する等が挙げられる。
【００２３】
【発明の効果】
請求項１の発明は、炭化水素、アルコール類またはエーテル類を含む原燃料と原料水またはスチームとを水素リッチな燃料ガスに変換する燃料処理システムにおいて、前記燃料処理システムが、前記燃料ガスの露点温度測定手段と、露点温度に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量を推定する演算手段と、演算結果に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量を調節する流量調節手段とを設けたことを特徴とする燃料処理システムであるので、意図しない理由により原燃料または原料水（スチーム）の流量が設定値からずれた場合、これを検出、対処することにより、安定な運転およびシステムの保護を可能にする燃料処理システムが提供される。
【００２４】
請求項２の発明は、前記演算結果に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量が異常であると判断された場合に、前記異常を連絡する警報手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料処理システムであるので、異常状態を瞬時に把握することができ、一層安定な運転およびシステムの保護を可能にする燃料処理システムが提供される。
【００２５】
請求項３の発明は、燃料処理システムが、原燃料と原料水またはスチームとを改質反応により水素リッチな燃料ガスに変換する改質反応器を含み、露点温度測定手段が、前記改質反応器の下流に設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料処理システムであるので、原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量の異常状態の検出感度が一層高まる。
【００２６】
請求項４の発明は、露点温度測定手段が、燃料ガスの温度測定手段であり、測定された前記燃料ガスの温度結果から、露点温度を推定することを特徴とする請求項３に記載の燃料処理システムであるので、簡便な方法で原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量の異常状態を検出することができる。
【００２７】
請求項５の発明は、複数の温度測定手段が、改質反応器の下流に設置されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料処理システムであるので、より正確な原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量の異常状態の検出が可能になる。
【００２８】
請求項６の発明は、燃料ガス中のスチームの一部が凝縮する位置に、温度測定手段が設置されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料処理システムであるので、複雑で高価な露点計を用いなくてもＳ／Ｃの値を推定でき、原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量の異常状態の検出が可能になる。
【００２９】
請求項７の発明は、炭化水素、アルコール類またはエーテル類を含む原燃料と原料水またはスチームとを水素リッチな燃料ガスに変換する燃料処理システムの運転方法において、前記燃料ガスの露点温度を測定し、前記露点温度に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量を推定し、推定結果に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量が異常であると判断された場合に、前記異常を連絡する警報を発するか、あるいは、異常を連絡する警報を発するとともに、前記推定結果に基づき前記原燃料流量あるいは水またはスチーム流量を調節することを特徴とする燃料処理システムの運転方法であるので、意図しない理由により原燃料または原料水（スチーム）の流量が設定値からずれた場合、これを検出、対処することにより、安定な運転およびシステムの保護を可能にする燃料処理システムの運転方法が提供される。
【００３０】
請求項８の発明は、燃料処理システムが、原燃料と原料水またはスチームとを改質反応により水素リッチな燃料ガスに変換する改質反応器を含み、露点温度が、前記改質反応器の下流に流れる燃料ガスの温度から推定されるとともに、前記原燃料の流量、あるいは前記燃料処理システムの周囲温度に基づき、燃料ガス温度を補正し、燃料ガスの露点温度を推定することを特徴とする請求項７に記載の燃料処理システムの運転方法であるので、より正確な原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量の異常状態の検出が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１による燃料処理システムおよびその運転方法を説明するための図である。
【図２】 実施の形態２による燃料処理システムおよびその運転方法を説明するための図である。
【図３】 実施の形態２の燃料処理システムおよびその運転方法を説明するためのグラフである。
【図４】 実施の形態３の燃料処理システムおよびその運転方法を説明するための図である。
【図５】 （ａ），（ｂ），（ｃ）ともに実施の形態３の燃料処理システムおよびその運転方法を説明するための図である。
【図６】 実施の形態６の燃料処理システムおよびその運転方法を説明するための図である。
【図７】 従来の燃料処理システムの一例を説明するための図である。
【図８】 従来の別の燃料処理システムを説明するための図である。
【符号の説明】
１ 都市ガス供給ライン、２ 都市ガスブロワ、３ 流量計、４ タンク、５原料水流量調節手段、６ 流量計、８ 燃料処理装置、９ 燃料電池、１１ 改質反応器、１２ シフト反応器、１４ 燃料ガス流通経路、１５ 露点温度測定手段、１６ 演算手段、１７ 警報手段、２１ 温度測定手段、６１ 保温材。
Claims (8)
- 炭化水素、アルコール類またはエーテル類を含む原燃料と原料水またはスチームとを水素リッチな燃料ガスに変換する燃料処理システムにおいて、前記燃料処理システムが、前記燃料ガスの露点温度測定手段と、露点温度に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量を推定する演算手段と、演算結果に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量を調節する流量調節手段とを設けたことを特徴とする燃料処理システム。
- 前記演算結果に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量が異常であると判断された場合に、前記異常を連絡する警報手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料処理システム。
- 燃料処理システムが、原燃料と原料水またはスチームとを改質反応により水素リッチな燃料ガスに変換する改質反応器を含み、露点温度測定手段が、前記改質反応器の下流に設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料処理システム。
- 露点温度測定手段が、燃料ガスの温度測定手段であり、測定された前記燃料ガスの温度結果から、露点温度を推定することを特徴とする請求項３に記載の燃料処理システム。
- 複数の温度測定手段が、改質反応器の下流に設置されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料処理システム。
- 燃料ガス中のスチームの一部が凝縮する位置に、温度測定手段が設置されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料処理システム。
- 炭化水素、アルコール類またはエーテル類を含む原燃料と原料水またはスチームとを水素リッチな燃料ガスに変換する燃料処理システムの運転方法において、前記燃料ガスの露点温度を測定し、前記露点温度に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量を推定し、推定結果に基づき原燃料流量、あるいは水またはスチーム流量が異常であると判断された場合に、前記異常を連絡する警報を発するか、あるいは、異常を連絡する警報を発するとともに、前記推定結果に基づき前記原燃料流量あるいは水またはスチーム流量を調節することを特徴とする燃料処理システムの運転方法。
- 燃料処理システムが、原燃料と原料水またはスチームとを改質反応により水素リッチな燃料ガスに変換する改質反応器を含み、露点温度が、前記改質反応器の下流に流れる燃料ガスの温度から推定されるとともに、前記原燃料の流量、あるいは前記燃料処理システムの周囲温度に基づき、燃料ガス温度を補正し、燃料ガスの露点温度を推定することを特徴とする請求項７に記載の燃料処理システムの運転方法。
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