JP4128792B2 - 燃料処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタン等炭化水素を主成分とする原料ガスを改質して水素を主成分とする改質ガスを生成させる燃料処理装置に関し、特に原料ガス流量が毎時１０ｍ３以下の小型の燃料処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料処理装置により炭化水素を主成分とする燃料ガスから水素を主成分とする改質ガスを製造し、製造した改質ガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池発電システムが開発、実用化されてきている。用いる燃料電池がリン酸型燃料電池の場合、燃料処理装置は主に改質触媒を充填し炭化水素の水蒸気改質反応によって水素とＣＯを生成する改質部と、変成触媒を充填し改質反応によって生成したＣＯをＣＯ変成反応によって水素とＣＯ２に変成する変成部からなる。また、用いる燃料電池が固体高分子型燃料電池の場合には、燃料処理装置は前述の改質部と変成部に加え、選択酸化触媒を充填しＣＯ変成反応後ガス中に残留するＣＯを空気を用いて選択酸化する選択酸化部を設けてなる。
【０００３】
前述の燃料電池発電システムあるいは燃料処理装置を停止するときに、燃料処理装置内に保持されている改質ガスをパージしなければならない。そして、パージ後に各触媒の被毒や劣化を起こさないようなガスを封入するのがよい。従来から、窒素等の不活性ガスをパージ用ガスとして用いるのが一般的であるが、この場合、不活性ガスの供給手段を設ける必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、燃料電池発電システムの発電規模が５０ｋＷ以下、あるいは燃料処理装置に供給する原料ガスの流量が毎時１０ｍ３以下のような小規模の燃料電池発電システムあるいは燃料処理装置は、いわゆる分散発電設備として広くオフィス、店舗や家庭に分散設置されるので、用いるパージガスの管理や補充の面からして窒素等不活性ガスを用いる方式は現実的ではない。
【０００５】
また、小型の燃料処理装置の場合、高熱効率化及びコンパクト化を図るために前述の改質部と変成部を、場合によっては選択酸化部をも含めて一体化することが一般的である。しかし、このような一体化構造の燃料処理装置には、停止作動時の装置内パージは各部をそれぞれ独立して行うことができない制約がある。
【０００６】
また、燃料処理装置を停止するときに、各触媒とりわけ改質触媒が急激に冷えると熱的応力が発生する。このような状態で燃料処理装置の起動・停止を繰り返すと各触媒とりわけ改質触媒の粉化が起こり、その結果、触媒が劣化するおそれがある。
【０００７】
そこで本発明は、不活性ガスを用いたパージを行わずに、充填触媒の劣化を起こすことなく、安全にしかも経済的に停止することができる燃料処理装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の課題に鑑み、本発明者が鋭意研鑽を重ねた結果、水蒸気と原料ガスとを利用した停止作動時の冷却手段及びパージ手段を有する燃料処理装置を発明するに至った。具体的には、以下に示す通りである。
【０００９】
上記目的を達成するために請求項１に係る発明による燃料処理装置１０１は、例えば図１に示すように、水蒸気Ｓと共に供給される原料ガスＧ１を処理して水素を主成分とする燃料ガスＧ２に改質する燃料処理装置１０１において；原料ガスＧ１を水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガスＧ２に改質する改質部２と；改質ガスＧ２を変成して該改質ガスＧ２中の一酸化炭素含有量を減少させる変成部３と；改質部２と変成部３とを内部に収納する収納容器４１と；収納容器４１の内部と外部との間を、ガスの連通がないように遮断する遮断手段２６、２７、２８、２９、３０と；原料ガスＧ１と水蒸気Ｓの流量を制御する制御手段２１であって、水蒸気Ｓと共に供給されていた原料ガスＧ１の供給が停止された後にも第１の所定の時間（Ｔ２−Ｔ１）（図２参照）だけ水蒸気Ｓの供給を継続し、水蒸気Ｓの供給を停止した際に原料ガスＧ１の供給を再開し第２の所定の時間（Ｔ３−Ｔ２）（図２参照）だけ原料ガスＧ１の供給を継続し、原料ガスＧ１の供給を停止した際に遮断手段２６、３０を作動させる制御手段２１とを備え；制御手段２１は、原料ガスＧ１の供給が停止された後に供給が継続される水蒸気Ｓの流量を、改質部２の温度の冷却速度を所定の値に保つように制御する。
【００１０】
このように構成すると、改質部２と、変成部３とを備えるので、供給された原料ガスＧ１を水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガスＧ２に改質し、変成することができ、さらに収納容器４１と、遮断手段２６、２７、２８、２９、３０と、制御手段２１とを備えるので、制御手段２１によって以下の制御を行うことができる。すなわち、水蒸気Ｓと共に供給されていた原料ガスＧ１の供給が停止された後にも第１の所定の時間（Ｔ２−Ｔ１）（図２参照）だけ水蒸気Ｓの供給を流量制御しながら継続し、さらに、水蒸気Ｓの供給を停止した際に原料ガスＧ１の供給を再開し、第２の所定の時間（Ｔ３−Ｔ２）（図２参照）だけ原料ガスＧ１の供給を流量制御しながら継続し、次に原料ガスＧ１の供給を停止した際に遮断手段２６、３０を作動させ、収納容器４１の内部と外部との間を、ガスの連通がないように遮断することができる。なお、水蒸気Ｓの流量を制御するとは、例えば水蒸気Ｓを水蒸気供給部６により、蒸気供給部６に供給された水Ｗから発生させて供給する場合、水蒸気供給部６に供給する水Ｗの量を制御することにより発生し供給される水蒸気Ｓの流量を制御する場合を含むものとする。
【００１１】
水蒸気Ｓと共に供給されていた原料ガスＧ１の供給が停止された後にも第１の所定の時間（Ｔ２−Ｔ１）だけ水蒸気Ｓの供給を流量制御しながら継続することにより、改質部２、変成部３を冷却すると共に改質部２、変成部３内に残留している改質ガスＧ２をパージすることができる。水蒸気Ｓの供給を停止した際に原料ガスＧ１の供給を再開し第２の所定の時間（Ｔ３−Ｔ２）だけ原料ガスＧ１の供給を流量制御しながら継続することにより、改質部２、変成部３内に残留する水蒸気Ｓが改質部２、変成部３内で凝縮することを防ぐことができる。次に、原料ガスＧ１の供給を停止した際に遮断手段２６、３０を作動させ、収納容器４１の内部と外部との間を、ガスの連通がないように遮断することができ、外気等の収納容器４１の内部への逆流を防止し、改質部２、変成部３の内部に異物（水分、カーボン等）等が存在しないようにし、次の燃料処理装置１０１のスムーズな起動に備えることができる。なお、収納容器４１は、改質部２と変成部３とを一体に収納してもよいし、また、収納容器４１は、改質部２と変成部３とを別々に収納し、改質部２と変成部３とは改質されたガスＧ２を移送する配管で接続されていてもよい。
【００１２】
水蒸気Ｓの供給が継続される第１の所定の時間（Ｔ２−Ｔ１）は、供給した水蒸気Ｓによって、改質部２、変成部３の温度を、原料ガスＧ１の供給を再開することができる温度まで低下させることができる時間とし、再開することができる温度を、原料ガスＧ１中の炭化水素成分が熱分解して改質部２の改質触媒の表面に炭素を析出する炭素析出温度より低く、供給した水蒸気Ｓが凝縮する温度より高い温度とするとよい。再開した原料ガスＧ１の供給が継続される第２の所定の時間（Ｔ３−Ｔ２）は、改質部２、変成部３内に残留する水蒸気Ｓの分圧を外気温における水の飽和蒸気圧以下に低下させることができる時間とするとよい。原料ガスＧ１、例えば都市ガスは、通常−２０℃以下の露点を有する乾燥ガスであるので、系内の水蒸気分圧を下げるためのパージガスとして極めて好適である。
【００１３】
前述のように構成すると、制御手段２１によって水蒸気Ｓの流量を制御することにより、改質部２の温度の冷却速度を、改質部２の改質触媒、変成部３の変成触媒に有害な熱的応力が発生しないような穏やかな所定の値に保つことができる。
【００１４】
上記目的を達成するために請求項２に係る発明による燃料処理装置１０１は、例えば図１に示すように、水蒸気Ｓと共に供給される原料ガスＧ１を処理して水素を主成分とする燃料ガスＧ２に改質する燃料処理装置１０１において；原料ガスＧ１を水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガスＧ２に改質する改質部２と；改質ガスＧ２を変成して該改質ガスＧ２中の一酸化炭素含有量を減少させる変成部３と；改質部２と変成部３とを内部に収納する収納容器４１と；収納容器４１の内部と外部との間を、ガスの連通がないように遮断する遮断手段２６、２７、２８、２９、３０と；原料ガスＧ１と水蒸気Ｓの流量を制御する制御手段２１であって、水蒸気Ｓと共に供給されていた原料ガスＧ１の供給が停止された後にも第１の所定の時間（Ｔ２−Ｔ１）（図２参照）だけ水蒸気Ｓの供給を継続し、水蒸気Ｓの供給を停止した際に原料ガスＧ１の供給を再開し第２の所定の時間（Ｔ３−Ｔ２）（図２参照）だけ原料ガスＧ１の供給を継続し、原料ガスＧ１の供給を停止した際に遮断手段２６、３０を作動させる制御手段２１と；改質部２の温度を検出する温度検出手段２２とを備え；制御手段２１は、温度検出手段２２で検出された温度に基いて、前記検出された温度が、供給された水蒸気Ｓの凝縮を起こす温度になる前に、前記供給が継続されている水蒸気Ｓの供給を停止し、原料ガスＧ１の供給を再開する。
【００１５】
このように構成すると、制御手段２１は、温度検出手段２２で検出された温度に基いて、検出された温度が、水蒸気Ｓの凝縮を起こす温度になる前に、水蒸気Ｓの供給を停止し、原料ガスＧ１の供給を再開するように制御することができる。
【００１６】
請求項３に係る発明による燃料処理装置１０１は、請求項１に記載の燃料処理装置において、例えば図１に示すように、改質部２の温度を検出する温度検出手段２２を備え；制御手段２１は、温度検出手段２２で検出された温度に基いて、前記検出された温度が、供給された水蒸気Ｓの凝縮を起こす温度になる前に、前記供給が継続されている水蒸気Ｓの供給を停止し、原料ガスＧ１の供給を再開する。
【００１７】
上記目的を達成するために請求項４に係る発明による燃料処理装置１０１は、例えば図１に示すように、水蒸気Ｓと共に供給される原料ガスＧ１を処理して水素を主成分とする燃料ガスＧ２に改質する燃料処理装置１０１において；原料ガスＧ１を水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガスＧ２に改質する改質部２と；改質ガスＧ２を変成して該改質ガスＧ２中の一酸化炭素含有量を減少させる変成部３と；改質部２と変成部３とを内部に収納する収納容器４１と；収納容器４１の内部と外部との間を、ガスの連通がないように遮断する遮断手段２６、２７、２８、２９、３０と；原料ガスＧ１と水蒸気Ｓの流量を制御する制御手段２１であって、水蒸気Ｓと共に供給されていた原料ガスＧ１の供給が停止された後にも第１の所定の時間（Ｔ２−Ｔ１）（図２参照）だけ水蒸気Ｓの供給を継続し、水蒸気Ｓの供給を停止した際に原料ガスＧ１の供給を再開し第２の所定の時間（Ｔ３−Ｔ２）（図２参照）だけ原料ガスＧ１の供給を継続し、原料ガスＧ１の供給を停止した際に遮断手段２６、３０を作動させる制御手段２１とを備え；制御手段２１は、タイマー２３を有し；タイマー２３により、水蒸気Ｓの供給が停止された後の時間経過に従って、水蒸気Ｓの供給の停止後、燃料処理装置１０１内に残留する水蒸気Ｓの分圧が、外気温度における水の飽和蒸気圧以下に低下させることができる時間後に、供給の再開された原料ガスＧ１の供給を停止し、遮断手段２６、３０を作動させる。
【００１８】
このように構成すると、制御手段２１がタイマー２３を有するので、タイマー２３により、水蒸気Ｓの供給が停止された後の時間経過に従って、水蒸気Ｓの供給の停止後、燃料処理装置１０１内に残留する水蒸気Ｓの分圧が、外気温度における水の飽和蒸気圧以下に低下させることができる時間後に、供給の再開された原料ガスＧ１の供給を停止し、遮断手段２６、３０を作動させ、外気等の収納容器４１への漏れ込みを防ぐよう制御することができる。タイマー２３は、水蒸気Ｓの供給の停止後、燃料処理装置１０１内に残留する水蒸気Ｓの分圧が、外気温度における水の飽和蒸気圧よりも低くなるまでかかる必要最小時間経過後に作動するように設定することが望ましい。ここで、タイマー２３により作動させるとは、タイマー２３からの信号により作動させることに加えて、制御手段２１がタイマー２３からの信号を受けて、作動させることを含む概念とする。
【００１９】
請求項５に係る発明による燃料処理装置１０１は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料処理装置において、例えば図１に示すように、制御手段２１は、タイマー２３を有し；タイマー２３により、水蒸気Ｓの供給が停止された後の時間経過に従って、水蒸気Ｓの供給の停止後、燃料処理装置１０１内に残留する水蒸気の分圧が、外気温度に おける水の飽和蒸気圧以下に低下させることができる時間後に、供給の再開された原料ガスＧ１の供給を停止し、遮断手段２６、３０を作動させる。
【００２０】
上記目的を達成するために請求項６に係る発明による燃料処理装置１０１は、例えば図１に示すように、水蒸気Ｓと共に供給される原料ガスＧ１を処理して水素を主成分とする燃料ガスＧ２に改質する燃料処理装置１０１において；原料ガスＧ１を水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガスＧ２に改質する改質部２と；改質ガスＧ２を変成して該改質ガスＧ２中の一酸化炭素含有量を減少させる変成部３と；改質部２と変成部３とを内部に収納する収納容器４１と；収納容器４１の内部と外部との間を、ガスの連通がないように遮断する遮断手段２６、２７、２８、２９、３０と；原料ガスＧ１と水蒸気Ｓの流量を制御する制御手段２１であって、水蒸気Ｓと共に供給されていた原料ガスＧ１の供給が停止された後にも第１の所定の時間（Ｔ２−Ｔ１）（図２参照）だけ水蒸気Ｓの供給を継続し、水蒸気Ｓの供給を停止した際に原料ガスＧ１の供給を再開し第２の所定の時間（Ｔ３−Ｔ２）（図２参照）だけ原料ガスＧ１の供給を継続し、原料ガスＧ１の供給を停止した際に遮断手段２６、３０を作動させる制御手段２１と；改質部２に原料ガスＧ１を供給する原料ガス供給手段５と；変成部３の下流側で、遮断手段２９の上流側に配置された凝縮手段３１、３２と；供給の再開された原料ガスＧ１を凝縮手段３１、３２の下流側から原料ガス供給手段５に戻すよう構成された戻し手段３３、３４とを備える。
【００２１】
このように構成すると、凝縮手段３１、３２と戻し手段３３、３４とを備えるので、凝縮手段３３、３４によって、水蒸気Ｓと共に供給されていた原料ガスＧ１の供給が停止された後にも第１の所定の時間（Ｔ２−Ｔ１）（図２参照）だけ継続して供給された水蒸気Ｓを冷却し、該冷却により凝縮した水分Ｍを排出し、燃料電池８に水蒸気Ｓを供給しないようにすることができ、戻し手段３３、３４によって、供給の再開された原料ガスＧ１を凝縮手段３１、３２の下流側から原料ガス供給手段５に戻し、凝縮手段３１、３２によって水蒸気Ｓが除去された原料ガスＧ１を原料ガス供給手段５に戻すことができる。
【００２２】
凝縮手段３１、３２が、ガスを冷却する冷却手段３１と、凝縮した水分Ｍを排出する気水分離手段３２とから構成されるようにしてもよい。このようにすると、冷却手段３１によって、水蒸気Ｓと共に供給されていた原料ガスＧ１の供給が停止された後にも第１の所定の時間（Ｔ２−Ｔ１）（図２参照）だけ継続して供給された水蒸気Ｓを冷却し、気水分離手段３２によって、該冷却により凝縮した水分Ｍを排出し、燃料電池８に水蒸気Ｓを供給しないようにすることができる。
【００２３】
請求項７に係る発明による燃料処理装置１０１Ａは、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料処理装置において、例えば図４に示すように、改質部２に原料ガスＧ１を供給する原料ガス供給手段５と；変成部３の下流側で、遮断手段２９の上流側に配置された凝縮手段３１、３２と；供給の再開された原料ガスＧ１を凝縮手段３１、３２の下流側から原料ガス供給手段５に戻すよう構成された戻し手段３３、３４とを備える。
【００２４】
また、本発明による燃料処理装置１０１は、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の燃料処理装置において、例えば図１に示すように、水蒸気Ｓの供給を停止した際に供給が再開された原料ガスＧ１を燃焼させる燃焼手段２４を備えてもよい。
【００２５】
このように構成すると、燃焼手段２４を備えるので、水蒸気Ｓの供給を停止した際に供給が再開された原料ガスＧ１を燃焼手段２４により燃焼させることによって、当該原料ガスＧ１を大気に拡散させることなく適切に処理することができる。
【００２６】
さらに、本発明による燃料処理装置１０１は、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の燃料処理装置において、例えば図１に示すように、改質部２の上流側に備えられた、原料ガスＧ１を脱硫する脱硫装置２５を備えてもよい。
【００２７】
このように構成すると、脱硫装置２５を備えるので、脱硫装置２５によって原料ガスＧ１を脱硫し、各触媒の硫黄化合物による被毒または硫黄化合物の大気放出を防ぐことができる。
【００２８】
上記目的を達成するために燃料電池発電システム２０１は、例えば図１に示すように、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の燃料処理装置１０１と；燃料処理装置１０１で改質して得られた燃料ガスＧ２を燃料とし、空気中の酸素を酸化剤として発電を行う燃料電池スタック８とを備えてもよい。燃料電池スタック８は典型的には、固体高分子電解質型燃料電池スタックである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
【００３０】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料処理装置１０１と、改質した原料ガス（改質ガスＧ２）を用いて燃料電池発電を行う燃料電池スタックを含む燃料電池８とを含んで構成される燃料電池発電システム２０１のブロック図である。燃料処理装置１０１は、原料ガス流量が毎時１０ｍ３以下の小型の装置である。
【００３１】
燃料処理装置１０１は、メタン等の炭化水素を主成分とする原料ガスＧ１を改質反応により改質しＨ２とＣＯとを主成分とする改質ガスＧ２とする改質部２と、改質ガスＧ２中のＣＯを変成反応によりＨ２とＣＯ２とに変成し、改質ガスＧ２中のＣＯを減少させる変成部３と、変成後の改質ガスＧ２中のＣＯを選択酸化反応により酸化して除去する選択酸化部４とが一体化されて構成された、改質装置１を含んで構成される。改質装置１は、収納容器４１内に、改質部２、変成部３、選択酸化部４を一体に収容する。
【００３２】
燃料処理装置１０１は、さらに原料ガスＧ１を供給する原料ガス供給部５と、原料ガスＧ１から硫黄化合物を除去する脱硫装置としての脱硫部２５と、原料ガスＧ１を原料ガス供給部５に供給する第１原料ガス供給流路１１と、原料ガスＧ１を原料ガス供給部５から脱硫部２５へ導く第２原料ガス供給流路１３と、原料ガスＧ１を脱硫部２５から改質装置１の改質部２へ導く第３原料ガス供給流路１８と、改質ガスＧ２を改質装置１の選択酸化部４から燃料電池８へ導く改質ガス供給流路１５とを含んで構成される。なお、燃料電池８は、選択酸化部４を経た改質ガスＧ２を燃料ガスＧ２として用いて燃料電池発電を行う。
【００３３】
燃料処理装置１０１は、さらに、水Ｗの供給を受ける水供給流路１２Ａと、水供給流路１２Ａから水Ｗの供給を受け水蒸気Ｓを発生させ供給する水蒸気供給部６と、水蒸気供給部６からの水蒸気Ｓを第３原料ガス供給流路１８へ導く水蒸気供給流路１２Ｂと、選択酸化用空気Ａを供給する選択酸化用空気供給部７と、選択酸化用空気Ａを改質装置１の選択酸化部４に導く選択酸化用空気供給流路１４と、改質装置１に供給されたパージガスＰ（後述のように燃料処理装置１０１の通常運転の停止後に水蒸気供給部６から供給される水蒸気Ｓによるパージのさらに後に原料ガス供給部５から供給される原料ガスＧ１）を燃焼する燃焼手段としてのパージガス燃焼部２４と、改質ガス供給流路１５から分岐し、パージガスＰをパージガス燃焼部２４に導くパージガス排出流路１６と、パージガス燃焼部２４から燃焼ガスＢを導いて排出する燃焼ガス排出流路１７とを含んで構成される。
【００３４】
第２原料ガス供給流路１３は、原料ガスＧ１の供給量を制御し、さらに第２原料ガス供給流路１３から改質部２へ外気等が逆流するのを防止する遮断手段としての原料ガス供給制御弁２６を有する。改質ガス供給流路１５は、燃料電池８への改質ガスＧ２の供給を遮断する遮断手段としての改質ガス遮断弁２９を有する。改質ガス遮断弁２９は、さらに改質ガス供給流路１５を通って選択酸化部４にガス、外気等が逆流するのを防止する。
【００３５】
水供給流路１２Ａは、遮断手段としての水供給制御弁２７を有し、水供給制御弁２７は、水蒸気供給部６への水Ｗの供給量を制御することにより、水蒸気供給部６から改質部２への水蒸気Ｓの供給量を制御し、さらに外気等が水供給流路１２Ａを経て水蒸気供給流路１２Ｂから改質部２に逆流するのを防止する。水供給制御弁２７は、水蒸気供給制御弁であるといってもよく、水蒸気供給制御弁としても作用する。選択酸化用空気供給流路１４は、遮断手段としての選択酸化用空気供給遮断弁２８を有し、選択酸化用空気供給遮断弁２８は、選択酸化部４への選択酸化用空気Ａの供給量を制御し、さらに選択酸化用空気供給流路１４から改質装置１に外気等が逆流するのを防止する。パージガス排出流路１６は、遮断手段としてのパージガス遮断弁３０を有し、パージガス遮断弁３０は、改質ガス供給流路１５からパージガス燃焼部２４へ供給するパージガスＰを遮断する。パージガス遮断弁３０は、さらにパージガス排出流路１６から改質ガス供給流路１５を通って選択酸化部４にガス、外気等が逆流するのを防止する。なお、パージガス燃焼部２４は、バーナー燃焼器であってもよいし、触媒燃焼器であってもよい。
【００３６】
パージガス燃焼部２４の代わりに、立ち上げ時に燃料処理装置１０１を加熱し、通常運転時に改質反応に熱を供給するために設けられる熱供給手段としての燃焼器（不図示）を使用することもできるが、この場合、燃料処理装置１０１が再加熱されないように対策することが必要である。パージのために供給する原料ガスＧ１の流量は、燃料処理装置１０１の定格稼動時の原料ガスＧ１の流量以下であって、用いるパージガス燃焼手段（本実施の形態ではパージガス燃焼部２４）の嫁動に必要最小限の流量以上であるのが好ましい。なお、原料ガスＧ１によるパージガスＰの燃焼手段を設けない場合は原料ガスＧ１によるパージ量をできるだけ少なくし、パージガスＰを大気中に安全に拡散させる対策が必要である。原料ガスＧ１によるパージ量とは、他のガスをパージするために供給される原料ガスＧ１の流量をいう。なお、本明細書では流量とは、特記されたもの以外は質量流量である。
【００３７】
燃料処理装置１０１は、さらに改質部２の温度を検出する温度検出手段としての温度検出器２２と、制御手段としての制御部２１とを備える。温度検出器２２は、改質部２の温度検出素子２２Ａと温度変換器２２Ｂとを含んで構成される。制御部２１は、タイマー２３を有する。制御部２１は、原料ガス供給部５と、水蒸気供給部６と、選択酸化用空気供給部７とを作動させ、原料ガス供給部５に原料ガスＧ１の供給、水蒸気供給部６に水蒸気Ｓの供給、選択酸化用空気供給部７に選択酸化用空気Ａの供給を行わせる。
【００３８】
制御部２１は、原料ガス供給制御弁２６、水供給制御弁２７、選択酸化用空気供給遮断弁２８、改質ガス遮断弁２９、パージガス遮断弁３０、タイマー２３を作動させる。
【００３９】
次に燃料処理装置１０１の通常運転状態の動作について説明する。燃料処理装置１０１の通常運転時に、制御部２１による制御により、次の通り各機器の動作が実施される。なお、通常運転時開始前に、パージガス遮断弁３０は、閉となっている。原料ガス供給制御弁２６を制御作動状態として開とし、原料ガス供給部５を起動する。原料ガス供給部５は、メタン等炭化水素を主成分とする原料ガスＧ１を、第２原料ガス供給流路１３に供給し、原料ガス供給制御弁２６は、原料ガスＧ１が所定量供給されるよう減圧する。減圧された原料ガスＧ１は、脱硫部２５に送られる。脱硫部２５で、原料ガスＧ１中の硫黄化合物の除去が行われる。脱硫部２５を出た原料ガスＧ１は、第３原料ガス供給流路１８を経て改質部２に送られる。
【００４０】
水供給制御弁２７を制御作動状態として開とし、水蒸気供給部６を起動する。水蒸気供給部６は、水蒸気Ｓを水蒸気供給流路１２Ｂに供給し、水供給制御弁２７は、水蒸気Ｓが所定の流量が流れるよう制御する。水蒸気供給流路１２は、第３原料ガス供給流路１８に接続され、供給された水蒸気Ｓは、第３原料ガス供給流路１８を流れ、原料ガスＧ１とともに改質部２に送られる。定格運転時における水蒸気Ｓの流量は、供給される原料ガスＧ１の流量の２．５倍以上４倍以下の範囲とするとよい。改質部２において、改質反応が通常５５０〜８００℃の温度範囲で行われ、炭化水素がＨ２とＣＯに改質される。改質部２には、改質触媒（不図示）が充填され改質反応を促進する。
【００４１】
改質部２を出た改質ガスＧ２は、変成部３に入り、通常１６０〜２８０℃の温度範囲で変成反応が行われ、改質ガスＧ２中のＣＯがＨ２とＣＯ２に変成される。次いで、変成後の改質ガスＧ２が選択酸化部４に入り、選択酸化部４で、ＣＯが選択酸化用空気供給部７から選択酸化用空気供給遮断弁２８により流量制御され選択酸化用空気供給流路１４を介して送られる所定流量の選択酸化用空気Ａ中の酸素と、通常１００〜２５０℃の温度範囲で選択酸化反応して酸化除去される。ここで、選択酸化用空気の供給流量は、改質ガスＧ２中のＣＯに対して、選択酸化用空気Ａ中の酸素のモル比、即ちＯ２／ＣＯが１．０〜３．０の範囲となるようにするとよい。変成部３には、変成触媒（不図示）が充填され変成反応を促進する。選択酸化部４には選択酸化用触媒（不図示）が充填され、ＣＯの選択酸化を促進する。
【００４２】
改質ガス遮断弁２９はこの時点で開となっており、このようにして生成された改質ガスＧ２が選択酸化部４から改質ガス供給流路１５を経て燃料電池８に送られ、燃料電池発電が行われる。なお、混乱を避けるために図示していないが、吸熱反応である改質部２には熱供給手段が、発熱反応である変成部３及び選択酸化部４には冷却手段がそれぞれ設けられている。
【００４３】
次に、該燃料処理装置１０１の停止作動時の動作を説明する。
該燃料処理装置１０１を通常運転状態から停止作動状態に切り換えたときに、制御部２１による制御により、次の通り各機器の動作が実施される。
【００４４】
原料ガス供給部５と、選択酸化用空気供給部７を停止し、原料ガス供給制御弁２６、選択酸化用空気供給遮断弁２８及び改質ガス遮断弁２９を閉にし、パージガス遮断弁３０を開にする。次に、水蒸気供給部６による水蒸気Ｓの供給流量を定格運転時の、１０分の１以上２分の１以下、好ましくは約４分の１に水供給制御弁２７により制御する。このようにすると改質部２の冷却速度を穏やかな冷却速度とすることができる。そして、改質部２の温度検出部２２の温度検出素子２２Ａから、温度変換器２２Ｂを介して送られてきた温度信号ｉ１を受け、制御部２１が、改質部２の温度が所定の温度に到達したと判断した場合は、水蒸気供給部６を停止し水供給制御弁２７を閉にする。
【００４５】
なお、測定された改質部２の温度と、改質部２の所定の目標温度とを比較して、その差が小さくなるように、水蒸気供給部６により供給される水蒸気Ｓによるパージ流量を変える（温度制御）代わりに、改質部２の冷却速度が穏やかな値となるように、目標とする改質部２の冷却速度を設定し、測定された改質部２の温度から改質部２の冷却速度を計算し、この計算された冷却速度と、目標とする改質部２の冷却速度とを比較し、その差が小さくなるように水蒸気Ｓによるパージ流量を変えることにより冷却速度制御を行ってもよい。このようにするとより正確に、改質部２の冷却速度を所定の値に制御することができる。なお、水蒸気供給部６により供給される水蒸気Ｓによるパージ流量を変えるのは、水蒸気供給部６への水Ｗの供給量を水供給制御弁２７により変えることにより行う。水蒸気Ｓによるパージ量とは、他のガスをパージするために供給される水蒸気Ｓの流量をいう。
【００４６】
また、ここにいう所定の温度は、原料ガスＧ１中の炭化水素成分が熱分解して改質触媒の表面に炭素を析出する炭素析出温度より低く、パージのために供給する水蒸気Ｓが凝縮する温度より高い温度であり、１１０〜２５０℃、好ましくは１５０〜２００℃の範囲の温度とするとよい。改質部２の温度が、炭化水素の熱分解温度以上であるにもかかわらず、水蒸気Ｓによるパージを停止し原料ガスＧ１によるパージを開始すると、原料ガスＧ１中の炭化水素が熱分解して改質触媒の表面に炭素を析出し、改質触媒を劣化させるおそれがある。しかし、改質部２の温度が、パージのために供給する水蒸気Ｓの凝縮温度以下になってから原料ガスＧ１によるパージを開始すると、前記凝縮温度以下になってから原料ガスＧ１によるパージを開始するまでの間に水蒸気Ｓが各触媒の表面凹凸部に凝縮し、燃料処理装置１０１の再起動時の温度上昇による凝縮水分の蒸発膨張により各触媒、特に変成触媒が粉化することがある。
【００４７】
制御部２１が、改質部２の温度が所定の温度に到達したと判断すると同時に、さらに原料ガス供給制御弁２６を開にし、原料ガス供給部５を起動し原料ガスＧ１の流量を定格運転時の約２分の１の流量に制御する。さらに、パージガス燃焼部２４を起動し、タイマー２３が計時を始めるよう計時開始信号ｉ２をタイマー２３に送る。そして、タイマー２３は、所定の時間（Ｔ３−Ｔ２）（図２参照）を計測した時点で信号ｉ３を制御部２１に送る。信号ｉ３を受け取った制御部２１は、原料ガス供給制御弁２６と、選択酸化用空気供給遮断弁２８と、改質ガス遮断弁２９と、パージガス遮断弁３０とを閉にし、原料ガス供給部５を停止してパージガスＰの供給を停止し、さらにパージガス燃焼部２４を停止する。原料ガス供給制御弁２６が閉になることにより、原料ガスＧ１によるパージが停止する。選択酸化用空気供給遮断弁２８、改質ガス遮断弁２９、パージガス遮断弁３０を閉にすることにより改質装置１と外部との流通を遮断し外気の改質装置１内への漏れ込みを防ぐことができる。
【００４８】
原料ガスＧ１によるパージを開始してから改質装置１内の水蒸気が徐々に押し出されて水蒸気分圧が低下する。タイマー２３によって設定する原料ガスＧ１によるパージ時間は、改質装置１内に残留する水蒸気Ｓの分圧が外気温における水の飽和蒸気庄よりも低くなるまでに要する最少時間とする。パージ時間は、一般に、改質装置１の内容積の１０〜３０倍量の原料ガスを流すのに要する時間とすることが好ましい。なお、タイマー２３は、水蒸気Ｓの供給が停止された直後に計測を開始する。
【００４９】
改質装置１と外部との流通を遮断してから、改質装置１が徐々に外気温度まで自然冷却するが、装置内温度低下によって封入されている原料ガスＧ１が収縮し内圧が低下する。改質装置１の内圧が大気圧よりも低くなると空気の漏れ込みが防ぎにくくなるので、原料ガスＧ１の供給圧力、すなわち原料ガスＧ１によるパージの停止時の原料ガス封入圧を、冷却収縮により改質装置１の内圧が低下しても大気圧以下にならないような圧力とすることが望ましい。
【００５０】
原料ガスＧ１に必要な最小封入圧は次式によって決定する。すなわち、Ｐi＝１０１．３×（Ｔi＋２７３．１５）／（Ｔ0＋２７３．１５） である。ここで、Ｐi（ｋＰａ）は、封入圧、Ｔ0（℃）は、外気温度、Ｔi（℃）は、原料ガスＧ１によるガスパージ終了時の改質部２の温度である。
【００５１】
改質部２の充填される改質触媒と、変成部３に充填される変成触媒にそれぞれニッケル系触媒と銅−亜鉛系触媒を用いる場合では、燃料処理装置１０１の停止作動中に空気が漏れ込むと、ニッケル系改質触媒及び銅−亜鉛系変成触媒が空気中の酸素によって酸化される。すると、燃料処理装置１０１の起動・停止を繰り返す間に前記改質触媒、特に変成触媒が徐々に劣化することが知られている。よって、燃料処理装置１０１の停止作動中は、選択酸化用空気供給遮断弁２８、改質ガス遮断弁２９、パージガス遮断弁３０を遮断し、さらにパージ停止時の原料ガスＧ１の封入圧を、冷却収縮により改質装置１の内圧が低下しても大気圧以下にならないような圧力とすることにより、改質部２、変成部３への空気の漏れ込みを避けることが望ましい。
【００５２】
また、パージに供給する原料ガスＧ１を脱硫する手段（具体的には脱硫部２５）を改質装置１の前段に設けているので、燃料処理装置１０１の各触媒の硫黄化合物による被毒及び硫黄化合物の大気放出を防ぐことができる。
【００５３】
図２に、本発明による改質装置１の停止作動時における水蒸気流量及び原料ガス流量の経時変化の一例を概念的に示す。図中のゾーンＡは、通常の定格運転を表し、原料ガスＧ１及び水蒸気Ｓが供給されている。Ｔ１時に、原料ガスＧ１の供給が停止されゾーンＢに移行する。Ｔ１時に水蒸気Ｓによるパージが開始される。図中水蒸気Ｓによるパージ流量は定格運転時の４分の１である。Ｔ２時に水蒸気Ｓによるパージが停止され、ゾーンＣに移行する。Ｔ２時に原料ガスＧ１によるパージが開始され、Ｔ３時に停止される。原料ガスＧ１によるパージ量は、図中、定格運転時の２分の１である。
【００５４】
ゾーンＢに、水蒸気Ｓによるパージを改質部２の冷却速度が一定になるように行った場合の水蒸気Ｓの典型的変化を破線にて示す。水蒸気Ｓによるパージをし始めた段階では改質部２の温度が高いので少量の供給量で冷却速度を確保できるが、改質部２の温度が低下するにつれ、冷却速度を一定に保つにはより多量の供給量が必要となることがわかる。
【００５５】
図３に、改質部温度の経時変化の一例を概念的に示す。図中のゾーンＡは、通常の定格運転を表す。改質部２の温度は５５０〜８００℃である。Ｔ１時に水蒸気Ｓによるパージが開始され、改質部２の温度が徐々に低下する。Ｔ２時に、改質部２の温度が好ましくは１３０〜１６０℃になった所で水蒸気Ｓによるパージが停止される。温度の低下はその後緩慢になる。
【００５６】
本実施の形態の燃料処理装置１０１は、供給された原料ガスＧ１を改質部２で水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガスＧ２に改質し、変成部３で、改質ガスＧ２を変成して該改質ガスＧ２中の一酸化炭素含有量を減少させるので、変成後の改質ガスＧ２を燃料電池８の燃料として使用することができる。また、本実施の形態の燃料処理装置１０１は、前述のように実用的かつ効果的な停止作動時の水蒸気Ｓによる冷却、原料ガスＧ１によるパージを行うので、安全にしかも経済的に停止することができる。また、従来装置の停止作動時のパージに必要であった窒素等不活性ガスの貯蔵や管理を不要とすることができ、また、改質部２の冷却速度を緩和し、および改質装置１での水分凝縮を排除することにより、装置の起動・停止の繰り返しによる各種充填触媒の劣化を防ぐことができ、ひいては燃料処理装置１０１の長寿命化を図ることができる。
【００５７】
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料処理装置１０１Ａと、燃料電池８とを含んで構成される燃料電池発電システム２０１Ａのブロック図である。燃料処理装置１０１Ａは、原料ガス流量が毎時１０ｍ３以下である小型の装置である。以下本実施の形態の燃料処理装置１０１Ａを含む燃料電池発電システム２０１Ａについて、前述の燃料電池発電システム２０１と相違する点を説明し、同一である点はその説明を省略する。
【００５８】
燃料処理装置１０１Ａは、選択酸化部４の下流側に、凝縮手段としての、あるいは冷却手段としての冷却部３１と、凝縮手段としての、あるいは気水分離手段としての気水分離器３２と、戻し手段としての循環流路３３とを備える。しかし、燃料処理装置１０１Ａは、改質装置１にパージされたパージガスＰを燃焼するパージガス燃焼部２４と、パージガス遮断弁３０（図１参照）とを備えていない。また、改質ガス供給流路１５から分岐し、パージガスＰをパージガス燃焼部２４（図１参照）に導くパージガス排出流路１６（図１参照）と、パージガス燃焼部２４から燃焼ガスＢを導いて排出する燃焼ガス排出流路１７（図１参照）とを備えていない。
【００５９】
冷却部３１は、選択酸化部４の下流側の改質ガス供給流路１５中に、遮断弁２９の上流側に配置されている。冷却部３１には、冷媒Ｒ（例えば、冷却水）を冷却部３１に供給する冷媒供給流路３７と、冷媒Ｒを冷却部３１から排出する冷媒排出流路３８とが接続され、冷媒排出流路３８には冷却部３１を流れる冷媒Ｒの流量を制御する冷媒制御弁３９が設置されている。冷媒制御弁３９は制御部２１により制御される。冷媒制御弁３９によって、通常運転時に、改質ガスＧ２の露点が所定の値になるよう調整することができる。ここで所定の値は、燃料電池８が固体高分子型燃料電池の場合は、５０〜９０℃であるのが一般的である。また、冷媒制御弁３９は、燃料処理装置１０１Ａが停止作動状態のときに、水蒸気Ｓによるパージ、その後の原料ガスＧ１によるパージが行われている間、冷媒Ｒの冷却部３１へ流量を制御する。
【００６０】
燃料処理装置１０１Ａが停止作動状態のときであって、水蒸気Ｓによるパージが行われている間、およびその後の原料ガスＧ１によるパージが行われている間に、冷却部３１に冷媒Ｒが供給され、冷却部３１に導入される水蒸気Ｓ、パージガスＰ（原料ガスＧ１）が好ましくは大気温度付近になるように冷却される。
【００６１】
気水分離器３２は、改質ガス供給流路１５中の冷却部３１の下流側であって、遮断弁２９の上流側に配置されている。気水分離器３２は、水分Ｍを排出する排出配管３６を有する。前述のように、燃料処理装置１０１Ａが停止作動状態のときに、供給された水蒸気Ｓ、パージガスＰが冷却部３１によって冷却されるが、気水分離器３２は、この冷却により凝縮した水分Ｍを分離して排出配管３６から排出する。
【００６２】
循環流路３３は、気水分離器３２と遮断弁２９との間で改質ガス供給流路１５から分岐し、原料ガスＧ１を第１原料ガス供給流路１１に導き、原料ガス供給部５に戻して、原料ガスＧ１を循環させる。
【００６３】
循環流路３３には、遮断手段としての循環遮断弁３４が取り付けられている。循環遮断弁３４は閉状態で、改質ガスＧ２が循環流路３３を流れるのを防止し、改質ガスＧ２が第１原料ガス供給流路１１を経て原料ガス供給部５に戻ることを防止する。さらに循環遮断弁３４は開状態で、パージガスＰが循環流路３３を流れることを可能にし、パージガスＰが第１原料ガス供給流路１１を経て原料ガス供給部５に戻ることを可能にする。また、循環遮断弁３４は閉状態で、外気等が循環流路から選択酸化部４に逆流するのを防止する。循環遮断弁３４は、制御部２１によって制御され開閉作動する。循環流路３３には、循環遮断弁３４の下流側に、絞り３５（例えばニードル弁またはグローブ弁）が設置されている。絞り３５は、循環流路３３を流れるパージガスＰの流量を安定化させる。循環流路３３を適切な流量のパージガスＰが流れるよう絞り３５の開口面積を決めるとよい。
【００６４】
次に、燃料処理装置１０１Ａの通常運転状態の動作について、燃料処理装置１０１との相違点を説明する。なお、通常運転時開始前には、循環遮断弁３４は、閉となっている。よって、改質ガスＧ２（選択酸化部４を出た原料ガスＧ１）は、循環流路３３を循環しない。
改質ガスＧ２は選択酸化部４を出た後、冷却部３１を通過し、さらに気水分離器３２を通過して、燃料電池８に送られる。
【００６５】
次に、燃料処理装置１０１Ａの停止作動時の動作について、燃料処理装置１０１との相違点を説明する。なお、燃料処理装置１０１Ａの通常運転後の停止作動中に、水蒸気供給部６から水蒸気Ｓの供給が行われ、およびその後に原料ガス供給部５から原料ガスＧ１の供給が行われる。これは、燃料処理装置１０１の動作と同様である。
【００６６】
燃料処理装置１０１Ａの停止作動中に水蒸気供給部６から水蒸気Ｓが供給されるときは、改質ガス遮断弁２９は開の状態、循環遮断弁３４は閉の状態にある。水蒸気Ｓは、選択酸化部４から改質ガス供給流路１５に流れ込むが、水蒸気Ｓは冷却部３１で冷却されて凝縮し、気水分離器３２で水分Ｍが除去され燃料電池８に入り込むことはない。
【００６７】
燃料処理装置１０１Ａの停止作動中に原料ガス供給部５からパージガスＰが供給されるときは、改質ガス遮断弁２９は閉の状態、循環遮断弁３４は開の状態にある。パージガスＰは、改質ガス遮断弁２９に遮られるため、燃料電池８に供給されることはない。パージガスＰは、循環遮断弁３４が開であるので、循環流路３３を流れて原料ガス供給部５に戻り燃料処理装置１０１Ａ内を循環する。
【００６８】
このときパージガスＰは、改質装置１内に残留している水蒸気Ｓを徐々に押出し、押し出された水蒸気は冷却部３１を通り、冷却部３１によって冷却される。パージガスＰの冷却部３１による冷却は、パージガスＰの温度が低くなり、なるべく大気温度に近づくように行うとよい。また、冷却部３１に供給される冷媒Ｒの温度は、水蒸気Ｓが水分Ｍとして凝縮するかぎりにおいて、低い方が望ましい。冷却部３１を通った水蒸気Ｓは、気水分離器３２内で、凝縮した水分Ｍが除去され、乾きガスとなったパージガスＰが循環流路３３を通って原料ガス供給部５に戻される。
【００６９】
パージガスＰの供給が開始されてから、Ｔ３−Ｔ２時間経過後にパージガスの供給が停止されるが、この際に原料ガス供給制御弁２６、循環遮断弁３４が閉となり、改質装置１と外部との流通を遮断し外気等の改質装置１内への漏れ込みを防ぐことができる。
【００７０】
本実施の形態の燃料処理装置１０１Ａによれば、冷却部３１と、気水分離器３２と、循環流路３３とを備えたので、燃料処理装置１０１Ａの通常運転後にＴ２−Ｔ１時間（図３参照）燃料処理装置内部を冷却するために供給される水蒸気Ｓを冷却部３１で冷却し、この冷却により凝縮した水分Ｍを気水分離器３２で分離して排出し、燃料電池８に水蒸気Ｓを導かないようにすることができる。さらに、燃料処理装置１０１Ａの停止作動中であって前述の水蒸気Ｓの供給後にＴ３−Ｔ２時間だけ、供給されるパージガスＰによってパージされる燃料処理装置１０１Ａ内に残留していた水蒸気Ｓを冷却部３１によって冷却し、この冷却により凝縮した水分Ｍを気水分離器３２で分離して排出し、水蒸気Ｓが含まれない、乾き状態のパージガスＰを循環流路３３を通って原料ガス供給部５に戻すことができる。
【００７１】
よって、本実施の形態の燃料処理装置１０１Ａは、パージガスＰを原料ガス供給部５に戻すので、パージガスＰの系外放出を確実に避けることができる。また、パージガスＰを燃焼させるパージガス燃焼手段を不要にすることができ、さらにパージに用いる原料ガスＧ１の量を最小限とすることができる。
なお、本実施の形態では、原料ガス供給部５は、ブロワかコンプレサとすることが望ましく、循環流路３３である配管は、気水分離器３２のパージガスＰ等の出口と、ブロワまたはコンプレッサの吸引口とを連結するようアレンジするとよい。
【００７２】
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る、燃料処理装置１０１Ｂと、燃料電池スタックとしての燃料電池８とを含んで構成される燃料電池発電システム２０１Ｂのブロック図である。燃料処理装置１０１Ｂは、改質装置１Ｂが改質部２と変成部３とを一体化して形成されている点、改質装置１Ｂと別体である選択酸化部４（選択酸化触媒が充填されている）を改質装置１Ｂと改質ガス供給流路１９で接続する点で、前述の燃料処理装置１０１Ａと相違するが、他の点では同一である。
【００７３】
本実施の形態の燃料処理装置１０１Ｂは、通常運転時には改質ガスＧ２が、停止作動時には主として水蒸気Ｓおよび原料ガスＧ１（パージガスＰ）が、改質装置１Ｂの改質部２の上流側から供給、あるいはパージされた後に、変成部３から選択酸化部４へ改質ガス供給流路１９を通って流れ込むことを除けば、前述の燃料処理装置１０１Ａと、通常運転時及び停止作動時の動作が同一である。
【００７４】
前述のように、第２の実施の形態の燃料処理装置１０１Ａは、改質部２と変成部３と選択酸化部４が一体化した構造であり、本実施の形態の燃料処理装置１０１Ｂは、改質部２と変成部３とが一体化した構造である。このように改質装置１、１Ｂが一体化構造の燃料処理装置１０１Ａ、１０１Ｂは、停止作動時の装置のパージは各部をそれぞれ独立して行うことができない制約があるが、前述のように改質部２の上流側にパージを行うことにより、一体化構造の燃料処理装置１０１Ａ、１０１Ｂの、各部に充填された触媒に適した水蒸気Ｓによるパージ、原料ガスＧ１によるパージを行うことができる。なお、改質装置１Ｂは、収納容器４１Ｂ内に、改質部２、変成部３を一体に収容する。
【００７５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、改質部と、変成部と、収納容器と、遮断手段と、制御手段とを備えるので、供給された原料ガスを、水素を主成分とする改質ガスに改質し、燃料電池の燃料ガスとして使用することができる。さらに水蒸気と共に供給されていた原料ガスの供給が停止された後にも所定の時間だけ水蒸気の供給を流量を制御して継続し、水蒸気の供給を停止した際に原料ガスの供給を再開し所定の時間だけ原料ガスの供給を流量を制御して継続し、原料ガスの供給を停止した際に、収納容器の内部と外部との間を、ガスの連通がないように遮断手段を遮断させるので、燃料処理装置を、不活性ガスを用いたパージを行わずに、充填触媒の劣化を起こすことなく、安全にしかも経済的に停止するよう制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】 本発明による燃料処理装置の通常運転停止後の原料ガス及び水蒸気流量の経時変化の一例を示す図である。
【図３】 本発明による燃料処理装置の通常運転停止後の改質部温度の経時変化の一例を示す図である。
【図４】 本発明の第２の実施の形態を示すブロック図である。
【図５】 本発明の第３の実施の形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
１、１Ｂ 改質装置
２ 改質部
３ 変成部
４ 選択酸化部
５ 原料ガス供給部
６ 水蒸気供給部
７Ｂ 選択酸化用空気供給部
８ 燃料電池
１１ 第１原料ガス供給流路
１２Ａ 水供給流路
１２Ｂ 水蒸気供給流路
１３ 第２原料ガス供給流路
１４ 選択酸化用空気供給流路
１５ 改質ガス供給流路
１６ パージガス排出流路
１７ 燃焼ガス排出流路
１８ 第３原料ガス供給路
１９ 改質ガス供給流路
２１ 制御部
２２ 温度検出器
２３ タイマー
２４ パージガス燃焼部
２５ 脱硫部
２６ 原料ガス供給制御弁
２７ 水供給制御弁
２８ 選択酸化用空気供給遮断弁
２９ 改質ガス遮断弁
３０ パージガス遮断弁
３１ 冷却部
３２ 気水分離器
３３ 循環流路
３４ 循環遮断弁
３５ 絞り
１０１、１０１Ａ、１０１Ｂ 燃料処理装置
２０１、２０１Ａ、２０１Ｂ 燃料電池発電システム
Ａ 選択酸化用空気
Ｂ 燃焼ガス
Ｇ１ 原料ガス
Ｇ２ 改質ガス（燃料ガス）
Ｍ 水分
Ｐ パージガス
Ｓ 水蒸気
Ｗ 水
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタン等炭化水素を主成分とする原料ガスを改質して水素を主成分とする改質ガスを生成させる燃料処理装置に関し、特に原料ガス流量が毎時１０ｍ３以下の小型の燃料処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料処理装置により炭化水素を主成分とする燃料ガスから水素を主成分とする改質ガスを製造し、製造した改質ガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池発電システムが開発、実用化されてきている。用いる燃料電池がリン酸型燃料電池の場合、燃料処理装置は主に改質触媒を充填し炭化水素の水蒸気改質反応によって水素とＣＯを生成する改質部と、変成触媒を充填し改質反応によって生成したＣＯをＣＯ変成反応によって水素とＣＯ２に変成する変成部からなる。また、用いる燃料電池が固体高分子型燃料電池の場合には、燃料処理装置は前述の改質部と変成部に加え、選択酸化触媒を充填しＣＯ変成反応後ガス中に残留するＣＯを空気を用いて選択酸化する選択酸化部を設けてなる。
【０００３】
前述の燃料電池発電システムあるいは燃料処理装置を停止するときに、燃料処理装置内に保持されている改質ガスをパージしなければならない。そして、パージ後に各触媒の被毒や劣化を起こさないようなガスを封入するのがよい。従来から、窒素等の不活性ガスをパージ用ガスとして用いるのが一般的であるが、この場合、不活性ガスの供給手段を設ける必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、燃料電池発電システムの発電規模が５０ｋＷ以下、あるいは燃料処理装置に供給する原料ガスの流量が毎時１０ｍ３以下のような小規模の燃料電池発電システムあるいは燃料処理装置は、いわゆる分散発電設備として広くオフィス、店舗や家庭に分散設置されるので、用いるパージガスの管理や補充の面からして窒素等不活性ガスを用いる方式は現実的ではない。
【０００５】
また、小型の燃料処理装置の場合、高熱効率化及びコンパクト化を図るために前述の改質部と変成部を、場合によっては選択酸化部をも含めて一体化することが一般的である。しかし、このような一体化構造の燃料処理装置には、停止作動時の装置内パージは各部をそれぞれ独立して行うことができない制約がある。
【０００６】
また、燃料処理装置を停止するときに、各触媒とりわけ改質触媒が急激に冷えると熱的応力が発生する。このような状態で燃料処理装置の起動・停止を繰り返すと各触媒とりわけ改質触媒の粉化が起こり、その結果、触媒が劣化するおそれがある。
【０００７】
そこで本発明は、不活性ガスを用いたパージを行わずに、充填触媒の劣化を起こすことなく、安全にしかも経済的に停止することができる燃料処理装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の課題に鑑み、本発明者が鋭意研鑽を重ねた結果、水蒸気と原料ガスとを利用した停止作動時の冷却手段及びパージ手段を有する燃料処理装置を発明するに至った。具体的には、以下に示す通りである。
【０００９】
上記目的を達成するために請求項１に係る発明による燃料処理装置１０１は、例えば図１に示すように、水蒸気Ｓと共に供給される原料ガスＧ１を処理して水素を主成分とする燃料ガスＧ２に改質する燃料処理装置１０１において；原料ガスＧ１を水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガスＧ２に改質する改質部２と；改質ガスＧ２を変成して該改質ガスＧ２中の一酸化炭素含有量を減少させる変成部３と；改質部２と変成部３とを内部に収納する収納容器４１と；収納容器４１の内部と外部との間を、ガスの連通がないように遮断する遮断手段２６、２７、２８、２９、３０と；原料ガスＧ１と水蒸気Ｓの流量を制御する制御手段２１であって、水蒸気Ｓと共に供給されていた原料ガスＧ１の供給が停止された後にも第１の所定の時間（Ｔ２−Ｔ１）（図２参照）だけ水蒸気Ｓの供給を継続し、水蒸気Ｓの供給を停止した際に原料ガスＧ１の供給を再開し第２の所定の時間（Ｔ３−Ｔ２）（図２参照）だけ原料ガスＧ１の供給を継続し、原料ガスＧ１の供給を停止した際に遮断手段２６、３０を作動させる制御手段２１とを備え；制御手段２１は、原料ガスＧ１の供給が停止された後に供給が継続される水蒸気Ｓの流量を、改質部２の温度の冷却速度を所定の値に保つように制御する。
【００１０】
このように構成すると、改質部２と、変成部３とを備えるので、供給された原料ガスＧ１を水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガスＧ２に改質し、変成することができ、さらに収納容器４１と、遮断手段２６、２７、２８、２９、３０と、制御手段２１とを備えるので、制御手段２１によって以下の制御を行うことができる。すなわち、水蒸気Ｓと共に供給されていた原料ガスＧ１の供給が停止された後にも第１の所定の時間（Ｔ２−Ｔ１）（図２参照）だけ水蒸気Ｓの供給を流量制御しながら継続し、さらに、水蒸気Ｓの供給を停止した際に原料ガスＧ１の供給を再開し、第２の所定の時間（Ｔ３−Ｔ２）（図２参照）だけ原料ガスＧ１の供給を流量制御しながら継続し、次に原料ガスＧ１の供給を停止した際に遮断手段２６、３０を作動させ、収納容器４１の内部と外部との間を、ガスの連通がないように遮断することができる。なお、水蒸気Ｓの流量を制御するとは、例えば水蒸気Ｓを水蒸気供給部６により、蒸気供給部６に供給された水Ｗから発生させて供給する場合、水蒸気供給部６に供給する水Ｗの量を制御することにより発生し供給される水蒸気Ｓの流量を制御する場合を含むものとする。
【００１１】
水蒸気Ｓと共に供給されていた原料ガスＧ１の供給が停止された後にも第１の所定の時間（Ｔ２−Ｔ１）だけ水蒸気Ｓの供給を流量制御しながら継続することにより、改質部２、変成部３を冷却すると共に改質部２、変成部３内に残留している改質ガスＧ２をパージすることができる。水蒸気Ｓの供給を停止した際に原料ガスＧ１の供給を再開し第２の所定の時間（Ｔ３−Ｔ２）だけ原料ガスＧ１の供給を流量制御しながら継続することにより、改質部２、変成部３内に残留する水蒸気Ｓが改質部２、変成部３内で凝縮することを防ぐことができる。次に、原料ガスＧ１の供給を停止した際に遮断手段２６、３０を作動させ、収納容器４１の内部と外部との間を、ガスの連通がないように遮断することができ、外気等の収納容器４１の内部への逆流を防止し、改質部２、変成部３の内部に異物（水分、カーボン等）等が存在しないようにし、次の燃料処理装置１０１のスムーズな起動に備えることができる。なお、収納容器４１は、改質部２と変成部３とを一体に収納してもよいし、また、収納容器４１は、改質部２と変成部３とを別々に収納し、改質部２と変成部３とは改質されたガスＧ２を移送する配管で接続されていてもよい。
【００１２】
水蒸気Ｓの供給が継続される第１の所定の時間（Ｔ２−Ｔ１）は、供給した水蒸気Ｓによって、改質部２、変成部３の温度を、原料ガスＧ１の供給を再開することができる温度まで低下させることができる時間とし、再開することができる温度を、原料ガスＧ１中の炭化水素成分が熱分解して改質部２の改質触媒の表面に炭素を析出する炭素析出温度より低く、供給した水蒸気Ｓが凝縮する温度より高い温度とするとよい。再開した原料ガスＧ１の供給が継続される第２の所定の時間（Ｔ３−Ｔ２）は、改質部２、変成部３内に残留する水蒸気Ｓの分圧を外気温における水の飽和蒸気圧以下に低下させることができる時間とするとよい。原料ガスＧ１、例えば都市ガスは、通常−２０℃以下の露点を有する乾燥ガスであるので、系内の水蒸気分圧を下げるためのパージガスとして極めて好適である。
【００１３】
前述のように構成すると、制御手段２１によって水蒸気Ｓの流量を制御することにより、改質部２の温度の冷却速度を、改質部２の改質触媒、変成部３の変成触媒に有害な熱的応力が発生しないような穏やかな所定の値に保つことができる。
【００１４】
上記目的を達成するために請求項２に係る発明による燃料処理装置１０１は、例えば図１に示すように、水蒸気Ｓと共に供給される原料ガスＧ１を処理して水素を主成分とする燃料ガスＧ２に改質する燃料処理装置１０１において；原料ガスＧ１を水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガスＧ２に改質する改質部２と；改質ガスＧ２を変成して該改質ガスＧ２中の一酸化炭素含有量を減少させる変成部３と；改質部２と変成部３とを内部に収納する収納容器４１と；収納容器４１の内部と外部との間を、ガスの連通がないように遮断する遮断手段２６、２７、２８、２９、３０と；原料ガスＧ１と水蒸気Ｓの流量を制御する制御手段２１であって、水蒸気Ｓと共に供給されていた原料ガスＧ１の供給が停止された後にも第１の所定の時間（Ｔ２−Ｔ１）（図２参照）だけ水蒸気Ｓの供給を継続し、水蒸気Ｓの供給を停止した際に原料ガスＧ１の供給を再開し第２の所定の時間（Ｔ３−Ｔ２）（図２参照）だけ原料ガスＧ１の供給を継続し、原料ガスＧ１の供給を停止した際に遮断手段２６、３０を作動させる制御手段２１と；改質部２の温度を検出する温度検出手段２２とを備え；制御手段２１は、温度検出手段２２で検出された温度に基いて、前記検出された温度が、供給された水蒸気Ｓの凝縮を起こす温度になる前に、前記供給が継続されている水蒸気Ｓの供給を停止し、原料ガスＧ１の供給を再開する。
【００１５】
このように構成すると、制御手段２１は、温度検出手段２２で検出された温度に基いて、検出された温度が、水蒸気Ｓの凝縮を起こす温度になる前に、水蒸気Ｓの供給を停止し、原料ガスＧ１の供給を再開するように制御することができる。
【００１６】
請求項３に係る発明による燃料処理装置１０１は、請求項１に記載の燃料処理装置において、例えば図１に示すように、改質部２の温度を検出する温度検出手段２２を備え；制御手段２１は、温度検出手段２２で検出された温度に基いて、前記検出された温度が、供給された水蒸気Ｓの凝縮を起こす温度になる前に、前記供給が継続されている水蒸気Ｓの供給を停止し、原料ガスＧ１の供給を再開する。
【００１７】
上記目的を達成するために請求項４に係る発明による燃料処理装置１０１は、例えば図１に示すように、水蒸気Ｓと共に供給される原料ガスＧ１を処理して水素を主成分とする燃料ガスＧ２に改質する燃料処理装置１０１において；原料ガスＧ１を水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガスＧ２に改質する改質部２と；改質ガスＧ２を変成して該改質ガスＧ２中の一酸化炭素含有量を減少させる変成部３と；改質部２と変成部３とを内部に収納する収納容器４１と；収納容器４１の内部と外部との間を、ガスの連通がないように遮断する遮断手段２６、２７、２８、２９、３０と；原料ガスＧ１と水蒸気Ｓの流量を制御する制御手段２１であって、水蒸気Ｓと共に供給されていた原料ガスＧ１の供給が停止された後にも第１の所定の時間（Ｔ２−Ｔ１）（図２参照）だけ水蒸気Ｓの供給を継続し、水蒸気Ｓの供給を停止した際に原料ガスＧ１の供給を再開し第２の所定の時間（Ｔ３−Ｔ２）（図２参照）だけ原料ガスＧ１の供給を継続し、原料ガスＧ１の供給を停止した際に遮断手段２６、３０を作動させる制御手段２１とを備え；制御手段２１は、タイマー２３を有し；タイマー２３により、水蒸気Ｓの供給が停止された後の時間経過に従って、水蒸気Ｓの供給の停止後、燃料処理装置１０１内に残留する水蒸気Ｓの分圧が、外気温度における水の飽和蒸気圧以下に低下させることができる時間後に、供給の再開された原料ガスＧ１の供給を停止し、遮断手段２６、３０を作動させる。
【００１８】
このように構成すると、制御手段２１がタイマー２３を有するので、タイマー２３により、水蒸気Ｓの供給が停止された後の時間経過に従って、水蒸気Ｓの供給の停止後、燃料処理装置１０１内に残留する水蒸気Ｓの分圧が、外気温度における水の飽和蒸気圧以下に低下させることができる時間後に、供給の再開された原料ガスＧ１の供給を停止し、遮断手段２６、３０を作動させ、外気等の収納容器４１への漏れ込みを防ぐよう制御することができる。タイマー２３は、水蒸気Ｓの供給の停止後、燃料処理装置１０１内に残留する水蒸気Ｓの分圧が、外気温度における水の飽和蒸気圧よりも低くなるまでかかる必要最小時間経過後に作動するように設定することが望ましい。ここで、タイマー２３により作動させるとは、タイマー２３からの信号により作動させることに加えて、制御手段２１がタイマー２３からの信号を受けて、作動させることを含む概念とする。
【００１９】
請求項５に係る発明による燃料処理装置１０１は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料処理装置において、例えば図１に示すように、制御手段２１は、タイマー２３を有し；タイマー２３により、水蒸気Ｓの供給が停止された後の時間経過に従って、水蒸気Ｓの供給の停止後、燃料処理装置１０１内に残留する水蒸気の分圧が、外気温度に おける水の飽和蒸気圧以下に低下させることができる時間後に、供給の再開された原料ガスＧ１の供給を停止し、遮断手段２６、３０を作動させる。
【００２０】
上記目的を達成するために請求項６に係る発明による燃料処理装置１０１は、例えば図１に示すように、水蒸気Ｓと共に供給される原料ガスＧ１を処理して水素を主成分とする燃料ガスＧ２に改質する燃料処理装置１０１において；原料ガスＧ１を水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガスＧ２に改質する改質部２と；改質ガスＧ２を変成して該改質ガスＧ２中の一酸化炭素含有量を減少させる変成部３と；改質部２と変成部３とを内部に収納する収納容器４１と；収納容器４１の内部と外部との間を、ガスの連通がないように遮断する遮断手段２６、２７、２８、２９、３０と；原料ガスＧ１と水蒸気Ｓの流量を制御する制御手段２１であって、水蒸気Ｓと共に供給されていた原料ガスＧ１の供給が停止された後にも第１の所定の時間（Ｔ２−Ｔ１）（図２参照）だけ水蒸気Ｓの供給を継続し、水蒸気Ｓの供給を停止した際に原料ガスＧ１の供給を再開し第２の所定の時間（Ｔ３−Ｔ２）（図２参照）だけ原料ガスＧ１の供給を継続し、原料ガスＧ１の供給を停止した際に遮断手段２６、３０を作動させる制御手段２１と；改質部２に原料ガスＧ１を供給する原料ガス供給手段５と；変成部３の下流側で、遮断手段２９の上流側に配置された凝縮手段３１、３２と；供給の再開された原料ガスＧ１を凝縮手段３１、３２の下流側から原料ガス供給手段５に戻すよう構成された戻し手段３３、３４とを備える。
【００２１】
このように構成すると、凝縮手段３１、３２と戻し手段３３、３４とを備えるので、凝縮手段３３、３４によって、水蒸気Ｓと共に供給されていた原料ガスＧ１の供給が停止された後にも第１の所定の時間（Ｔ２−Ｔ１）（図２参照）だけ継続して供給された水蒸気Ｓを冷却し、該冷却により凝縮した水分Ｍを排出し、燃料電池８に水蒸気Ｓを供給しないようにすることができ、戻し手段３３、３４によって、供給の再開された原料ガスＧ１を凝縮手段３１、３２の下流側から原料ガス供給手段５に戻し、凝縮手段３１、３２によって水蒸気Ｓが除去された原料ガスＧ１を原料ガス供給手段５に戻すことができる。
【００２２】
凝縮手段３１、３２が、ガスを冷却する冷却手段３１と、凝縮した水分Ｍを排出する気水分離手段３２とから構成されるようにしてもよい。このようにすると、冷却手段３１によって、水蒸気Ｓと共に供給されていた原料ガスＧ１の供給が停止された後にも第１の所定の時間（Ｔ２−Ｔ１）（図２参照）だけ継続して供給された水蒸気Ｓを冷却し、気水分離手段３２によって、該冷却により凝縮した水分Ｍを排出し、燃料電池８に水蒸気Ｓを供給しないようにすることができる。
【００２３】
請求項７に係る発明による燃料処理装置１０１Ａは、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料処理装置において、例えば図４に示すように、改質部２に原料ガスＧ１を供給する原料ガス供給手段５と；変成部３の下流側で、遮断手段２９の上流側に配置された凝縮手段３１、３２と；供給の再開された原料ガスＧ１を凝縮手段３１、３２の下流側から原料ガス供給手段５に戻すよう構成された戻し手段３３、３４とを備える。
【００２４】
また、本発明による燃料処理装置１０１は、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の燃料処理装置において、例えば図１に示すように、水蒸気Ｓの供給を停止した際に供給が再開された原料ガスＧ１を燃焼させる燃焼手段２４を備えてもよい。
【００２５】
このように構成すると、燃焼手段２４を備えるので、水蒸気Ｓの供給を停止した際に供給が再開された原料ガスＧ１を燃焼手段２４により燃焼させることによって、当該原料ガスＧ１を大気に拡散させることなく適切に処理することができる。
【００２６】
さらに、本発明による燃料処理装置１０１は、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の燃料処理装置において、例えば図１に示すように、改質部２の上流側に備えられた、原料ガスＧ１を脱硫する脱硫装置２５を備えてもよい。
【００２７】
このように構成すると、脱硫装置２５を備えるので、脱硫装置２５によって原料ガスＧ１を脱硫し、各触媒の硫黄化合物による被毒または硫黄化合物の大気放出を防ぐことができる。
【００２８】
上記目的を達成するために燃料電池発電システム２０１は、例えば図１に示すように、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の燃料処理装置１０１と；燃料処理装置１０１で改質して得られた燃料ガスＧ２を燃料とし、空気中の酸素を酸化剤として発電を行う燃料電池スタック８とを備えてもよい。燃料電池スタック８は典型的には、固体高分子電解質型燃料電池スタックである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
【００３０】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料処理装置１０１と、改質した原料ガス（改質ガスＧ２）を用いて燃料電池発電を行う燃料電池スタックを含む燃料電池８とを含んで構成される燃料電池発電システム２０１のブロック図である。燃料処理装置１０１は、原料ガス流量が毎時１０ｍ３以下の小型の装置である。
【００３１】
燃料処理装置１０１は、メタン等の炭化水素を主成分とする原料ガスＧ１を改質反応により改質しＨ２とＣＯとを主成分とする改質ガスＧ２とする改質部２と、改質ガスＧ２中のＣＯを変成反応によりＨ２とＣＯ２とに変成し、改質ガスＧ２中のＣＯを減少させる変成部３と、変成後の改質ガスＧ２中のＣＯを選択酸化反応により酸化して除去する選択酸化部４とが一体化されて構成された、改質装置１を含んで構成される。改質装置１は、収納容器４１内に、改質部２、変成部３、選択酸化部４を一体に収容する。
【００３２】
燃料処理装置１０１は、さらに原料ガスＧ１を供給する原料ガス供給部５と、原料ガスＧ１から硫黄化合物を除去する脱硫装置としての脱硫部２５と、原料ガスＧ１を原料ガス供給部５に供給する第１原料ガス供給流路１１と、原料ガスＧ１を原料ガス供給部５から脱硫部２５へ導く第２原料ガス供給流路１３と、原料ガスＧ１を脱硫部２５から改質装置１の改質部２へ導く第３原料ガス供給流路１８と、改質ガスＧ２を改質装置１の選択酸化部４から燃料電池８へ導く改質ガス供給流路１５とを含んで構成される。なお、燃料電池８は、選択酸化部４を経た改質ガスＧ２を燃料ガスＧ２として用いて燃料電池発電を行う。
【００３３】
燃料処理装置１０１は、さらに、水Ｗの供給を受ける水供給流路１２Ａと、水供給流路１２Ａから水Ｗの供給を受け水蒸気Ｓを発生させ供給する水蒸気供給部６と、水蒸気供給部６からの水蒸気Ｓを第３原料ガス供給流路１８へ導く水蒸気供給流路１２Ｂと、選択酸化用空気Ａを供給する選択酸化用空気供給部７と、選択酸化用空気Ａを改質装置１の選択酸化部４に導く選択酸化用空気供給流路１４と、改質装置１に供給されたパージガスＰ（後述のように燃料処理装置１０１の通常運転の停止後に水蒸気供給部６から供給される水蒸気Ｓによるパージのさらに後に原料ガス供給部５から供給される原料ガスＧ１）を燃焼する燃焼手段としてのパージガス燃焼部２４と、改質ガス供給流路１５から分岐し、パージガスＰをパージガス燃焼部２４に導くパージガス排出流路１６と、パージガス燃焼部２４から燃焼ガスＢを導いて排出する燃焼ガス排出流路１７とを含んで構成される。
【００３４】
第２原料ガス供給流路１３は、原料ガスＧ１の供給量を制御し、さらに第２原料ガス供給流路１３から改質部２へ外気等が逆流するのを防止する遮断手段としての原料ガス供給制御弁２６を有する。改質ガス供給流路１５は、燃料電池８への改質ガスＧ２の供給を遮断する遮断手段としての改質ガス遮断弁２９を有する。改質ガス遮断弁２９は、さらに改質ガス供給流路１５を通って選択酸化部４にガス、外気等が逆流するのを防止する。
【００３５】
水供給流路１２Ａは、遮断手段としての水供給制御弁２７を有し、水供給制御弁２７は、水蒸気供給部６への水Ｗの供給量を制御することにより、水蒸気供給部６から改質部２への水蒸気Ｓの供給量を制御し、さらに外気等が水供給流路１２Ａを経て水蒸気供給流路１２Ｂから改質部２に逆流するのを防止する。水供給制御弁２７は、水蒸気供給制御弁であるといってもよく、水蒸気供給制御弁としても作用する。選択酸化用空気供給流路１４は、遮断手段としての選択酸化用空気供給遮断弁２８を有し、選択酸化用空気供給遮断弁２８は、選択酸化部４への選択酸化用空気Ａの供給量を制御し、さらに選択酸化用空気供給流路１４から改質装置１に外気等が逆流するのを防止する。パージガス排出流路１６は、遮断手段としてのパージガス遮断弁３０を有し、パージガス遮断弁３０は、改質ガス供給流路１５からパージガス燃焼部２４へ供給するパージガスＰを遮断する。パージガス遮断弁３０は、さらにパージガス排出流路１６から改質ガス供給流路１５を通って選択酸化部４にガス、外気等が逆流するのを防止する。なお、パージガス燃焼部２４は、バーナー燃焼器であってもよいし、触媒燃焼器であってもよい。
【００３６】
パージガス燃焼部２４の代わりに、立ち上げ時に燃料処理装置１０１を加熱し、通常運転時に改質反応に熱を供給するために設けられる熱供給手段としての燃焼器（不図示）を使用することもできるが、この場合、燃料処理装置１０１が再加熱されないように対策することが必要である。パージのために供給する原料ガスＧ１の流量は、燃料処理装置１０１の定格稼動時の原料ガスＧ１の流量以下であって、用いるパージガス燃焼手段（本実施の形態ではパージガス燃焼部２４）の嫁動に必要最小限の流量以上であるのが好ましい。なお、原料ガスＧ１によるパージガスＰの燃焼手段を設けない場合は原料ガスＧ１によるパージ量をできるだけ少なくし、パージガスＰを大気中に安全に拡散させる対策が必要である。原料ガスＧ１によるパージ量とは、他のガスをパージするために供給される原料ガスＧ１の流量をいう。なお、本明細書では流量とは、特記されたもの以外は質量流量である。
【００３７】
燃料処理装置１０１は、さらに改質部２の温度を検出する温度検出手段としての温度検出器２２と、制御手段としての制御部２１とを備える。温度検出器２２は、改質部２の温度検出素子２２Ａと温度変換器２２Ｂとを含んで構成される。制御部２１は、タイマー２３を有する。制御部２１は、原料ガス供給部５と、水蒸気供給部６と、選択酸化用空気供給部７とを作動させ、原料ガス供給部５に原料ガスＧ１の供給、水蒸気供給部６に水蒸気Ｓの供給、選択酸化用空気供給部７に選択酸化用空気Ａの供給を行わせる。
【００３８】
制御部２１は、原料ガス供給制御弁２６、水供給制御弁２７、選択酸化用空気供給遮断弁２８、改質ガス遮断弁２９、パージガス遮断弁３０、タイマー２３を作動させる。
【００３９】
次に燃料処理装置１０１の通常運転状態の動作について説明する。燃料処理装置１０１の通常運転時に、制御部２１による制御により、次の通り各機器の動作が実施される。なお、通常運転時開始前に、パージガス遮断弁３０は、閉となっている。原料ガス供給制御弁２６を制御作動状態として開とし、原料ガス供給部５を起動する。原料ガス供給部５は、メタン等炭化水素を主成分とする原料ガスＧ１を、第２原料ガス供給流路１３に供給し、原料ガス供給制御弁２６は、原料ガスＧ１が所定量供給されるよう減圧する。減圧された原料ガスＧ１は、脱硫部２５に送られる。脱硫部２５で、原料ガスＧ１中の硫黄化合物の除去が行われる。脱硫部２５を出た原料ガスＧ１は、第３原料ガス供給流路１８を経て改質部２に送られる。
【００４０】
水供給制御弁２７を制御作動状態として開とし、水蒸気供給部６を起動する。水蒸気供給部６は、水蒸気Ｓを水蒸気供給流路１２Ｂに供給し、水供給制御弁２７は、水蒸気Ｓが所定の流量が流れるよう制御する。水蒸気供給流路１２は、第３原料ガス供給流路１８に接続され、供給された水蒸気Ｓは、第３原料ガス供給流路１８を流れ、原料ガスＧ１とともに改質部２に送られる。定格運転時における水蒸気Ｓの流量は、供給される原料ガスＧ１の流量の２．５倍以上４倍以下の範囲とするとよい。改質部２において、改質反応が通常５５０〜８００℃の温度範囲で行われ、炭化水素がＨ２とＣＯに改質される。改質部２には、改質触媒（不図示）が充填され改質反応を促進する。
【００４１】
改質部２を出た改質ガスＧ２は、変成部３に入り、通常１６０〜２８０℃の温度範囲で変成反応が行われ、改質ガスＧ２中のＣＯがＨ２とＣＯ２に変成される。次いで、変成後の改質ガスＧ２が選択酸化部４に入り、選択酸化部４で、ＣＯが選択酸化用空気供給部７から選択酸化用空気供給遮断弁２８により流量制御され選択酸化用空気供給流路１４を介して送られる所定流量の選択酸化用空気Ａ中の酸素と、通常１００〜２５０℃の温度範囲で選択酸化反応して酸化除去される。ここで、選択酸化用空気の供給流量は、改質ガスＧ２中のＣＯに対して、選択酸化用空気Ａ中の酸素のモル比、即ちＯ２／ＣＯが１．０〜３．０の範囲となるようにするとよい。変成部３には、変成触媒（不図示）が充填され変成反応を促進する。選択酸化部４には選択酸化用触媒（不図示）が充填され、ＣＯの選択酸化を促進する。
【００４２】
改質ガス遮断弁２９はこの時点で開となっており、このようにして生成された改質ガスＧ２が選択酸化部４から改質ガス供給流路１５を経て燃料電池８に送られ、燃料電池発電が行われる。なお、混乱を避けるために図示していないが、吸熱反応である改質部２には熱供給手段が、発熱反応である変成部３及び選択酸化部４には冷却手段がそれぞれ設けられている。
【００４３】
次に、該燃料処理装置１０１の停止作動時の動作を説明する。
該燃料処理装置１０１を通常運転状態から停止作動状態に切り換えたときに、制御部２１による制御により、次の通り各機器の動作が実施される。
【００４４】
原料ガス供給部５と、選択酸化用空気供給部７を停止し、原料ガス供給制御弁２６、選択酸化用空気供給遮断弁２８及び改質ガス遮断弁２９を閉にし、パージガス遮断弁３０を開にする。次に、水蒸気供給部６による水蒸気Ｓの供給流量を定格運転時の、１０分の１以上２分の１以下、好ましくは約４分の１に水供給制御弁２７により制御する。このようにすると改質部２の冷却速度を穏やかな冷却速度とすることができる。そして、改質部２の温度検出部２２の温度検出素子２２Ａから、温度変換器２２Ｂを介して送られてきた温度信号ｉ１を受け、制御部２１が、改質部２の温度が所定の温度に到達したと判断した場合は、水蒸気供給部６を停止し水供給制御弁２７を閉にする。
【００４５】
なお、測定された改質部２の温度と、改質部２の所定の目標温度とを比較して、その差が小さくなるように、水蒸気供給部６により供給される水蒸気Ｓによるパージ流量を変える（温度制御）代わりに、改質部２の冷却速度が穏やかな値となるように、目標とする改質部２の冷却速度を設定し、測定された改質部２の温度から改質部２の冷却速度を計算し、この計算された冷却速度と、目標とする改質部２の冷却速度とを比較し、その差が小さくなるように水蒸気Ｓによるパージ流量を変えることにより冷却速度制御を行ってもよい。このようにするとより正確に、改質部２の冷却速度を所定の値に制御することができる。なお、水蒸気供給部６により供給される水蒸気Ｓによるパージ流量を変えるのは、水蒸気供給部６への水Ｗの供給量を水供給制御弁２７により変えることにより行う。水蒸気Ｓによるパージ量とは、他のガスをパージするために供給される水蒸気Ｓの流量をいう。
【００４６】
また、ここにいう所定の温度は、原料ガスＧ１中の炭化水素成分が熱分解して改質触媒の表面に炭素を析出する炭素析出温度より低く、パージのために供給する水蒸気Ｓが凝縮する温度より高い温度であり、１１０〜２５０℃、好ましくは１５０〜２００℃の範囲の温度とするとよい。改質部２の温度が、炭化水素の熱分解温度以上であるにもかかわらず、水蒸気Ｓによるパージを停止し原料ガスＧ１によるパージを開始すると、原料ガスＧ１中の炭化水素が熱分解して改質触媒の表面に炭素を析出し、改質触媒を劣化させるおそれがある。しかし、改質部２の温度が、パージのために供給する水蒸気Ｓの凝縮温度以下になってから原料ガスＧ１によるパージを開始すると、前記凝縮温度以下になってから原料ガスＧ１によるパージを開始するまでの間に水蒸気Ｓが各触媒の表面凹凸部に凝縮し、燃料処理装置１０１の再起動時の温度上昇による凝縮水分の蒸発膨張により各触媒、特に変成触媒が粉化することがある。
【００４７】
制御部２１が、改質部２の温度が所定の温度に到達したと判断すると同時に、さらに原料ガス供給制御弁２６を開にし、原料ガス供給部５を起動し原料ガスＧ１の流量を定格運転時の約２分の１の流量に制御する。さらに、パージガス燃焼部２４を起動し、タイマー２３が計時を始めるよう計時開始信号ｉ２をタイマー２３に送る。そして、タイマー２３は、所定の時間（Ｔ３−Ｔ２）（図２参照）を計測した時点で信号ｉ３を制御部２１に送る。信号ｉ３を受け取った制御部２１は、原料ガス供給制御弁２６と、選択酸化用空気供給遮断弁２８と、改質ガス遮断弁２９と、パージガス遮断弁３０とを閉にし、原料ガス供給部５を停止してパージガスＰの供給を停止し、さらにパージガス燃焼部２４を停止する。原料ガス供給制御弁２６が閉になることにより、原料ガスＧ１によるパージが停止する。選択酸化用空気供給遮断弁２８、改質ガス遮断弁２９、パージガス遮断弁３０を閉にすることにより改質装置１と外部との流通を遮断し外気の改質装置１内への漏れ込みを防ぐことができる。
【００４８】
原料ガスＧ１によるパージを開始してから改質装置１内の水蒸気が徐々に押し出されて水蒸気分圧が低下する。タイマー２３によって設定する原料ガスＧ１によるパージ時間は、改質装置１内に残留する水蒸気Ｓの分圧が外気温における水の飽和蒸気庄よりも低くなるまでに要する最少時間とする。パージ時間は、一般に、改質装置１の内容積の１０〜３０倍量の原料ガスを流すのに要する時間とすることが好ましい。なお、タイマー２３は、水蒸気Ｓの供給が停止された直後に計測を開始する。
【００４９】
改質装置１と外部との流通を遮断してから、改質装置１が徐々に外気温度まで自然冷却するが、装置内温度低下によって封入されている原料ガスＧ１が収縮し内圧が低下する。改質装置１の内圧が大気圧よりも低くなると空気の漏れ込みが防ぎにくくなるので、原料ガスＧ１の供給圧力、すなわち原料ガスＧ１によるパージの停止時の原料ガス封入圧を、冷却収縮により改質装置１の内圧が低下しても大気圧以下にならないような圧力とすることが望ましい。
【００５０】
原料ガスＧ１に必要な最小封入圧は次式によって決定する。すなわち、Ｐi＝１０１．３×（Ｔi＋２７３．１５）／（Ｔ0＋２７３．１５） である。ここで、Ｐi（ｋＰａ）は、封入圧、Ｔ0（℃）は、外気温度、Ｔi（℃）は、原料ガスＧ１によるガスパージ終了時の改質部２の温度である。
【００５１】
改質部２の充填される改質触媒と、変成部３に充填される変成触媒にそれぞれニッケル系触媒と銅−亜鉛系触媒を用いる場合では、燃料処理装置１０１の停止作動中に空気が漏れ込むと、ニッケル系改質触媒及び銅−亜鉛系変成触媒が空気中の酸素によって酸化される。すると、燃料処理装置１０１の起動・停止を繰り返す間に前記改質触媒、特に変成触媒が徐々に劣化することが知られている。よって、燃料処理装置１０１の停止作動中は、選択酸化用空気供給遮断弁２８、改質ガス遮断弁２９、パージガス遮断弁３０を遮断し、さらにパージ停止時の原料ガスＧ１の封入圧を、冷却収縮により改質装置１の内圧が低下しても大気圧以下にならないような圧力とすることにより、改質部２、変成部３への空気の漏れ込みを避けることが望ましい。
【００５２】
また、パージに供給する原料ガスＧ１を脱硫する手段（具体的には脱硫部２５）を改質装置１の前段に設けているので、燃料処理装置１０１の各触媒の硫黄化合物による被毒及び硫黄化合物の大気放出を防ぐことができる。
【００５３】
図２に、本発明による改質装置１の停止作動時における水蒸気流量及び原料ガス流量の経時変化の一例を概念的に示す。図中のゾーンＡは、通常の定格運転を表し、原料ガスＧ１及び水蒸気Ｓが供給されている。Ｔ１時に、原料ガスＧ１の供給が停止されゾーンＢに移行する。Ｔ１時に水蒸気Ｓによるパージが開始される。図中水蒸気Ｓによるパージ流量は定格運転時の４分の１である。Ｔ２時に水蒸気Ｓによるパージが停止され、ゾーンＣに移行する。Ｔ２時に原料ガスＧ１によるパージが開始され、Ｔ３時に停止される。原料ガスＧ１によるパージ量は、図中、定格運転時の２分の１である。
【００５４】
ゾーンＢに、水蒸気Ｓによるパージを改質部２の冷却速度が一定になるように行った場合の水蒸気Ｓの典型的変化を破線にて示す。水蒸気Ｓによるパージをし始めた段階では改質部２の温度が高いので少量の供給量で冷却速度を確保できるが、改質部２の温度が低下するにつれ、冷却速度を一定に保つにはより多量の供給量が必要となることがわかる。
【００５５】
図３に、改質部温度の経時変化の一例を概念的に示す。図中のゾーンＡは、通常の定格運転を表す。改質部２の温度は５５０〜８００℃である。Ｔ１時に水蒸気Ｓによるパージが開始され、改質部２の温度が徐々に低下する。Ｔ２時に、改質部２の温度が好ましくは１３０〜１６０℃になった所で水蒸気Ｓによるパージが停止される。温度の低下はその後緩慢になる。
【００５６】
本実施の形態の燃料処理装置１０１は、供給された原料ガスＧ１を改質部２で水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガスＧ２に改質し、変成部３で、改質ガスＧ２を変成して該改質ガスＧ２中の一酸化炭素含有量を減少させるので、変成後の改質ガスＧ２を燃料電池８の燃料として使用することができる。また、本実施の形態の燃料処理装置１０１は、前述のように実用的かつ効果的な停止作動時の水蒸気Ｓによる冷却、原料ガスＧ１によるパージを行うので、安全にしかも経済的に停止することができる。また、従来装置の停止作動時のパージに必要であった窒素等不活性ガスの貯蔵や管理を不要とすることができ、また、改質部２の冷却速度を緩和し、および改質装置１での水分凝縮を排除することにより、装置の起動・停止の繰り返しによる各種充填触媒の劣化を防ぐことができ、ひいては燃料処理装置１０１の長寿命化を図ることができる。
【００５７】
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料処理装置１０１Ａと、燃料電池８とを含んで構成される燃料電池発電システム２０１Ａのブロック図である。燃料処理装置１０１Ａは、原料ガス流量が毎時１０ｍ３以下である小型の装置である。以下本実施の形態の燃料処理装置１０１Ａを含む燃料電池発電システム２０１Ａについて、前述の燃料電池発電システム２０１と相違する点を説明し、同一である点はその説明を省略する。
【００５８】
燃料処理装置１０１Ａは、選択酸化部４の下流側に、凝縮手段としての、あるいは冷却手段としての冷却部３１と、凝縮手段としての、あるいは気水分離手段としての気水分離器３２と、戻し手段としての循環流路３３とを備える。しかし、燃料処理装置１０１Ａは、改質装置１にパージされたパージガスＰを燃焼するパージガス燃焼部２４と、パージガス遮断弁３０（図１参照）とを備えていない。また、改質ガス供給流路１５から分岐し、パージガスＰをパージガス燃焼部２４（図１参照）に導くパージガス排出流路１６（図１参照）と、パージガス燃焼部２４から燃焼ガスＢを導いて排出する燃焼ガス排出流路１７（図１参照）とを備えていない。
【００５９】
冷却部３１は、選択酸化部４の下流側の改質ガス供給流路１５中に、遮断弁２９の上流側に配置されている。冷却部３１には、冷媒Ｒ（例えば、冷却水）を冷却部３１に供給する冷媒供給流路３７と、冷媒Ｒを冷却部３１から排出する冷媒排出流路３８とが接続され、冷媒排出流路３８には冷却部３１を流れる冷媒Ｒの流量を制御する冷媒制御弁３９が設置されている。冷媒制御弁３９は制御部２１により制御される。冷媒制御弁３９によって、通常運転時に、改質ガスＧ２の露点が所定の値になるよう調整することができる。ここで所定の値は、燃料電池８が固体高分子型燃料電池の場合は、５０〜９０℃であるのが一般的である。また、冷媒制御弁３９は、燃料処理装置１０１Ａが停止作動状態のときに、水蒸気Ｓによるパージ、その後の原料ガスＧ１によるパージが行われている間、冷媒Ｒの冷却部３１へ流量を制御する。
【００６０】
燃料処理装置１０１Ａが停止作動状態のときであって、水蒸気Ｓによるパージが行われている間、およびその後の原料ガスＧ１によるパージが行われている間に、冷却部３１に冷媒Ｒが供給され、冷却部３１に導入される水蒸気Ｓ、パージガスＰ（原料ガスＧ１）が好ましくは大気温度付近になるように冷却される。
【００６１】
気水分離器３２は、改質ガス供給流路１５中の冷却部３１の下流側であって、遮断弁２９の上流側に配置されている。気水分離器３２は、水分Ｍを排出する排出配管３６を有する。前述のように、燃料処理装置１０１Ａが停止作動状態のときに、供給された水蒸気Ｓ、パージガスＰが冷却部３１によって冷却されるが、気水分離器３２は、この冷却により凝縮した水分Ｍを分離して排出配管３６から排出する。
【００６２】
循環流路３３は、気水分離器３２と遮断弁２９との間で改質ガス供給流路１５から分岐し、原料ガスＧ１を第１原料ガス供給流路１１に導き、原料ガス供給部５に戻して、原料ガスＧ１を循環させる。
【００６３】
循環流路３３には、遮断手段としての循環遮断弁３４が取り付けられている。循環遮断弁３４は閉状態で、改質ガスＧ２が循環流路３３を流れるのを防止し、改質ガスＧ２が第１原料ガス供給流路１１を経て原料ガス供給部５に戻ることを防止する。さらに循環遮断弁３４は開状態で、パージガスＰが循環流路３３を流れることを可能にし、パージガスＰが第１原料ガス供給流路１１を経て原料ガス供給部５に戻ることを可能にする。また、循環遮断弁３４は閉状態で、外気等が循環流路から選択酸化部４に逆流するのを防止する。循環遮断弁３４は、制御部２１によって制御され開閉作動する。循環流路３３には、循環遮断弁３４の下流側に、絞り３５（例えばニードル弁またはグローブ弁）が設置されている。絞り３５は、循環流路３３を流れるパージガスＰの流量を安定化させる。循環流路３３を適切な流量のパージガスＰが流れるよう絞り３５の開口面積を決めるとよい。
【００６４】
次に、燃料処理装置１０１Ａの通常運転状態の動作について、燃料処理装置１０１との相違点を説明する。なお、通常運転時開始前には、循環遮断弁３４は、閉となっている。よって、改質ガスＧ２（選択酸化部４を出た原料ガスＧ１）は、循環流路３３を循環しない。
改質ガスＧ２は選択酸化部４を出た後、冷却部３１を通過し、さらに気水分離器３２を通過して、燃料電池８に送られる。
【００６５】
次に、燃料処理装置１０１Ａの停止作動時の動作について、燃料処理装置１０１との相違点を説明する。なお、燃料処理装置１０１Ａの通常運転後の停止作動中に、水蒸気供給部６から水蒸気Ｓの供給が行われ、およびその後に原料ガス供給部５から原料ガスＧ１の供給が行われる。これは、燃料処理装置１０１の動作と同様である。
【００６６】
燃料処理装置１０１Ａの停止作動中に水蒸気供給部６から水蒸気Ｓが供給されるときは、改質ガス遮断弁２９は開の状態、循環遮断弁３４は閉の状態にある。水蒸気Ｓは、選択酸化部４から改質ガス供給流路１５に流れ込むが、水蒸気Ｓは冷却部３１で冷却されて凝縮し、気水分離器３２で水分Ｍが除去され燃料電池８に入り込むことはない。
【００６７】
燃料処理装置１０１Ａの停止作動中に原料ガス供給部５からパージガスＰが供給されるときは、改質ガス遮断弁２９は閉の状態、循環遮断弁３４は開の状態にある。パージガスＰは、改質ガス遮断弁２９に遮られるため、燃料電池８に供給されることはない。パージガスＰは、循環遮断弁３４が開であるので、循環流路３３を流れて原料ガス供給部５に戻り燃料処理装置１０１Ａ内を循環する。
【００６８】
このときパージガスＰは、改質装置１内に残留している水蒸気Ｓを徐々に押出し、押し出された水蒸気は冷却部３１を通り、冷却部３１によって冷却される。パージガスＰの冷却部３１による冷却は、パージガスＰの温度が低くなり、なるべく大気温度に近づくように行うとよい。また、冷却部３１に供給される冷媒Ｒの温度は、水蒸気Ｓが水分Ｍとして凝縮するかぎりにおいて、低い方が望ましい。冷却部３１を通った水蒸気Ｓは、気水分離器３２内で、凝縮した水分Ｍが除去され、乾きガスとなったパージガスＰが循環流路３３を通って原料ガス供給部５に戻される。
【００６９】
パージガスＰの供給が開始されてから、Ｔ３−Ｔ２時間経過後にパージガスの供給が停止されるが、この際に原料ガス供給制御弁２６、循環遮断弁３４が閉となり、改質装置１と外部との流通を遮断し外気等の改質装置１内への漏れ込みを防ぐことができる。
【００７０】
本実施の形態の燃料処理装置１０１Ａによれば、冷却部３１と、気水分離器３２と、循環流路３３とを備えたので、燃料処理装置１０１Ａの通常運転後にＴ２−Ｔ１時間（図３参照）燃料処理装置内部を冷却するために供給される水蒸気Ｓを冷却部３１で冷却し、この冷却により凝縮した水分Ｍを気水分離器３２で分離して排出し、燃料電池８に水蒸気Ｓを導かないようにすることができる。さらに、燃料処理装置１０１Ａの停止作動中であって前述の水蒸気Ｓの供給後にＴ３−Ｔ２時間だけ、供給されるパージガスＰによってパージされる燃料処理装置１０１Ａ内に残留していた水蒸気Ｓを冷却部３１によって冷却し、この冷却により凝縮した水分Ｍを気水分離器３２で分離して排出し、水蒸気Ｓが含まれない、乾き状態のパージガスＰを循環流路３３を通って原料ガス供給部５に戻すことができる。
【００７１】
よって、本実施の形態の燃料処理装置１０１Ａは、パージガスＰを原料ガス供給部５に戻すので、パージガスＰの系外放出を確実に避けることができる。また、パージガスＰを燃焼させるパージガス燃焼手段を不要にすることができ、さらにパージに用いる原料ガスＧ１の量を最小限とすることができる。
なお、本実施の形態では、原料ガス供給部５は、ブロワかコンプレサとすることが望ましく、循環流路３３である配管は、気水分離器３２のパージガスＰ等の出口と、ブロワまたはコンプレッサの吸引口とを連結するようアレンジするとよい。
【００７２】
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る、燃料処理装置１０１Ｂと、燃料電池スタックとしての燃料電池８とを含んで構成される燃料電池発電システム２０１Ｂのブロック図である。燃料処理装置１０１Ｂは、改質装置１Ｂが改質部２と変成部３とを一体化して形成されている点、改質装置１Ｂと別体である選択酸化部４（選択酸化触媒が充填されている）を改質装置１Ｂと改質ガス供給流路１９で接続する点で、前述の燃料処理装置１０１Ａと相違するが、他の点では同一である。
【００７３】
本実施の形態の燃料処理装置１０１Ｂは、通常運転時には改質ガスＧ２が、停止作動時には主として水蒸気Ｓおよび原料ガスＧ１（パージガスＰ）が、改質装置１Ｂの改質部２の上流側から供給、あるいはパージされた後に、変成部３から選択酸化部４へ改質ガス供給流路１９を通って流れ込むことを除けば、前述の燃料処理装置１０１Ａと、通常運転時及び停止作動時の動作が同一である。
【００７４】
前述のように、第２の実施の形態の燃料処理装置１０１Ａは、改質部２と変成部３と選択酸化部４が一体化した構造であり、本実施の形態の燃料処理装置１０１Ｂは、改質部２と変成部３とが一体化した構造である。このように改質装置１、１Ｂが一体化構造の燃料処理装置１０１Ａ、１０１Ｂは、停止作動時の装置のパージは各部をそれぞれ独立して行うことができない制約があるが、前述のように改質部２の上流側にパージを行うことにより、一体化構造の燃料処理装置１０１Ａ、１０１Ｂの、各部に充填された触媒に適した水蒸気Ｓによるパージ、原料ガスＧ１によるパージを行うことができる。なお、改質装置１Ｂは、収納容器４１Ｂ内に、改質部２、変成部３を一体に収容する。
【００７５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、改質部と、変成部と、収納容器と、遮断手段と、制御手段とを備えるので、供給された原料ガスを、水素を主成分とする改質ガスに改質し、燃料電池の燃料ガスとして使用することができる。さらに水蒸気と共に供給されていた原料ガスの供給が停止された後にも所定の時間だけ水蒸気の供給を流量を制御して継続し、水蒸気の供給を停止した際に原料ガスの供給を再開し所定の時間だけ原料ガスの供給を流量を制御して継続し、原料ガスの供給を停止した際に、収納容器の内部と外部との間を、ガスの連通がないように遮断手段を遮断させるので、燃料処理装置を、不活性ガスを用いたパージを行わずに、充填触媒の劣化を起こすことなく、安全にしかも経済的に停止するよう制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】 本発明による燃料処理装置の通常運転停止後の原料ガス及び水蒸気流量の経時変化の一例を示す図である。
【図３】 本発明による燃料処理装置の通常運転停止後の改質部温度の経時変化の一例を示す図である。
【図４】 本発明の第２の実施の形態を示すブロック図である。
【図５】 本発明の第３の実施の形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
１、１Ｂ 改質装置
２ 改質部
３ 変成部
４ 選択酸化部
５ 原料ガス供給部
６ 水蒸気供給部
７Ｂ 選択酸化用空気供給部
８ 燃料電池
１１ 第１原料ガス供給流路
１２Ａ 水供給流路
１２Ｂ 水蒸気供給流路
１３ 第２原料ガス供給流路
１４ 選択酸化用空気供給流路
１５ 改質ガス供給流路
１６ パージガス排出流路
１７ 燃焼ガス排出流路
１８ 第３原料ガス供給路
１９ 改質ガス供給流路
２１ 制御部
２２ 温度検出器
２３ タイマー
２４ パージガス燃焼部
２５ 脱硫部
２６ 原料ガス供給制御弁
２７ 水供給制御弁
２８ 選択酸化用空気供給遮断弁
２９ 改質ガス遮断弁
３０ パージガス遮断弁
３１ 冷却部
３２ 気水分離器
３３ 循環流路
３４ 循環遮断弁
３５ 絞り
１０１、１０１Ａ、１０１Ｂ 燃料処理装置
２０１、２０１Ａ、２０１Ｂ 燃料電池発電システム
Ａ 選択酸化用空気
Ｂ 燃焼ガス
Ｇ１ 原料ガス
Ｇ２ 改質ガス（燃料ガス）
Ｍ 水分
Ｐ パージガス
Ｓ 水蒸気
Ｗ 水
Claims (7)
- 水蒸気と共に供給される原料ガスを処理して水素を主成分とする燃料ガスに改質する燃料処理装置において；
前記原料ガスを水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガスに改質する改質部と；
前記改質ガスを変成して該改質ガス中の一酸化炭素含有量を減少させる変成部と；
前記改質部と前記変成部とを内部に収納する収納容器と；
前記収納容器の内部と外部との間を、ガスの連通がないように遮断する遮断手段と；
前記原料ガスと水蒸気の流量を制御する制御手段であって、前記水蒸気と共に供給されていた原料ガスの供給が停止された後にも第１の所定の時間だけ前記水蒸気の供給を継続し、前記水蒸気の供給を停止した際に前記原料ガスの供給を再開し第２の所定の時間だけ前記原料ガスの供給を継続し、前記原料ガスの供給を停止した際に前記遮断手段を作動させる制御手段とを備え；
前記制御手段は、前記原料ガスの供給が停止された後に供給が継続される水蒸気の流量を、前記改質部の温度の冷却速度を所定の値に保つように制御し；
前記第１の所定の時間が、前記供給した水蒸気によって、前記改質部と前記変成部の温度を、前記原料ガスの供給を再開することができる温度まで低下させることができる時間であり、前記再開することができる温度は、前記原料ガス中の炭化水素成分が熱分解して前記改質部の改質触媒の表面に炭素を析出する炭素析出温度より低く、前記供給した水蒸気が凝縮する温度より高い温度であり；
前記第２の所定の時間が、前記改質部及び前記変成部内に残留する水蒸気の分圧を外気温における水の飽和蒸気圧以下に低下させることができる時間である；
燃料処理装置。 - 水蒸気と共に供給される原料ガスを処理して水素を主成分とする燃料ガスに改質する燃料処理装置において；
前記原料ガスを水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガスに改質する改質部と；
前記改質ガスを変成して該改質ガス中の一酸化炭素含有量を減少させる変成部と；
前記改質部と前記変成部とを内部に収納する収納容器と；
前記収納容器の内部と外部との間を、ガスの連通がないように遮断する遮断手段と；
前記原料ガスと水蒸気の流量を制御する制御手段であって、前記水蒸気と共に供給されていた原料ガスの供給が停止された後にも第１の所定の時間だけ前記水蒸気の供給を継続し、前記水蒸気の供給を停止した際に前記原料ガスの供給を再開し第２の所定の時間だけ前記原料ガスの供給を継続し、前記原料ガスの供給を停止した際に前記遮断手段を作動させる制御手段と；
前記改質部の温度を検出する温度検出手段とを備え；
前記制御手段は、前記温度検出手段で検出された温度に基いて、前記検出された温度が、供給された水蒸気の凝縮を起こす温度になる前に、前記供給が継続されている水蒸気の供給を停止し、前記原料ガスの供給を再開し；
前記第１の所定の時間が、前記供給した水蒸気によって、前記改質部と前記変成部の温度を、前記原料ガスの供給を再開することができる温度まで低下させることができる時間であり、前記再開することができる温度は、前記原料ガス中の炭化水素成分が熱分解して前記改質部の改質触媒の表面に炭素を析出する炭素析出温度より低く、前記供給した水蒸気が凝縮する温度より高い温度であり；
前記第２の所定の時間が、前記改質部及び前記変成部内に残留する水蒸気の分圧を外気温における水の飽和蒸気圧以下に低下させることができる時間である；
燃料処理装置。 - 前記改質部の温度を検出する温度検出手段を備え；
前記制御手段は、前記温度検出手段で検出された温度に基いて、前記検出された温度が、供給された水蒸気の凝縮を起こす温度になる前に、前記供給が継続されている水蒸気の供給を停止し、前記原料ガスの供給を再開する；
請求項１に記載の燃料処理装置。 - 水蒸気と共に供給される原料ガスを処理して水素を主成分とする燃料ガスに改質する燃料処理装置において；
前記原料ガスを水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガスに改質する改質部と；
前記改質ガスを変成して該改質ガス中の一酸化炭素含有量を減少させる変成部と；
前記改質部と前記変成部とを内部に収納する収納容器と；
前記収納容器の内部と外部との間を、ガスの連通がないように遮断する遮断手段と；
前記原料ガスと水蒸気の流量を制御する制御手段であって、前記水蒸気と共に供給されていた原料ガスの供給が停止された後にも第１の所定の時間だけ前記水蒸気の供給を継続し、前記水蒸気の供給を停止した際に前記原料ガスの供給を再開し第２の所定の時間だけ前記原料ガスの供給を継続し、前記原料ガスの供給を停止した際に前記遮断手段を作動させる制御手段とを備え；
前記制御手段は、タイマーを有し；
前記タイマーにより、前記水蒸気の供給が停止された後の時間経過に従って、水蒸気の供給の停止後、前記燃料処理装置内に残留する水蒸気の分圧が、外気温度における水の飽和蒸気圧以下に低下させることができる時間後に、前記供給の再開された原料ガスの供給を停止し、前記遮断手段を作動させ；
前記第１の所定の時間が、前記供給した水蒸気によって、前記改質部と前記変成部の温度を、前記原料ガスの供給を再開することができる温度まで低下させることができる時間であり、前記再開することができる温度は、前記原料ガス中の炭化水素成分が熱分解して前記改質部の改質触媒の表面に炭素を析出する炭素析出温度より低く、前記供給した水蒸気が凝縮する温度より高い温度であり；
前記第２の所定の時間が、前記改質部及び前記変成部内に残留する水蒸気の分圧を外気温における水の飽和蒸気圧以下に低下させることができる時間である；
燃料処理装置。 - 前記制御手段は、タイマーを有し；
前記タイマーにより、前記水蒸気の供給が停止された後の時間経過に従って、水蒸気の供給の停止後、前記燃料処理装置内に残留する水蒸気の分圧が、外気温度における水の飽和蒸気圧以下に低下させることができる時間後に、前記供給の再開された原料ガスの供給を停止し、前記遮断手段を作動させる；
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料処理装置。 - 水蒸気と共に供給される原料ガスを処理して水素を主成分とする燃料ガスに改質する燃料処理装置において；
前記原料ガスを水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガスに改質する改質部と；
前記改質ガスを変成して該改質ガス中の一酸化炭素含有量を減少させる変成部と；
前記改質部と前記変成部とを内部に収納する収納容器と；
前記収納容器の内部と外部との間を、ガスの連通がないように遮断する遮断手段と；
前記原料ガスと水蒸気の流量を制御する制御手段であって、前記水蒸気と共に供給されていた原料ガスの供給が停止された後にも第１の所定の時間だけ前記水蒸気の供給を継続し、前記水蒸気の供給を停止した際に前記原料ガスの供給を再開し第２の所定の時間だけ前記原料ガスの供給を継続し、前記原料ガスの供給を停止した際に前記遮断手段を作動させる制御手段と；
前記改質部に前記原料ガスを供給する原料ガス供給手段と；
前記変成部の下流側で、前記遮断手段の上流側に配置された凝縮手段と；
前記供給の再開された原料ガスを前記凝縮手段の下流側から前記原料ガス供給手段に戻すよう構成された戻し手段とを備え；
前記第１の所定の時間が、前記供給した水蒸気によって、前記改質部と前記変成部の温度を、前記原料ガスの供給を再開することができる温度まで低下させることができる時間であり、前記再開することができる温度は、前記原料ガス中の炭化水素成分が熱分解して前記改質部の改質触媒の表面に炭素を析出する炭素析出温度より低く、前記供給した水蒸気が凝縮する温度より高い温度であり；
前記第２の所定の時間が、前記改質部及び前記変成部内に残留する水蒸気の分圧を外気温における水の飽和蒸気圧以下に低下させることができる時間である；
燃料処理装置。 - 前記改質部に前記原料ガスを供給する原料ガス供給手段と；
前記変成部の下流側で、前記遮断手段の上流側に配置された凝縮手段と；
前記供給の再開された原料ガスを前記凝縮手段の下流側から前記原料ガス供給手段に戻すよう構成された戻し手段とを備える；
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料処理装置。
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