CN1606531A - 一氧化碳从重整气体中的去除 - Google Patents

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Abstract

通过在以串联方式设置的多个催化部件(4A－4C)中的氧化反应去除在重整气体中的一氧化碳。把来自空气供应阀的空气供应至催化部件(4A－4C)。在催化部件(4A－4C)中一氧化碳的氧化量取决于空气供应阀(6A－6C)的空气供应流量。控制器(7)控制空气供应阀(6A－6C)，这样，随着重整气体流量的降低，对上游部件(4A)的空气供应流量相对于对下游部件(4C)的空气供应流量的比率也降低。以此方式，当重整气体的流量低时，可以抑制在下游催化部件(4C)中由于在重整气体中所含的二氧化碳和氢之间的反应导致的生成一氧化碳的逆向转移反应。

Description

一氧化碳从重整气体中的去除
技术领域
本发明涉及一氧化碳从主要含有氢的重整气体中的去除。
背景技术
为了除去在主要含有氢的重整气体中所含的一氧化碳，已知方法是使氧化剂与在催化剂上的一氧化碳选择性反应。此外，人们还知道根据重整气体的流动串联设置多个催化部件，将氧化剂混入各催化部件的重整气体上游以便优化反应效率。
一氧化碳的氧化反应被称作优先氧化。根据反应条件，优先氧化可能伴随有产生一氧化碳的逆向转移反应。当在重整气体中氧化剂和一氧化碳的浓度都很低时，显著增加了逆向转移反应。在一氧化碳浓度较低的下游催化部件中逆向转移反应尤为显著。当发生逆向转移反应时，降低了一氧化碳的去除率。
2000年由日本专利局出版的JP特开2000-169106公开了一种用于抑制逆向转移反应的装置。如上所述设置了多个催化部件。在上游催化部件中设置了高活性铂(Pt)催化剂，在下游部件中设置了显示较低活性的钌(Ru)催化剂。在下游催化部件中或者在一氧化碳浓度较低的催化部件中易于发生的逆向转移反应通过利用含有较低活性Ru的催化剂而得到抑制。
发明内容
但是根据此原有技术的一氧化碳去除装置仍存在着一些问题：当重整气体的流量低于预定量时，含有较低活性催化剂的下游催化部件的氧化电位超过了实际氧化量。当催化部件的氧化电位超过实际氧化量时，加速了氧化反应，引起氧化剂的迅速消耗。因此，在其中存留极少量氧化剂的催化部件中，由于一氧化碳和氧化剂的浓度低，因此易于发生逆向转移反应，由此生成一氧化碳。
因此，本发明的目的是有效抑制在一氧化碳去除装置中的逆向转移反应，其中多个催化部件相对于重整气体流动的方向串联设置。
为了达到上述目的，本发明提供一种一氧化碳去除装置，该装置利用氧化剂、通过以催化剂为媒质的氧化反应除去在重整气体中所含的一氧化碳。该装置包括存储催化剂并让重整气体通过的催化反应器，该催化反应器包括上游部分和下游部分，以及控制在催化反应器中的氧化反应的可编程控制器，相对于重整气体的流动下游部分比上游部分设置得更下游一些。
对控制器进行编程，以便当重整气体的流量降至预定值以下时，减小在上游部分中的氧化量相对于在下游部分中的氧化量的比率。
本发明还提供一种通过以催化剂为媒质的氧化反应去除含在重整气体中的一氧化碳的一氧化碳去除方法，该方法向催化反应器提供氧化剂，该催化反应器储存催化剂并允许重整气体通过，其中催化反应器包括上游部分和下游部分，相对于重整气体的流动，下游部分比上游部分设置得更下游一些。
该方法包括对在催化反应器中的氧化反应进行控制，以便当重整气体的流量降至预定值以下时，减小在上游部分中的氧化量相对于在下游部分中的氧化量的比率。
在说明书的剩余部分和附图中列出本发明的细节以及其它特点和优点。
附图说明
图1是根据本发明的用于燃料电池设备的一氧化碳去除装置的示意图。
图2A和2B是假设对于装置的催化部件的空气分布比率是固定的条件下，表示各催化部件的空气供应流量和燃料电池发电设备上的负载之间关系的示图。
图3A和3B是根据本发明，表示空气供应流量和催化部件的分布比率与燃料电池发电设备上的负载之间关系的示图。
图4是描述对各催化部件的空气供应流量进行控制的程序的流程图，由本发明的控制器进行这种控制。
图5是表示在一氧化碳去除装置的出口处的一氧化碳浓度和燃料电池发电设备的负载之间关系的示图。
图6A和6B类似于图3A和3B，但是表示本发明的第二实施例。
图7类似于图1，但是表示本发明的第二实施例。
图8类似于图4，但是表示本发明的第二实施例。
图9是根据本发明第三实施例的燃料电池发电设备用一氧化碳去除装置的示意图。
图10A和10B类似于图3A和3B，但是表示本发明的第三实施例。
图11是描述对各部件的冷却剂供应流量进行控制的程序的流程图，通过根据本发明第三实施例的控制器进行这种控制。
具体实施方式
参见附图1，在重整装置2和燃料电池堆3之间设置一氧化碳去除装置1，该装置从燃料电池发电设备的重整气体中除去一氧化碳。
在重整装置2中的燃料与水蒸汽和空气反应，从而生成重整气体。燃料的典型例是主要包含碳氢化合物的甲醇和汽油。重整气体主要含有氢，但仍含有一氧化碳。例如，由甲醇得到的重整气体含有大约1.5％的一氧化碳。
燃料电池堆3利用在富氢气体和空气之间的公知催化反应进行发电。为了有效地促进电化学反应，在燃料电池堆3中的催化剂必须处于最佳状态。一氧化碳会污染催化剂，降低了燃料电池堆3的发电性能。为了防止一氧化碳的负面影响，一氧化碳去除装置1从重整气体中除去一氧化碳，使得富氢气体中一氧化碳的浓度在10ppm的数量级。
一氧化碳去除装置1设置有催化反应器4，催化反应器4包括相对于重整气体的流动串联设置的三个催化部件4A-4C。
催化部件4A设置在催化反应器4的上游部分，催化部件4B，4C比在催化反应器4中的催化部件4A设置得更下游一些。因此，把催化部件4A称作催化反应器4的上游部分，把催化部分4B，4C称作它的下游部分。
催化反应器4设置有空气供应阀6A-6C，这些供应阀将作为氧化剂的空气分别提供给催化部件4A-4C。
空气从空气供应阀6A供应到管道5A，管道5A把重整装置2与在最上游位置上设置的催化部件4A连接起来。空气从空气供应阀6B供应到管道5B，管道5B把催化部件4A与催化部件4B连接起来。空气从空气供应阀6C供应到管道5C，管道5C把催化部件4B与催化部件4C连接起来。把在催化部件4C中处理后的富氢气体通过管道5D提供给燃料电池堆3。
空气也通过空气供应阀6D提供给重整装置2。此外，把空气通过空气供应阀6E提供给燃料电池堆3。各空气供应阀6A-6E并联连接到空气供应管道16。空气从压缩机15通过压力控制阀18以固定压力供应到空气供应管道16。空气供应阀6A-6E根据控制器7的信号变化打开程度。
控制器7包括微型计算机，微型计算机设置有中央处理器(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和输入/输入界面(I/O界面)。控制器7可包括多台微型计算机。
控制器7采用空气供应阀6A-6E，从而根据由重整装置2产生的重整气体的流量对所供应空气的流量进行控制。重整气体的流量与燃料电池发电设备的发电负载成比例。此外，燃料电池发电设备的发电负载与燃料电池堆3的输出电流成比例。为此，把表示燃料电池堆3的输出电流的信号从安培计17输入到控制器7，作为对应于重整气体流量的信号。
但应该注意，对于表示重整气体流量的值存在各种选择。这些选择包括对由重整装置2提供的重整气体的流量进行直接测量。
在各催化部件4A-4C中提供有催化剂。催化剂基本上包括铂/氧化铝(Pt/Al2O3)，人们知道铂/氧化铝选择性地氧化一氧化碳。
虽然在此实施例中采用三个催化部件4A-4C，但催化部件的数量仅需要是复数个，并不限于三个。此外，可以设置单个催化部件，并且在催化部件中沿着重整气体通道的长度在多处设置多个氧化剂供应口。
利用在空气中的氧和重整气体之间的优先氧化，从催化部件4A-4C的重整气体中除去一氧化碳，由下面的化学式(1)表示。
  (1)
然而，根据Pt/Al2O3催化剂的反应条件，等式(1)所示的反应可能伴随有不希望的副反应，也就是，由下面的化学式(2)表示的逆向转移反应。
  (2)
在式(2)中明显示出，逆向转移反应消耗氢并生成一氧化碳。该反应与一氧化碳去除装置1的目标相悖。
当在重整气体中存在过量的氧时，有助于式(1)所示的化学反应。结果，当在重整气体中的氧不足时，由式(2)表示的反应占主导。根据化学平衡的原理，当一氧化碳的浓度低时，由式(2)所示的反应占主导。
通常对催化反应器4的总氧化电位进行设计，用以应付在燃料电池发电设备的额定工作过程中的负载，也就是说，用以应付发电设备能够稳定工作的最大负载。催化反应器4的总氧化电位表示，在催化部件4A-4C的温度保持在不高于200℃的温度范围内(该温度范围对应于等式(2)的反应不占主导的温度范围)的条件下的最大氧化量。
当燃料电池发电设备的工作负载低于预定值或额定值时，所生成的重整气体量也较低，在重整气体中所含的一氧化碳的绝对量也会降低。结果，当与要去除的一氧化碳量相比较时，催化部件4A-4C的氧化电位过高。
然而，在这种情况下，并不是所有的催化部件4A-4C都具有过高的氧化电位，仅是位于上游的催化部件具有过高的氧化电位。换句话说，在其中一氧化碳浓度高的上游催化部件4A中，式(1)所示的优先氧化占主导。在下游催化部件4C中，式(2)所示的逆向转移反应占主导。
发明人考虑到，通过把在下游催化部件4C中的优先氧化量设定成小于在其它催化部件4A，4B中的优先氧化量的值，可以抑制在下游催化部件4C中的逆向转移反应。
参见图2A和2B，考虑下面一种情况：在位于上游的催化部件4A中的优先氧化量总是大于位于下游的催化部件4C中的优先氧化量。
各催化部件4A-4C所需的空气供应流量与优先氧化量成比例。
为了在不考虑如图2A所示的燃料电池发电设备的工作负载的情况下确定在空气供应阀6A-6C中的空气分布率，必须根据如图2B所示的燃料电池发电设备的工作负载改变各空气供应阀6A-6C的空气供应流量。
然而，即使以此方式控制这些空气供应流量，当燃料电池发电设备的工作负载降至额定值以下时，在具有低一氧化碳浓度的下游催化部件4C中逆向转移反应仍占主导。
虽然以上的描述涉及上游催化部件4A和下游催化部件4C，但是在上游催化部件4A和中间催化部件4B之间也可以建立相同的关系。
通过防止下游催化部件4C的氧化量变小，即使当燃料电池发电设备的工作负载降至预定值或额定值以下时，本发明也可以防止逆向转移反应的发生。具体来说，通过抑制在上游催化部件4A中的氧化量，流入下游催化部件4C中的一氧化碳量相对提高，从而达到催化部件4C的氧化电位。
参见图3A和3B，通过降低催化部件4A的空气分布率和增加催化部件4B和4C的空气分布率，本发明创立了以上提及的条件。以此方式，降低了在低负载过程中在上游催化部件4A中去除的一氧化碳的相对量，增加了在催化部件4B，4C中除去的一氧化碳的相对量。
为此，按照图3B所示的那样设定对催化部件4B，4C的空气供应流量。如图中所示，尽管催化部件4C的空气分布率增加，但由于在燃料电池发电设备上的负载降低，因此对催化部件4C的空气供应流量也降低。由于下面的原因，这样保持了对于一氧化碳的最佳去除效率。在其中重整气体的空气浓度相对较高的燃料电池发电设备的低负载工作区域内，由于以高反应活性的Pt/Al2O3作媒质的氧化反应，因此迅速升高了催化部件的温度。然而，温度的增加降低了在催化部件中对于一氧化碳的去除效率。把对下游催化部件4C的空气供应流量限定为特定值，该值相应于在燃料电池发电设备上负载的减少，这样，当燃料电池发电设备上的负载降低时，还抑制了催化部件4C的温度，使其不超过200℃。由此，把在限制过程之后由空气供应流量允许的氧化量表示为相对于在燃料电池发电设备上的负载或者重整气体的流量的催化部件4C的氧化电位。
以同样的方式，根据在燃料电池发电设备上的负载，设定对催化部件4B的空气供应流量。以在整个催化反应器4中去除一氧化碳所需的总空气供应流量减去以上述方式确定的对催化部件4B和4C的空气供应流量之和，从而确定对催化部件4A的空气供应流量。
结果，当在燃料电池发电设备上的负载降低时，空气向催化部件4A-4C的分布率在上游催化部件4A中降低、在下游催化部件4B和4C中增加。如图所示，当在燃料电池发电设备上的负载最小时，对于上游催化部件4A的空气供应流量接近于零。
为了按上面描述的方式实现空气供应流量的控制，控制器7设置有预存在存储器中的图。此图确定在燃料电池发电设备上的负载和各空气供应阀6A-6C的流量之间的关系。可以采用计算公式或表格来代替该图。
利用此图，控制器7执行图4中所示的程序。在燃料电池发电设备启动的同时开始执行此程序。
首先在步骤S1中，控制器7读取安培计17的检测电流，作为对于在燃料电池发电设备上的负载的表示值。可以采用其它不同的值作为对于在燃料电池发电设备上的负载的表示值。例如，为了表示从燃料电池堆3输出的电流，可以采用由在另一单元中的控制器设置的目标电流值，该控制器代替安培计17来控制燃料电池发电设备。还可以采用供应到燃料电池堆3的富氢气体的流量FH2作为对于在燃料电池发电设备上的负载的表示值。通过在管道5D中安装流量计，可以检测出流量FH2。
然后在步骤S2中，根据对于负载的表示值，控制器7参照在如图3B中所示的存储器中存储的图确定出对于空气供应阀6A-6C的各目标空气流量。
然后在步骤S3中，控制器7控制各空气供应阀6A-6C的打开程度，以便实现目标空气流量，为此，控制器7存储确定空气供应阀6A-6C的流量和打开程度的图并且由此图计算出空气供应阀6A-6C的打开程度。选择性地，可利用传感器分别检测出空气供应阀6A-6C的实际流量，可以反过来控制实际流量以与目标空气流量一致。
在步骤S4中，控制器7确定燃料电池发电设备的工作是否继续。利用来自上述燃料电池发电设备控制器的信号或者来自命令燃料电池发电设备启动和停止的电键开关的信号进行此确定。
在步骤S4中，当燃料电池发电设备的工作持续进行时，也就是说，还没有产生工作终止命令时，控制器7重复执行步骤S1至S4。另一方面，在步骤S4中，当燃料电池发电设备的工作不持续进行时，也就是说，已经产生了工作终止命令时，控制器7立即终止该程序。
在上述程序中，如果可以确定在各空气供应阀6A-6C的打开程度和在燃料电池发电设备的负载之间的直接关系时，通过在存储器中存储表明此关系的图，可以忽略在步骤S2中的过程。
上述控制的结果在于，当在燃料电池发电设备上的负载较小时，在上游催化部件4A中没有出现优先氧化。然而，由于在重整气体中一氧化碳的浓度在上游催化部件4A中较高，即使在没有进行式(1)中所示的优先氧化时，由于化学平衡，在式(2)所示的逆向转移反应也仅以极缓慢的速率发生，甚至根本不发生。
换句话说，在其中催化部件4A-4C的一氧化碳氧化电位过高的燃料电池发电设备上的低负载区域内，控制器7仅在中间催化部件4B和下游催化部件4C中除去一氧化碳，从而防止过高的氧化电位引起逆向转移反应。
当在上述控制条件下控制空气供应流量时，在一氧化碳去除装置1的出口处一氧化碳的浓度表现出由图5中的实线示出的变化。相反，当如图2A或2B所示空气分布率固定时，在一氧化碳去除装置1的出口处一氧化碳的浓度表现出由图5中的虚线示出的变化。图中清楚地表明，由于本发明在所供应空气流量方面的控制，因此改善了在燃料电池发电设备的低负载区域中的一氧化碳去除性能。
以下参考图6A和6B、图7和8描述本发明的第二实施例。
在第一实施例中，对催化部件4C的空气供应流量进行设定，这样，虽然增加了空气分布率，但是对应于在燃料电池发电设备上负载的降低，绝对量也会降低。如上所述，为了避免过分增加催化部件4C的温度，提供该设置。
在此实施例中，为了避免过分增加催化部件4C中的温度，在催化部件4C中采用具有相对低的反应活性的催化剂。具体而言，与在第一实施例中所用的催化剂相同的Pt/Al2O3催化剂用在催化部件4A和4B中。反之，含有钌(Ru)的Ru/A2O3催化剂用在催化部件4C中。
参见图6A和6B，在此实施例中，不考虑燃料电池发电设备负载的降低，催化部件4C的空气供应流量保持在固定值。结果，由于在燃料电池发电设备上负载的减少导致了催化部件4C的空气分布率的增加大于在第一实施例中描述的情况。
参见图7，从根据此实施例的一氧化碳去除装置中省略空气供应阀6C。根据此实施例，在不涉及在燃料电池发电设备上的负载的条件下确定对催化部件4C的空气供应速率。在其它方面，一氧化碳去除装置中硬件的结构与参照第一实施例描述的结构相同。为了控制所供应的空气流量，控制器8执行图8所示的程序来代替图4所示的程序。
步骤S1和步骤S4与图4中所示的程序相同。
在步骤S1之后的步骤S12中，控制器7通过查阅预先存储在存储器中的具有图6B所示的特性的图，根据在燃料电池发电设备上的负载，确定对于空气供应阀6A和6B的各目标空气流量。
然后，在步骤S13中，调节空气供应阀6A和6B的开口程度，由此实现目标空气流量。在步骤S13的过程之后，控制器7执行在步骤S4中的过程。
根据此实施例，由于省略了空气供应阀6C，因此简化了一氧化碳去除装置的结构。
现在参考图9-11描述本发明的第三实施例。
在此实施例中，除了第一实施例的结构之外，设置了冷却装置，以便冷却催化部件4A-4C。
参见图9，冷却装置包括储存冷却剂的槽11、为槽11中的冷却剂进行加压的泵8、把从泵8中放出的冷却剂分布到催化部件4A-4C的冷却剂供应阀9A-9C、把已经冷却了催化部件4A-4C的冷却剂循环到槽11的循环通道12、以及使热量从在循环通道12中的冷却剂释放出来的散热器10。
当燃料电池发电设备被安装在车辆中作为动力源时，可以采用水作为催化部件4A-4C的冷却剂，在常规方式中人们已经采用水来冷却车辆的发动机。可以采用热交换器进行在冷却剂和燃料电池堆3之间的热交换，从而代替散热器10。
由泵8对槽11中的冷却剂进行加压，通过冷却剂供应阀9A-9C冷却各催化部件4A-4C。在冷却催化部件4A-4C之后，把冷却剂释放到普通的再生通道12中，在散热器10中把从催化部件4A-4C中吸收的热量散发掉。然后，循环至槽11。
泵8包括可变容量泵，在可变容量泵中，由控制器7控制容量，换句话说，控制释放流量。在催化部件4A-4C中产生的热量取决于在催化部件4A-4C中的氧化量。氧化量依次取决于对催化部件4A-4C的空气供应流量。因此，控制器7根据对于催化部件4A-4C的总空气供应流量来确定目标冷却剂释放流量。随后，为了获得目标冷却剂释放流量，对泵8的冷却剂释放流量进行控制。
控制器7利用以下描述的方法进一步确定供应到各催化部件4A-4C的目标冷却剂流量。参照图10A和10B，对各冷却媒质供应阀9A-9C的目标冷却剂供应流量进行设定，以便随着在燃料电池发电设备上的工作负载的降低而降低。为此，控制器7的存储器存储具有图10B中所示的特性的图。
然而，对此图进行设定，使得当在燃料电池发电设备上的工作负载降低时，对于下游催化部件4C的冷却剂分布率相应地提高。
接下来参考图11，描述在此实施例中用于由控制器7对空气供应流量和冷却剂供应流量进行控制的程序。与第一和第二实施例的情况相同，在燃料电池发电设备开始工作的同时启动此程序。
根据步骤S1-S4对空气供应流量的控制与在根据第一实施例的图4中的程序相同。换句话说，利用具有图3B中所示的图的特性的图控制各空气供应阀6A-6C的打开程度。
在步骤S3中控制了空气供应阀6A-6C的开口程度之后，控制器7进行至步骤S21，通过查阅预先存储在存储器中的具有图10B所示特性的图，根据在燃料电池发电设备上的负载，设定对于各冷却剂供应阀9A-9C的目标冷却剂供应流量。
然后在步骤S22中，控制器7控制各冷却剂供应阀9A-9C的打开程度，从而达到目标冷却剂供应流量。这种控制类似于空气供应阀6A-6C的控制，可通过实施开环控制或反馈控制进行。
在步骤S22的过程之后，控制器22以与第一实施例相同的方式执行步骤S4中的过程。
在此实施例中，由于冷却了催化部件4A-4C，因此可以不考虑在燃料电池发电设备上的负载抑制由于氧化反应引起的在催化部件4A-4C中温度的升高。因此，在不考虑抑制温度升高的情况下，同样可以确定供应到催化部件4A-4C的空气流量。
在此，把2002年2月8日在日本申请的特开2002-32383的内容引作参考。
虽然以上参照本发明的特定实施例描述了本发明，但是本发明并不限于上述实施例。根据上述技术，本领域的普通技术人员可以对上述实施例进行修改和变化。
申请的工业领域
如上所述，本发明有效预防了在用于重整气体的一氧化碳去除装置中的逆向转移反应。当重整气体的流量小时逆向转移反应容易在下游催化部件中发生。因此，当把本发明应用于其中重整气体的流量根据负载产生大波动的车用燃料电池发电设备中时，带来了特别显著的效果。
其中要求独占权或特权的本发明的实施例限定如下。

Claims (16)

1.一种一氧化碳去除装置，该装置利用氧化剂、通过以催化剂为媒质的氧化反应除去在重整气体中所含的一氧化碳，该装置包括：
存储催化剂并让重整气体通过的催化反应器(4)，该催化反应器(4)包括上游部分(4A)和下游部分(4B，4C)，相对于重整气体的流动下游部分(4B，4C)比上游部分(4A)设置得更下游一些；以及
控制在催化反应器(4)中的氧化反应的可编程控制器(7)，被编程为：
当重整气体的流量降至预定值(S2，S3，S12，S13)以下时，减小在上游部分(4A)中的氧化量相对于在下游部分(4B，4C)中的氧化量的比率。
2.根据权利要求1所限定的一氧化碳去除装置，其中一氧化碳去除装置进一步包括：把氧化剂分别供应到上游部分(4A)和下游部分(4B和4C)的氧化剂供应机构(6A-6C，15，16，18)，控制器(7)进一步被编程为：通过控制氧化剂供应结构(6A-6C，15，16，18)，降低在上游部分(4A)中的氧化量相对于在下游部分(4B，4C)中的氧化量的比率，由此降低氧化剂向上游部分(4A)的供应量相对于氧化剂向下游部分(4B，4C)的供应量的比率(S2，S3，S12，S13)。
3.根据权利要求2所限定的一氧化碳去除装置，其中氧化剂供应机构(6A-6C，15，16，18)包括氧化剂(16)供应通道和氧化剂供应阀(6A)，该供应阀把氧化剂从供应通道(16)分配到上游部分(4A)中，控制器(7)进一步被编程为：通过控制氧化剂供应阀(6A)的打开程度，降低在上游部分(4A)中的氧化量相对于在下游部分(4B，4C)中的氧化量的比率。
4.根据权利要求2或3所限定的一氧化碳去除装置，其中控制器(7)进一步被编程为，确定对于下游部分(4B，4C)的氧化剂目标供应量和对于上游部分(4A)的氧化剂目标供应量，使得流入下游部分(4B，4C)的一氧化碳量对应于下游部分(4B，4C)的氧化电位(S2，S12)，控制氧化剂供应机构(6A-6C，15，16，18)，使得氧化剂向下游部分(4B，4C)的供应量与氧化剂向下游部分(4B，4C)的目标供应量一致，并使得氧化剂向上游部分(4A)的供应量与氧化剂向上游部分(4A)的目标供应量一致(S3)。
5.根据权利要求2或3所限定的一氧化碳去除装置，其中控制器(7)进一步被编程为：确定在上游部分(4A)的氧化量相对于在下游部分(4B，4C)的氧化量的比率，由此防止由于在下游部分(4B，4C)的氧化反应引起的下游部分(4B，4C)的温度超过预定温度(S2)。
6.根据权利要求5所限定的一氧化碳去除装置，其中控制器(7)进一步被编程为：减少氧化剂向下游部分(4B，4C)的供应量，从而防止由于在下游部分(4B，4C)的氧化反应引起的下游部分(4B，4C)的温度超过预定温度(S2)。
7.根据权利要求2或3所限定的一氧化碳去除装置，其中在下游部分(4B，4C)的催化剂比在上游部分(4A)的催化剂具有更低的反应活性，控制器(7)进一步被编程为：控制氧化剂供应机构(6A-6C，15，16，18)，这样，不考虑重整气体的流量，氧化剂向下游部分(4B，4C)的供应量没有变化(S12)。
8.根据权利要求2或3所限定的一氧化碳去除装置，其中一氧化碳去除装置进一步包括冷却催化反应器(4)的冷却装置(8，9A-9C，10，11，12)。
9.根据权利要求8所限定的一氧化碳去除装置，其中冷却装置(8，9A-9C，10，11，12)包括：冷却剂供应阀(9A-9C)，能够单独地把冷却剂提供给下游部分(4B，4C)和上游部分(4A)，控制器(7)进一步被编程为：根据重整气体的流量确定冷却剂向上游部分(4A)的目标供应量和冷却剂向下游部分(4B，4C)的目标供应量(S21)，控制冷却剂供应阀(9A-9C)以使冷却剂向上游部分(4A)的供应量与冷却剂向上游部分(4A)的目标供应量一致、冷却剂向下游部分(4B，4C)的供应量与冷却剂向下游部分(4B，4C)的目标供应量一致。
10.根据权利要求2或3所限定的一氧化碳去除装置，其中控制器(7)被进一步编程为：随着重整气体的流量由预定值降低，进一步降低氧化剂向上游部分(4A)的供应量相对于氧化剂向下游部分(4B，4C)的供应量的比率(S2，S12)。
11.根据权利要求3所限定的一氧化碳去除装置，其中氧化剂是空气，氧化剂供应机构(6A-6C，15，16，18)包括压力调节机构，该机构把空气压力保持在固定压力。
12.根据权利要求2、3、11中任意一项所限定的一氧化碳去除装置，其中一氧化碳去除装置设置在通道(5A，5D)中，该通道把重整气体供应到燃料电池发电设备的燃料电池堆(3)，一氧化碳去除装置进一步包括：负载(load)检测传感器(17)，检测在燃料电池发电设备上的发电负载，作为表示重整气体流量的值；以及控制器(7)，控制器进一步被编程为：当发电负载降至预定负载以下时，降低在上游部分(4A)的氧化量相对于下游部分(4B，4C)的氧化量的比率(S2，S3，S12，S13)。
13.根据权利要求12所限定的一氧化碳去除装置，其中负载检测传感器(17)包括检测燃料电池堆(3)的输出电流的安培计(17)。
14.根据权利要求12所限定的一氧化碳去除装置，其中控制器(7)存储有图，该图根据在燃料电池发电设备上的发电负载预设出氧化剂向下游部分(4B，4C)的目标供应量和氧化剂向上游部分(4A)的目标供应量，该控制器进一步被编程为：通过查阅基于所检测出的发电负载的图，确定出氧化剂向下游部分(4B，4C)的目标供应量和氧化剂向上游部分(4A)的目标供应量(S2，S12)，控制氧化剂供应机构(6A-6C，15，16，18)，从而使氧化剂向上游部分(4A)的供应量与氧化剂向上游部分(4A)的目标供应量一致、氧化剂向下游部分(4B，4C)的供应量与氧化剂向下游部分(4B，4C)的目标供应量一致(S3，S13)。
15.一种一氧化碳去除装置，该装置利用氧化剂、通过以催化剂为媒质的氧化反应除去在重整气体中所含的一氧化碳，该装置包括：
存储催化剂并让重整气体通过的催化反应器(4)，该催化反应器(4)包括上游部分(4A)和下游部分(4B，4C)，相对于重整气体的流动下游部分(4B，4C)比上游部分(4A)设置得更下游一些；以及
装置(7，S2，S3，S12，S13)，用以控制在催化反应器(4)中的氧化反应，从而当重整气体的流量降至预定值以下时，降低在上游部分(4A)的氧化量相对于下游部分(4B，4C)的氧化量的比率。
16.一种一氧化碳去除方法，该方法通过以催化剂为媒质的氧化反应去除含在重整气体中的一氧化碳，该反应通过向催化反应器(4)提供氧化剂实现，该催化反应器(4)储存催化剂并允许重整气体通过，其中催化反应器(4)包括上游部分(4A)和下游部分(4B，4C)，相对于重整气体的流动，下游部分(4B，4C)比上游部分(4A)设置得更下游一些；该方法进一步包括：
对在催化反应器(4)中的氧化反应进行控制，以便当重整气体的流量降至预定值以下时，减小在上游部分(4A)中的氧化量相对于在下游部分(4B，4C)中的氧化量的比率(S2，S3，S12，S13)。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3870783B2 (ja) * 2001-12-27 2007-01-24 日産自動車株式会社 燃料電池自動車用排ガス浄化システムおよび燃料電池自動車の排ガスの浄化方法
JP3722079B2 (ja) * 2002-03-27 2005-11-30 日産自動車株式会社 一酸化炭素除去装置
US8927167B2 (en) * 2008-12-03 2015-01-06 Samsung Sdi Co., Ltd. Fuel cell system and driving method thereof
WO2011118158A1 (ja) * 2010-03-23 2011-09-29 パナソニック株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
JP5781810B2 (ja) * 2011-03-31 2015-09-24 大阪瓦斯株式会社 燃料電池システム
GB2508920A (en) * 2012-12-17 2014-06-18 Ibm Cooling of a memory device
RU2665564C1 (ru) * 2017-07-28 2018-08-31 Общество с ограниченной ответственностью "Инжиниринговый сервис и консалтинг" (ООО "ИнСК") Система для хранения топливных газов

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59213601A (ja) * 1983-05-19 1984-12-03 Mitsubishi Electric Corp 燃料電池の改質反応制御装置
US6010675A (en) * 1992-03-19 2000-01-04 International Fuel Cells Corp. Method of and apparatus for removing carbon monoxide from gaseous media
DE19544895C1 (de) * 1995-12-01 1997-02-27 Daimler Benz Ag Verfahren und Vorrichtung zur selektiven katalytischen Oxidation von Kohlenmonoxid
JPH10101302A (ja) * 1996-09-24 1998-04-21 Toyota Motor Corp 一酸化炭素濃度低減装置および一酸化炭素濃度低減方法
US6332901B1 (en) * 1998-10-12 2001-12-25 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Carbon monoxide reducing device for reducing carbon monoxide in a reformate gas
JP4193257B2 (ja) * 1998-12-02 2008-12-10 トヨタ自動車株式会社 Ｃｏ変成器及び水素発生装置

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