DE10211893A1

DE10211893A1 - CO-Umwandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10211893A1
Application number: DE10211893A
Authority: DE
Inventors: Takashi Ishikawa
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2002-03-18
Publication date: 2002-10-31
Also published as: JP2002274810A; US6805850B2; US20020141924A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine CO-Umwandlungsvorrichtung mit einem Hauptkörper, in dem ein Raum ist, der einen CO-Umwandlungskatalysator aufnimmt, wobei der Raum in einen Innenraum und in einen Außenraum eingeteilt ist, der den Innenraum umgibt; einem Einlassabschnitt, der an einem Endabschnitt des Innenraums ausgebildet ist, wobei dem Einlassabschnitt reformiertes Gas zugeführt wird, so dass das reformierte Gas durch den Innenraum strömt; einem Auslassabschnitt, der an einem Endabschnitt des Außenraums ausgebildet ist; und einem Umleitungsabschnitt, der zwischen dem anderen Endabschnitt des Innenraums und dem anderen Endabschnitt des Außenraums vorgesehen ist, wobei der Umleitungsabschnitt das in das andere Ende des Innenraums strömende reformierte Gas umkehrt, so dass das resultierende Gas durch den Außenraum strömt, um aus dem Auslassabschnitt ausgelassen zu werden, wobei das reformierte Gas durch den CO-Umwandlungskatalysator durch seine Bewegung durch den Innenraum und den Außenraum umgewandelt wird, um CO zu reduzieren.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG [Gebiet der Erfindung]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf eine CO-Umwandlungsvorrichtung, die Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid umwandelt.

[Stand der Technik]

Die Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2000-302405 offenbart eine derartige CO-Umwandlungsvorrichtung. Bei dieser CO-Umwandlungsvorrichtung tritt die folgende chemische Reaktion auf:
CO + H₂O ↔ H₂ + CO₂ + Q (Wärmeerzeugung).

Damit das CO gemäß der vorstehend genannten Reaktionsgleichung wirksam reagiert, muss die Reaktionstemperatur niedrig sein. Jedoch erhöht sich auf Grund der Wärmeerzeugungsreaktion bei fortschreitender Reaktion die Temperatur, was Schwierigkeiten beim Fortschreiten in nach rechts gerichteter Richtung der vorstehend genannten Reaktionsgleichung zur Folge hat.

Zusätzlich bewirkt eine Verringerung der Reaktionstemperatur eine langsame Reaktionsgeschwindigkeit, und um ein derartiges Phänomen zu vermeiden, muss die Kapazität der CO- Umwandlungsvorrichtung vergrößert werden.

Außerdem ist die vorstehend erwähnte CO-Umwandlungsvorrichtung an ihrer stromabwärtigen Seite mit einem Wärmetauscher versehen, und die Temperatur in der CO-Umwandlungsvorrichtung wird so gesteuert, dass das CO wirksam reduziert wird. Jedoch verkompliziert ein derartiger Aufbau ein Brennstoffzellensystem.

Somit besteht ein Bedarf daran, eine CO-Umwandlungsvorrichtung vorzusehen, die nicht die vorstehend genannten Nachteile hat.

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die CO-Umwandlungsvorrichtung Folgendes auf: einen Hauptkörper, in dem ein Raum ist, der einen CO-Umwandlungskatalysator aufnimmt, wobei der Raum in einen Innenraum und in einen Außenraum eingeteilt ist, der den Innenraum umgibt; einen Einlassabschnitt, der an einem Endabschnitt des Innenraums ausgebildet ist, wobei dem Einlassabschnitt ein reformiertes Gas zugeführt wird, so dass das reformierte Gas durch den Innenraum strömt; einen Auslassabschnitt, der an einem Endabschnitt des Außenraums ausgebildet ist; und einen Umleitungsabschnitt, der zwischen dem anderen Endabschnitt des Innenraums und dem anderen Endabschnitt des Außenraums vorgesehen ist, wobei der Umleitungsabschnitt das in das andere Ende des Innenraums strömende reformierte Gas umkehrt, damit das resultierende reformierte Gas durch den Außenraum hindurch strömt, so dass es aus dem Auslassabschnitt ausgelassen wird, wobei das reformierte Gas durch den CO-Umwandlungskatalysator während seiner Bewegung durch den Innenraum und den Außenraum umgewandelt wird, um CO zu reduzieren.

Gemäß einem zweiten Aspekt ist eine CO-Umwandlungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt so abgewandelt, dass der Hauptkörper aus einem Paar innere und äußere zylindrische Elemente gebildet ist, die eine gemeinsame Achse haben, wobei der Innenraum in dem inneren zylindrischen Element definiert ist und der Außenraum zwischen dem inneren und dem äußeren zylindrischen Element definiert ist.

Gemäß einem dritten Aspekt ist eine CO-Umwandlungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt so abgewandelt, dass an dem Umleitungsabschnitt kein Katalysator angebracht ist.

Gemäß einem vierten Aspekt ist eine CO-Umwandlungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt so abgewandelt, dass der Katalysator durch einen Satz bestehend aus einer Lochplatte und einer Siebplatte gestützt ist, wobei jedes Loch von jeder dieser Platten kleiner ist als ein Katalysatorpartikeldurchmesser.

Gemäß einem fünften Aspekt ist eine CO-Umwandlungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt so abgewandelt, dass eine Abwärmenutzungsvorrichtung vorgesehen ist, die die Gestalt eines Kanals hat, wobei der Kanal an einer Außenfläche an einer Außenwand des Hauptabschnitts ausgebildet ist, um während einer CO-Umwandlungsreaktion erzeugte Wärme durch ein Kühlmittel zu nutzen, wenn das Kühlmittel durch den Kanal hindurch tritt.

Gemäß einem sechsten Aspekt ist eine CO-Umwandlungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt so abgewandelt, dass eine Abwärmenutzungsvorrichtung vorgesehen ist, die die Gestalt eines Kanals hat, wobei der Kanal an einer Außenfläche einer Außenwand des Hauptabschnitts ausgebildet ist, um während einer CO- Umwandlungsreaktion erzeugte Wärme von einem Kühlmittel zu nutzen, wenn das Kühlmittel durch den Kanal hindurch tritt.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorstehend genannten und andere Gesichtspunkte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.

Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines Kraftstoffreformers, an dem eine CO-Umwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung angeschlossen ist;

Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einer Darstellung, wie Gase in einem Wärmetauscher des in der Fig. 1 gezeigten Kraftstoffreformers strömen;

Fig. 3 zeigt eine erläuternde Ansicht eines Querschnitts einer Außenrippe des Wärmetauschers des in Fig. 1 gezeigten Kraftstoffreformers;

Fig. 4 zeigt eine erläuternde Ansicht eines Querschnitts einer Röhre des Wärmetauschers des in der Fig. 1 gezeigten Kraftstoffreformers;

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Innenaufbaus des Wärmetauschers des in der Fig. 1 gezeigten Kraftstoffreformers;

Fig. 6 zeigt in einer perspektivischen Ansicht, wie ein Brenner, der Reformierabschnitt und der Wärmetauscher in dem Kraftstoffreformer angeordnet sind;

Fig. 7 zeigt in einer Blockdarstellung, wie reformiertes Gas in den in der Fig. 1 gezeigten Kraftstoffreformer strömt;

Fig. 8 zeigt eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A in der Fig. 7;

Fig. 9 zeigt eine Querschnittsansicht entlang einer Linie B-B in der Fig. 7;

Fig. 10 zeigt eine Querschnittsansicht einer CO- Umwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 11 zeigt eine erläuternde Ansicht einer Stützvorrichtung zum Stützen eines Katalysators;

Fig. 12 zeigt eine Querschnittsansicht einer ersten Abwandlung der in der Fig. 10 gezeigten CO-Umwandlungsvorrichtung;

Fig. 13 zeigt eine Querschnittsansicht einer zweiten Abwandlung der in der Fig. 10 gezeigten CO-Umwandlungsvorrichtung;

Fig. 14 zeigt eine grafische Darstellung von Versuchsergebnissen hinsichtlich einer Temperaturverteilung in der CO- Umwandlungsvorrichtung;

Fig. 15 zeigt eine grafische Darstellung eines Temperaturverlaufs in Abhängigkeit einer CO-Konzentration; und

Fig. 16 zeigt eine Darstellung eines anderen Kraftstoffreformers, an den die CO-Umwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung angeschlossen werden kann.

NÄHERE BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 10 einschließlich wird zunächst ein Kraftstoffreformer dargestellt, der einen Reformierabschnitt 2, der einen eine Flamme bildenden Brenner 1 umgibt, und einen Wärmetauscher 4 aufweist, der einen Wärmeaustausch zwischen Rohgas und reformiertem Gas bewirkt, das dem Reformierabschnitt 2 zugeführt wird bzw. von diesem ausgelassen wird. Der Kraftstoffreformer hat kennzeichnenderweise eine direkte Verbindung zwischen einem Abgasanschluss 22 des Reformierabschnitts 2 und einer Seite mit höherer Temperatur des Wärmetauschers 4.

Wie dies in der Fig. 1 gezeigt ist, hat der Kraftstoffreformer genauer gesagt den Flammenbildungsbrenner 1, den Reformierabschnitt 2, der aus einem Rutheniumkatalysator gebildet ist und dessen Abgasanschluss 22 in direktem Kontakt mit einer Seite mit höherer Temperatur des Wärmetauschers 4 ist, um diesem das reformierte Gas zuzuführen, den Wärmetauscher 4 zum Wärmetauschen des reformierten Gases von dem Reformierabschnitt 2 jeweils mit Rohgas und Dampf, und eine CO- Umwandlungsvorrichtung 5, die aus einem Katalysator aus einer Kupfer- und Zinkgruppe gebildet ist und der das dem Wärmeaustausch ausgesetzte reformierte Gas zugeführt wird.

Gemäß dem gegenwärtigen Aufbau ist der Reformierabschnitt 2 um den eine zylindrische Flamme bildenden Brenner 1 zentrisch angeordnet, der als ein zylindrischer Aufbau ausgebildet ist. Der Abgasanschluss 22 des Reformierabschnitts 2 ist in direktem Kontakt mit der Seite mit höherer Temperatur des Wärmetauschers 4, wodurch ein Kanal für eine Einführung des reformierten Gases in den Wärmetauscher 4 nicht erforderlich ist.

Außerhalb des Reformierabschnitts 2 ist ein Verdampfer 3 angeordnet, der den Dampf unter Verwendung des verbrannten Abgases erzeugt, das aus dem Erwärmen des Reformierabschnitts 2 resultiert.

Als der Wärmetauscher 4 wird ein Gegenstrom-Wärmetauscher aus Plattenrippen verwendet, da die Plattenrippe einen größeren Wärmeübertragungsbereich pro Flächeneinheit bewirkt und einen hohen Temperaturwirkungsgrad hinsichtlich einer Anforderung beim Absenken der Temperatur des reformierten Gases von ungefähr 650°C auf 200°C hat.

Der Wärmetauscher 4 hat eine Vielzahl Röhren 8, die aus rostfreiem Stahl geschaffen sind. Jede Röhre 8 hat einen rechteckigen Querschnitt (siehe Fig. 10(A)) oder einen ovalen Querschnitt (siehe Fig. 10(B)), und sie hat eine innere Rippe 81. Jede so aufgebaute Röhre 8 ermöglicht einen Durchlass des reformierten Gases, das von dem Reformierabschnitt 2 kommt. Ein Pfad ist zwischen zwei angrenzenden Röhren 8 definiert, in dem eine Rippe 9 eingeklemmt ist. Dieser Pfad ermöglicht einen Durchlass eines Industriegases oder eines Stadtgases als Rohgas und des Dampfes.

Bei dem vorstehend beschriebenen Wärmetauscher 4 ist ein Kernabschnitt durch die Röhren 8 und die Rippen 9 gebildet, der den Gegenstrom-Wärmetauscher aus Plattenrippen bildet.

Das reformierte Gas und Dampf bzw. Rohgas bewirken einen Wärmeaustausch untereinander, während sie in dem in den Fig. 2 bis 9 gezeigten Kreislauf strömen. Und zwar tritt das reformierte Gas, das von dem Reformer kommt, durch jede der Röhren 8 hindurch, während das Stadtgas 13A als das zu reformierende Rohmaterial und der Dampf durch jede der Rippen 9 hindurch treten, die jeweils zwischen zwei angrenzenden Röhren 8 angeordnet sind.

Zwischen der Innenfläche des Wärmetauschers 4 und der Außenfläche von jeder Röhre 8 ist ein Material aus rostfreiem Stahl angeordnet oder vorgesehen, um einen Strom des reformierten Gases um den Satz Röhren 8 zu ermöglichen und um auch eine Wärmeisolierung des reformierten Gases von der Außenseite des Wärmetauschers 4 einzurichten.

Die Kraftstoffreformiervorrichtung hat den vorstehend beschriebenen Aufbau entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und sie arbeitet folgendermaßen:
Das zu reformierende Rohmaterial, das heißt das Stadtgas 13A, dessen Hauptkomponente Methan ist, wird mit dem Dampf gemischt, der in dem Verdampfer 3 erzeugt wird, und nach einer Vorerwärmung auf ungefähr 500°C in dem Wärmetauscher 4 in den Reformierabschnitt 2 eingeführt. Das resultierende Gemisch bewirkt eine chemische Hauptreaktion und eine chemische Nebenreaktion, während es durch den Brenner 1 erwärmt wird.

[Chemische Hauptreaktion]

CH₄

+ H₂

O ↔ CO + 3H₂

[Chemische Nebenreaktion]

CO + H₂

O ↔ CO₂

+ H₂

In diesem Zustand wird die Ausbrandmenge des Brenners 1 eingestellt, um die Abgabetemperatur des reformierten Gases auf ungefähr 650°C einzustellen. Das resultierende Gas, das aus dem Reformierabschnitt 4 tritt, bewirkt einen Wärmeaustausch mit dem Rohgas, das auf eine Temperatur in einem Bereich von 200 bis ungefähr 250°C abzukühlen ist, und es bewirkt eine chemische Umwandlungsreaktion in der Umwandlungsvorrichtung 5, die ähnlich ist wie die vorstehend erwähnte chemische Nebenreaktion. Nach Beendigung einer derartigen Co-Umwandlung hat sich die CO- Zusammensetzung auf weniger als oder genau auf 1% reduziert.

Der Kraftstoffreformer gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat den eine Flamme bildenden Brenner 1; den Reformierabschnitt 2, der den Brenner 1 umgibt, einen Abgasanschluss hat und das reformierte Gas aus dem Abgasanschluss auslässt; und den Wärmetauscher 4 mit einer Seite mit höherer Temperatur, wobei die Seite mit höherer Temperatur in direktem Kontakt mit dem Abgasanschluss des Reformierabschnitts 2 ist und der Wärmetauscher 4 einen Wärmeaustausch zwischen dem reformierten Gas und dem Rohgas bewirkt. Somit ist eine direkte Verbindung des Abgasanschlusses des Reformierabschnittes 2 mit der Seite mit höherer Temperatur des Wärmetauschers 4 eingerichtet, was eine im wesentlichen einstückige Ausbildung des Reformierabschnitts 2 mit dem Wärmetauscher 4 bewirkt, was zu einer Möglichkeit zum Verringern des Wärmeverlusts an einem Pfad von dem Reformierabschnitt 2 zu dem Wärmetauscher 4 resultiert.

Bei der Reformiervorrichtung ist der Reformierabschnitt 2 zentrisch zu dem Brenner 1 angeordnet, das dem Wärmeaustausch ausgesetzte Rohgas strömt jeweils in äußeren und inneren Umfangsbereichen des Reformierabschnitts 2 jeweils in axial entgegengesetzten Richtungen. Somit kann die Verbrennungswärme von dem Brenner 1 wirksam zu dem Reformierabschnitt übertragen werden.

Zusätzlich ist der Verdampfer 3 in dem Kraftstoffreformer außerhalb des Reformierabschnitts angeordnet, der den Dampf durch Wärme aus dem Abgas erzeugt. Somit kann das Erzeugen des Dampfes in dem Verdampfer 3 nach einem wirksamen Wärmeübergang von dem Brenner 1 zu dem Reformierabschnitt 2 bewirkt werden, was zu einem viel wirksameren Reformiervorgang resultiert.

Der Wärmetauscher 4 in dem Kraftstoffreformer ist in der Gegenstrom-Bauart ausgeführt und mit einer Metallplatte der Plattenrippenbauart zum Beispiel aus rostfreiem Stahl ausgebildet, der Dampf wird zusammen mit dem Rohgas einem Wärmeaustausch mit dem reformierten Gas ausgesetzt, wobei das resultierende Gas und das Rohgas dem Reformierabschnitt zugeführt werden. Somit können ein relativ großer Wärmeübergangsbereich pro Flächeneinheit sowie eine wirksamerere Konvektion verwirklicht werden, was einen wirksamen Wärmeaustausch jeweils zwischen dem reformierten Gas und Dampf und Rohgas ermöglicht. Zusätzlich werden das resultierende Gas oder der dem Wärmeaustausch ausgesetzte Dampf und das Rohgas dem Reformierabschnitt zugeführt, was einen viel wirksameren Reformiervorgang ermöglicht.

Zusätzlich hat der Wärmetauscher 4 in dem Kraftstoffreformer eine Vielzahl Röhren 8, wobei in jeder Röhre 8 eine Vielzahl Rippen 9 vorgesehen ist, das reformierte Gas durch die Röhren 8 hindurchströmt und sowohl der Dampf als auch das Rohgas durch einen Kanal hindurchströmen, der zwischen den Röhren 8 definiert ist. Somit kann das reformierte Gas einem wirksamen Wärmeaustausch 4 jeweils mit dem Dampf und dem Rohgas ausgesetzt werden.

Außerdem ist das Material aus rostfreiem Stahl des Kraftstoffreformers in dem Wärmetauscher 4 vorgesehen, was eine Strömung des reformierten Gases entlang den Röhren 8 gewährleistet und eine Wärmeisolierung von jeder Röhre 8 von der Außenseite des Wärmetauschers 4 einrichtet.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 10 hat die CO- Umwandlungsvorrichtung 5 einen Hauptkörper 501, der aus einem inneren zylindrischen Element 503 und einem äußeren zylindrischen Element 505 gebildet ist, die koaxial angeordnet sind. In dem inneren zylindrischen Element 503 ist ein Innenraum definiert, während ein Außenraum zwischen dem inneren zylindrischen Element 503 und dem äußeren zylindrischen Element 505 definiert ist. Ein Einlassabschnitt 507 ist an einem unteren Ende des inneren zylindrischen Elementes 503 zum Einführen des den Dampf enthaltenden reformierten Gases von dem Wärmetauscher 54 in den Innenraum ausgebildet.

In dem Innenraum ist ein Katalysator 900 in der Gestalt einer Vielzahl Partikel (d. h. ein Pellet-Katalysator) so vorgesehen, dass der CO-Katalysator zwischen einem Paar vertikal beabstandete Stützplatten 510 gehalten ist. Wie dies klar in der Fig. 11 gezeigt ist, hat die Stützplatte 510 eine Lochplatte 512, in der sehr kleine Löcher und Partikel gleichmäßig angeordnet sind, und eine Drahtplatte 514, deren Siebdurchmesser kleiner ist als ein Durchmesser der Partikel. Der Kontakt der Drahtplatte 514 mit dem Katalysator 900 führt zu einer behutsamen Strömung des reformierten Gases in den Katalysator 900, so dass die Katalysatorpartikel nicht durch die Löcher der Lochplatte 512 hindurch treten können. Die Lachplatte 512 hat ein Öffnungsbereichsverhältnis von 40%. Die Drahtplatte 514 ist durch vermaschte Drähte gebildet, die jeweils einen Siebdurchmesser von 0,43 mm haben. In dem Außenraum ist der Katalysator 900 außerdem durch eine ringförmige Stützplatte 518 gestützt, die abgesehen von einer ebenen Form gleich ist wie die Stützplatte 510.

Jeweilige obere Abschnitte des inneren zylindrischen Elements 503 und des äußeren zylindrischen Elements 505 sind durch einen Umleitungsabschnitt 520 verbunden, dessen Innenraum keinen Katalysator hat. Das reformierte Gas, das den Umleitungsabschnitt 520 erreicht, nachdem es durch den Katalysator 900 in dem Innenraum hindurch getreten ist, wird an der Wand 522 umgekehrt, und das resultierende reformierte Gas tritt in dem Außenraum durch den Katalysator 900 hindurch. Dann wird das reformierte Gas aus einem Auslass 530 ausgelassen, der an einem unteren Ende des äußeren zylindrischen Elementes 505 so ausgebildet ist, dass sich der Auslass 530 horizontal erstreckt, da er durch eine Wand 509 und die Stützplatte 518 definiert ist.

Während das reformierte Gas durch den Katalysator 900 in dem Innenraum des Hauptkörpers 501 hindurchströmt, bis es den Umleitungsabschnitt 520 erreicht, tritt die folgende chemische Reaktion in der nach rechts gerichteten Richtung auf:
CO + H₂O ↔ H₂ + CO₂ + Q (Wärmeerzeugung).

Während der Aufwärtsbewegung des reformierten Gases in dem Katalysator 900 in dem Innenraum tritt ein Temperaturgradient dergestalt auf, dass sich die Temperatur an radial inneren und äußeren Abschnitten in dem Innenraum erhöht bzw. erniedrigt. Sobald das reformierte Gas sich in dem Umleitungsabschnitt 520 bewegt, wird ein derartiges Ungleichgewicht jedoch ausgleichend korrigiert. Wenn zusätzlich das reformierte Gas an einer Wand des Umleitungsabschnittes 520 stößt, dann tritt an dieser eine Wärmeabstrahlung mit einer höheren Wärmeübergangsrate auf. Somit kann die während der vorstehend genannten chemischen Reaktion erfolgte Wärme aus dem Hauptkörper 501 gestrahlt werden, was den Gleichgewichtszustand der vorstehend genannten chemischen Reaktion in der nach rechts gerichteten Richtung verschiebt, wodurch die Umwandlungsreaktion fortschreitet, um CO weiter zu reduzieren.

Wie dies vorstehend beschrieben ist, kann die Umwandlungsreaktion nahe der Einlassseite der CO- Umwandlungsvorrichtung 5 mit höherer Geschwindigkeit fortschreiten, während die Temperatur auf einem hohen Niveau gehalten wird. Andererseits kann die Umwandlungsreaktion nahe der Auslassseite der CO-Umwandlungsvorrichtung 5 fortschreiten, während die Wärmeabstrahlung nach außen bewirkt wird und die Temperatur des reformierten Gases abgesenkt wird, was eine Verschiebung des Gleichgewichtszustands der vorstehend genannten chemischen Reaktion in der nach rechts gerichteten Richtung ermöglicht. Somit kann die CO-Konzentration an dem Auslassanschluss 530 auf ein niedriges Niveau gehalten werden.

Die CO-Umwandlungsvorrichtung 5 mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau bewirkt, dass eine Verringerung der Temperaturverteilung in dem Katalysator 900 allmählich auf Temperaturen von ungefähr 120 bis 200°C beginnt, nachdem die Strömung des reformierten Gases umgekehrt wurde. Dies ist aus der in der Fig. 14 gezeigten grafischen Darstellung ersichtlich, die Versuchsergebnisse darstellt. In der grafischen Darstellung entsprechen die Buchstaben A, B, C und D Messpunkten A, B, C und D gemäß der Fig. 10.

Die Fig. 15 zeigt eine Beziehung zwischen der CO-Konzentration und der Umwandlungstemperatur, die mittels Versuche erhalten wurde, die bei den folgenden Bedingungen ausgeführt wurden:

- S/C = 3, wobei S/C ein Verhältnis von Kohlenstoff im Dampf relativ zu Kohlenstoff in reformiertem Gas darstellt.
- Temperatur des reformierten Gases an dem Auslass des Reformers 2: 680 ± 15°C.

Wie dies aus der grafischen Darstellung offensichtlich ist, wird die CO-Konzentration annähernd auf die Gleichgewichtskonzentration reduziert.

Es ist zu beachten, dass bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau eine Heizvorrichtung 550 entlang einer Achse des Innenraums vorgesehen ist, um eine frühe aktive Temperatur des Katalysators 900 zu erzielen.

Wie dies in den Fig. 12 und 13 gezeigt ist, sind Kühlvorrichtungen 530 zusätzlich an dem Umleitungsabschnitt vorgesehen, und sie sind jeweils an einer Außenfläche einer Außenwand des Hauptabschnitts 501 vorgesehen. Die Kühlvorrichtung 530 ist so gestaltet, dass ein Kühlmittel durch seinem Innenkanal hindurch tritt, um so eine Abwärmenutzung von der Wärmeerzeugung während der CO-Umwandlungsreaktion zu bewirken. Als das Kühlmittel kann die dem Brenner 51 zugeführte Luft, der Kraftstoff und das Rohmaterial des reformierten Gases ausgewählt werden.

Es ist zu beachten, dass die CO-Umwandlungsvorrichtung 5 an einen Kraftstoffreformer angeschlossen werden kann, der in der Fig. 16 dargestellt ist. Dieser Kraftstoffreformer ist gleich wie der vorstehend beschriebene Kraftstoffreformer, außer dass in den Verdampfer 3 einzuführendes Wasser durch einen Kanal 31 hindurch tritt, der spiralförmig an dem Reformierabschnitt 2 angeordnet oder gewickelt ist. Nachfolgend werden nur derartige Hauptunterschiede und andere dazugehörige kleinere Unterschiede beschrieben.

Bei einer PEFC-Brennstoffzelle 7, die Erdgas verwendet, soll die CO-Zusammensetzung des in die Brennstoffzelle 7 einzuführenden Erdgases so begrenzt werden, dass sie gleich wie oder kleiner als 10 ppm beträgt, um eine mögliche CO-Vergiftung zu beschränken. Somit ist ein selektiver Oxidationsabschnitt 6, der aus einem Rutheniumkatalysator ausgebildet ist, nach der Umwandlung vorgesehen, um die CO-Zusammensetzung so zu reduzieren, dass sie gleich wie oder kleiner als 10 ppm beträgt, indem die folgende chemische Reaktion bewirkt wird:
CO + (1/2)O₂ → CO₂.

In dem Abgas ist eine Wasserstoffgasmenge enthalten, da die tatsächliche verbrauchte Wasserstoffmenge so groß ist wie 90-95% der in die Brennstoffzelle 7 eingeführten Wasserstoffgasmenge. Dieses verbleibende Gas, d. h. das Abgas der Anodenelektrode der Brennstoffzelle 7, wird als ein Teil des in dem Brenner 1 zu verbrennenden Kraftstoffes verwendet, der in dem Reformierabschnitt 2 angeordnet ist.

Andererseits wird das Wasser dem Verdampfer 3 mittels des Kanals 31 zugeführt, der spiralförmig an der Außenwand 21 des Zylinderabschnitts 20 angeordnet ist, so dass das Wasser auf eine gewisse Temperatur während seiner Bewegung in dem Kanal 31 erhitzt oder erwärmt wird. Die Außenwand 21 definiert darin einen Strömungspfad, der eine Bewegung des von dem Brenner 1 kommenden Abgases nach oben oder nach unten an dessen Innenabschnitt bzw. Außenabschnitt ermöglicht.

Bei der gegenwärtigen Vorrichtung wird die von dem Reformierabschnitt 2 abgestrahlte Wärme gesammelt, da der Kanal 31 spiralförmig um den Reformierabschnitt 2 angeordnet ist, was den Wärmewirkungsgrad weiter verbessert.

Die Erfindung wurde somit unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsbeispiele beschrieben, es sollte jedoch klar sein, dass die Erfindung keineswegs auf die Einzelheiten der dargestellten Aufbauten beschränkt ist, sondern dass Änderungen und Abwandlungen geschaffen werden können, ohne den Umfang der beigefügten Ansprüche zu verlassen.

Die vorliegende Erfindung offenbart eine CO- Umwandlungsvorrichtung mit einem Hauptkörper, in dem ein Raum ist, der einen CO-Umwandlungskatalysator aufnimmt, wobei der Raum in einen Innenraum und in einen Außenraum eingeteilt ist, der den Innenraum umgibt; einem Einlassanschluss, der an einem Endabschnitt des Innenraums ausgebildet ist, wobei dem Einlassabschnitt ein reformiertes Gas zugeführt wird, so dass das reformierte Gas durch den Innenraum hindurch strömt; einem Auslassanschluss, der an einem Endabschnitt des Außenraums ausgebildet ist; und einem Umleitungsabschnitt, der zwischen dem anderen Endabschnitt des Innenraums und dem anderen Endabschnitt des Außenraums vorgesehen ist und das reformierte Gas umkehrt, das in das andere Ende des Innenraums strömt, so dass das resultierende reformierte Gas durch den Außenraum hindurchströmt, um aus dem Auslassabschnitt ausgelassen zu werden, wobei der CO-Umwandlungskatalysator das reformierte Gas umwandelt, während es sich durch den Innenraum und den Außenraum bewegt, um CO zu reduzieren.

Claims

1. CO-Umwandlungsvorrichtung mit:
einem Hauptkörper, in dem ein Raum ist, der einen CO- Umwandlungskatalysator aufnimmt, wobei der Raum in einen Innenraum und in einen Außenraum eingeteilt ist, welcher den Innenraum umgibt;
einem Einlassabschnitt, der an einem Endabschnitt des Innenraums ausgebildet ist, wobei dem Einlassabschnitt ein reformiertes Gas zugeführt wird, so dass das reformierte Gas durch den Innenraum strömt;
einem Auslassabschnitt, der an einem Endabschnitt des Außenraums ausgebildet ist; und
einem Umleitungsabschnitt, der zwischen dem anderen Endabschnitt des Innenraums und dem anderen Endabschnitt des Außenraums vorgesehen ist und das in das andere Ende des Innenraums strömende reformierte Gas umkehrt, so dass das resultierende reformierte Gas durch den Außenraum strömt, um aus dem Auslassabschnitt ausgelassen zu werden, wobei das reformierte Gas durch den CO-Umwandlungskatalysator während seiner Bewegung durch den Innenraum und den Außenraum umgewandelt wird, um CO zu reduzieren.

2. CO-Umwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Hauptkörper aus einem Paar innere und äußere zylindrische Elemente gebildet ist, die eine gemeinsame Achse haben, wobei der Innenraum in dem inneren zylindrischen Element definiert ist und der Außenraum zwischen dem inneren zylindrischen Element und dem äußeren zylindrischen Element definiert ist.

3. CO-Umwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei in dem Umleitungsabschnitt kein Katalysator ist.

4. CO-Umwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Katalysator durch einen Satz bestehend aus einer Lochplatte und einer Siebplatte gestützt ist, wobei jedes Loch von jeder der Platten kleiner ist als ein Katalysatorpartikeldurchmesser.

5. CO-Umwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei eine Abwärmenutzungsvorrichtung vorgesehen ist, die die Gestalt eines Kanals hat, wobei der Kanal an einer Außenfläche einer Außenwand des Hauptabschnitts ausgebildet ist, um während einer CO- Umwandlungsreaktion erzeugte Abwärme durch ein Kühlmittel zu nutzen, wenn das Kühlmittel durch den Kanal hindurch tritt.

6. CO-Umwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei eine Abwärmenutzungsvorrichtung vorgesehen ist, die die Gestalt eines Kanals hat, wobei der Kanal an einer Außenfläche einer Außenwand des Hauptabschnitts ausgebildet ist, um während einer CO- Umwandlungsreaktion erzeugte Abwärme durch ein Kühlmittel zu nutzen, wenn das Kühlmittel durch den Kanal hindurch tritt.