JP2000016802A

JP2000016802A - 一酸化炭素除去器

Info

Publication number: JP2000016802A
Application number: JP10188468A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Yamanaka; 康朗山中; Minoru Mizusawa; 実水澤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1998-07-03
Filing date: 1998-07-03
Publication date: 2000-01-18

Abstract

(57)【要約】【課題】一酸化炭素選択酸化触媒をほぼ一定温度に
維持し、これにより、高い触媒活性を保持し、かつ水素
の消耗を最小限に抑えることができ、高い熱伝達率で
触媒を冷却することができ、これにより小型化が可能と
なり、更に冷却により除去した熱を有効活用すること
ができ、これにより全体の熱効率を高めることができ
る、一酸化炭素除去器を提供する。【解決手段】一酸化炭素選択酸化触媒１１が充填され
一酸化炭素と水素を含む改質ガス６が通過する触媒反応
室１２と、触媒反応室と隔壁１３を介して隣接した冷却
媒体室１４とを備える。冷却媒体室には、触媒の最低反
応温度以上に予熱した加圧水７ａが隔壁を覆うように供
給され、かつ冷却媒体室の圧力は、加圧飽和蒸気７ｂの
沸点温度が一酸化炭素選択酸化触媒の最適反応温度にな
るように設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一酸化炭素を選択的に
酸化除去する燃料電池用の一酸化炭素除去器に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池（Polymer Electr
olyte Fuel Cell:ＰＥＦＣ）は、図４の原理図に示すよ
うに、電解質にプロトン（Ｈ⁺）導電性を有する高分子
膜１を用い、この膜の両側に薄い多孔質Ｐｔ触媒電極２
（アノードとカソード）を付けた構造を有する。それぞ
れの電極にＨ₂およびＯ₂を供給し、室温〜１００℃前
後で動作させると、Ｈ₂はＨ₂極（アノード）でＨ⁺に
酸化され、Ｈ⁺は膜内を移動してＯ₂極（カソード）に
到達する。一方ｅ^-は外部回路を通って電気的な仕事を
したのち、Ｏ₂極に到達する。Ｏ₂極ではＯ₂が到達し
たＨ⁺およびｅ^-と反応してＨ₂Ｏに還元される。

【０００３】ＰＥＦＣの構造例を図５に示す。ＰＥＦＣ
は、セパレータ５の間に膜／電解質接合体４を挟んで１
つのセルが構成される。膜／電解質接合体４は、イオン
交換膜１の両面に、Ｐｔ黒又はＰｔ担持カーボンからな
る多孔質電極２と、カーボンペーパあるいはカーボン布
からなる支持集電体３を配置したものである。また、セ
パレータ５は、両面にガスを流す溝を有し、かつ内部に
冷却水を流す溝を有する導電性の板である。なお図５の
例では内部の冷却溝は２枚のセパレータを接合して構成
されている。

【０００４】セパレータ５と膜／電解質接合体４を交互
に複数積層することによりスタック（積層電池）が構成
される。ガスや冷却水のシールは、ゴムシートやテフロ
ンシートを間に挟んで行うことが多いが、イオン交換膜
の弾性を利用して、膜自身でシールする場合もある。ま
た、スタックの両端には金属の集電板（図示せず）を配
置して外部電流取出し端子とし、さらに絶縁板を介して
締付板を配置し、全体をボルト等で締め付けて一体化す
る。

【０００５】固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、一
酸化炭素に被毒されやすく、そのため、電池が許容でき
る１０〜１００ｐｐｍ程度まで一酸化炭素含有量を低減
する必要がある。そのため、従来の固体高分子型燃料電
池発電設備では、燃料電池の上流側に一酸化炭素除去器
を設けて一酸化炭素含有量を低減するようになってい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した燃料電池用の
一酸化炭素除去器は、内部に一酸化炭素選択酸化触媒を
充填し、触媒温度を運転に適した温度に保持しつつ、反
応（ＣＯ＋０．５Ｏ₂→ＣＯ₂）によって生じた熱を除
去する装置である。かかる一酸化炭素除去器として、例
えば特表平７−５０２２０５号の「水素含有ガス混合物
中の一酸化炭素を選択的に酸化する方法と装置」が提案
されていた。特表平７−５０２２０５号の装置では、触
媒温度を保持するために、熱媒体を循環させる手段が提
案されている。また、この他にも空冷により触媒温度を
保持する手段も知られている。

【０００７】しかし、一酸化炭素選択酸化触媒の最適温
度範囲は非常に狭く（例えば、１５０℃±１０℃程
度）、低すぎると活性が悪く、高すぎるとメタネーショ
ン等が生じて水素の消耗が著しくなることがわかった。
そのため、従来のように、空冷の場合、最適反応器温
度より低温の空気で冷却するため、部分的に過冷却にな
り活性が低下し、逆に部分的に反応が進んだ時に冷却し
きれない、問題点があった。また、除去した熱を有効に
利用できないため、全体の熱効率が低下する問題点があ
った。更に、空冷の場合には、熱伝達率が小さいため、
フィン等を用いた場合でも、装置が大型化する問題点が
あった。

【０００８】一方、特表平７−５０２２０５号のよう
に、熱媒体の循環により冷却する場合にも、熱伝達率が
比較的小さいため、伝熱面積を大きくし、かつ大量の熱
媒体を保有して循環量を大きくする必要がある。そのた
め、装置が大型化し、かつポンプ動力が大きい問題点が
あった。更に、部分的に反応が進んだ時には熱伝達率が
比較的小さいため冷却しきれず、メタネーション等が生
じて水素の消耗が著しくなる問題点があった。更に、熱
媒体の温度を一定に保持するために、ラジエター等で低
温空気を用いて冷却するため、除去した熱を有効に利用
できず、全体の熱効率が低下する問題点があった。

【０００９】本発明は上述した問題点を解決するために
創案されたものである。すなわち、本発明の主目的は、
一酸化炭素選択酸化触媒をほぼ一定温度に維持し、これ
により、高い触媒活性を保持し、かつ水素の消耗を最小
限に抑えることができる一酸化炭素除去器を提供するこ
とにある。また、本発明の別の目的は、高い熱伝達率で
触媒を冷却することができ、これにより小型化が可能な
一酸化炭素除去器を提供することにある。更に、本発明
の別の目的は、冷却により除去した熱を有効活用するこ
とができ、これにより全体の熱効率を高めることができ
る一酸化炭素除去器を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、一酸化
炭素選択酸化触媒（１１）が充填され一酸化炭素と水素
を含む改質ガス（６）が通過する触媒反応室（１２）
と、該触媒反応室と隔壁（１３）を介して隣接した冷却
媒体室（１４）とを備え、冷却媒体室には、前記触媒の
最低反応温度以上に予熱した加圧水（７ａ）が前記隔壁
を覆うように供給され、かつ冷却媒体室の圧力は、加圧
飽和蒸気（７ｂ）の沸点温度が一酸化炭素選択酸化触媒
の最適反応温度になるように設定されている、ことを特
徴とする一酸化炭素除去器が提供される。

【００１１】上記本発明の構成によれば、冷却媒体室
（１４）に触媒の最低反応温度以上に予熱した加圧水
（７ａ）が供給され、その加圧飽和蒸気（７ｂ）の沸点
温度が一酸化炭素選択酸化触媒の最適反応温度になるよ
うに設定されているので、隔壁（１３）を覆う加圧水の
温度を常に最低反応温度と沸点温度の間に保持すること
ができる。従って、液相温度は沸点以上にはなりえない
ので、部分的に反応が進んだ場合でも、その近傍の蒸発
量が増えることで常に隔壁全体を一定温度に維持した冷
却が確保され、これにより、高い触媒活性を保持し、か
つ水素の消耗を最小限に抑えることができる。また、冷
却媒体室に供給する加圧水（７ａ）も触媒の最低反応温
度以上に予熱されているので、隔壁の過冷却を防止でき
る。更に、冷却媒体室（１４）の隔壁（１３）における
伝熱は、加圧水が蒸発して加圧飽和蒸気になる沸騰伝熱
が主体となるので、通常の伝熱に比較して高い熱伝達率
で触媒を冷却することができ、これにより小型化が可能
になる。更にまた、冷却媒体室（１４）で発生した加圧
飽和水蒸気を例えば改質器への供給蒸気の一部として使
用することができるので、総合発電効率を高めることが
できる。

【００１２】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
隔壁（１３）は中空円筒形部材であり、前記触媒反応室
（１２）は、該隔壁の内側に隙間を隔てて設けられ外周
面に多数の貫通孔が分散して設けられた内管（１２ａ）
を有し、該隙間に一酸化炭素選択酸化触媒（１１）が充
填されており、前記冷却媒体室（１４）は、前記隔壁を
隙間を隔てて囲む外管（１４ａ）と、前記隔壁に密着し
て配置された多孔質部材（１４ｂ）とからなり、該多孔
質部材に加圧水が浸透して供給される。また、前記多孔
質部材（１４ｂ）は、隔壁（１３）を螺旋状に囲む螺旋
溝（１４ｃ）を有し、該螺旋溝に加圧水が供給され、多
孔質部材に浸透する、ことが好ましい。

【００１３】この構成により、内管（１２ａ）に改質ガ
ス（６）を供給することにより、内管の外周面に設けら
れた多数の貫通孔から一酸化炭素選択酸化触媒（１１）
に分散して改質ガス（６）を供給することができ、一酸
化炭素選択酸化触媒全体でおだやかな反応を行うことが
できる。また、冷却媒体室（１４）において、予熱され
た加圧水を螺旋溝（１４ｃ）を介して多孔質部材（１４
ｂ）全体に均等に浸透させることができる。更に、多孔
質部材自体が、隔壁に密着して配置され伝熱により最適
温度に保持されているので、浸透した加圧水を沸点温度
に短時間で加熱し、更に蒸発させてその空孔からスムー
スに排出することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通
する部分には同一の符号を付して使用する。図１は、本
発明による一酸化炭素除去器の原理図である。この図に
示すように、本発明の一酸化炭素除去器１０は、触媒反
応室１２と冷却媒体室１４とを備える。触媒反応室１２
には、一酸化炭素選択酸化触媒１１が充填され、一酸化
炭素と水素を含む改質ガス６が通過するようになってい
る。また、冷却媒体室１４は触媒反応室１２と隔壁１３
を介して隣接している。なお、この図で１６は給水予熱
器、１７は圧力調節弁である。更に、冷却媒体室１２に
は、給水予熱器１６で一酸化炭素選択酸化触媒１１の最
低反応温度以上に予熱した加圧水７ａが隔壁１３を覆う
ように供給される。また、この冷却媒体室１４の圧力
は、圧力調節弁１７により加圧飽和蒸気７ｂの沸点温度
が一酸化炭素選択酸化触媒の最適反応温度になるように
設定されている。一酸化炭素選択酸化触媒１１は、一酸
化炭素選択酸化反応（ＣＯ＋０．５Ｏ₂→ＣＯ₂）によ
って一酸化炭素を選択的に酸化させて除去する周知の触
媒である。この触媒は、ペレット、タブレット、円筒
形、円筒リング、球形、粉砕粒子、等のいずれの形状の
ものであってもよい。

【００１５】図２は、本発明による一酸化炭素除去器の
好ましい実施形態を示す構成図であり、（Ａ）は縦断面
図、（Ｂ）はＡ−Ａ線における断面図である。この図に
おいて、本発明の一酸化炭素除去器１０の隔壁１３は中
空円筒形部材であり、その上部から一酸化炭素を除去し
た改質ガスが燃料電池へ供給されるようになっている。
また、触媒反応室１２は、中空円筒形の隔壁１３の内側
に隙間を隔てて設けられた内管１２ａを有する。この内
管１２ａの上端は閉じられており、その内部に下方から
一酸化炭素と水素を含む改質ガス６が供給されるようち
なっている。更に、内管１２ａの外周面には多数の貫通
孔が分散して設けられている。また、内管１２ａと隔壁
１３との隙間に上述した一酸化炭素選択酸化触媒１１が
充填されている。この構成により、内管１２ａに改質ガ
ス（６）を供給することにより、内管１２ａの外周面に
設けられた多数の貫通孔から一酸化炭素選択酸化触媒１
１に分散して改質ガス６を供給することができる。

【００１６】また、図２に示すように、冷却媒体室１４
は、隔壁１３を隙間を隔てて囲む外管１４ａと、隔壁１
３に密着して配置された多孔質部材１４ｂとからなる。
更に、この多孔質部材１４ｂは、隔壁１３を螺旋状に囲
む螺旋溝１４ｃを有し、この螺旋溝１４ｃに加圧水７ａ
が供給され、螺旋溝を通って隔壁１３の外周面を覆って
加圧水７ａが供給され、次いで多孔質部材１４ｂに浸透
するようになっている。この構成により、冷却媒体室１
４において、予熱された加圧水を螺旋溝１４ｃを介して
多孔質部材１４ｂの全体に均等に浸透させることができ
る。更に、多孔質部材１４ｂ自体が、隔壁１３に密着し
て配置されかつ伝熱により最適温度に保持されているの
で、浸透した加圧水７ａを沸点温度に短時間で加熱し、
更に蒸発させてその空孔からスムースに排出することが
できる。

【００１７】図３は、一酸化炭素選択酸化触媒の特性図
である。この図において、横軸は触媒入口温度（℃）で
あり、縦軸は一酸化炭素（ＣＯ）とメタン（ＣＨ₄）の
出口濃度である。また、この図において○と●はＲｈ系
触媒、□と■はＲｕ系触媒である。この図から、Ｒｈ系
触媒の場合に、約１３０℃以上にすることにより、ＣＯ
濃度を１００ｐｐｍ以下にすることができ、かつ約１８
０℃以下でメタン（ＣＨ₄）の発生を抑制することがで
きる。従って、約１３０℃以上、約１８０℃以下に触媒
温度を保持する必要がある。同様に、Ｒｕ系触媒の場合
には、最適範囲は更に低く、約１５０℃±１０℃程度の
範囲でＣＯ濃度及びＣＨ₄濃度を低く抑制することがで
きる。水及び水蒸気の飽和蒸気表から、温度が１５０℃
における飽和蒸気圧力は、約４．９Kg/cm²A である。従
って、冷却媒体室１４の圧力を約４．９Kg/cm²A に設定
し、加圧飽和蒸気７ｂの沸点温度を一酸化炭素選択酸化
触媒１１の最適反応温度（例えば約１５０℃）に設定す
るのがよい。

【００１８】上述した本発明の構成によれば、冷却媒体
室１４に触媒１１の最低反応温度以上に予熱した加圧水
７ａが供給され、その加圧飽和蒸気７ｂの沸点温度が一
酸化炭素選択酸化触媒１１の最適反応温度になるように
設定されているので、隔壁１３を覆う加圧水７ａの温度
を常に最低反応温度と沸点温度の間に保持することがで
きる。従って、液相温度は沸点以上にはなりえないの
で、部分的に反応が進んだ場合でも、その近傍の蒸発量
が増えることで常に隔壁全体を一定温度に維持した冷却
が確保され、これにより、高い触媒活性を保持し、かつ
水素の消耗を最小限に抑えることができる。また、冷却
媒体室１４に供給する加圧水７ａが触媒１１の最低反応
温度以上に予熱されているので、隔壁１３の過冷却を防
止できる。更に、冷却媒体室１４の隔壁１３における伝
熱は、加圧水が蒸発して加圧飽和蒸気になる沸騰伝熱が
主体となるので、通常の伝熱に比較して高い熱伝達率で
触媒を冷却することができ、これにより小型化が可能に
なる。更にまた、冷却媒体室１４で発生した加圧飽和水
蒸気を例えば改質器への供給蒸気の一部として使用する
ことができるので、総合発電効率を高めることができ
る。

【００１９】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できる
ことは勿論である。例えば、上述の説明では、固体高分
子型燃料電池用の一酸化炭素除去器について詳述した
が、本発明はこれに限定されず、他の形式の燃料電池、
及び燃料電池以外にもそのまま適用することができる。

【００２０】

【発明の効果】上述したように、本発明の一酸化炭素除
去器は、一酸化炭素選択酸化触媒をほぼ一定温度に維
持し、これにより、高い触媒活性を保持し、かつ水素の
消耗を最小限に抑えることができ、高い熱伝達率で触
媒を冷却することができ、これにより小型化が可能とな
り、更に冷却により除去した熱を有効活用することが
でき、これにより全体の熱効率を高めることができる、
等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による一酸化炭素除去器の原理図であ
る。

【図２】本発明による一酸化炭素除去器の構成図であ
る。

【図３】一酸化炭素選択酸化触媒の特性図である。

【図４】固体高分子型燃料電池の原理図である。

【図５】固体高分子型燃料電池の構造図である。

【符号の説明】

１イオン交換膜（高分子膜）２電極３支持集電体４膜／電解質接合体５セパレータ６改質ガス７ａ加圧冷却水７ｂ加圧飽和蒸気１０一酸化炭素除去器１１一酸化炭素選択酸化触媒１２触媒反応室１２ａ内管１３隔壁１４冷却媒体室１４ａ外管１４ｂ多孔質部材１４ｃ螺旋溝１６給水予熱器１７圧力調節弁

フロントページの続きＦターム(参考） 4G040 FA06 FB04 FC07 4G070 AA01 BB03 CA03 CA25 CB18 CC03 DA23 5H027 AA06 BA01 BA16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一酸化炭素選択酸化触媒（１１）が充填
され一酸化炭素と水素を含む改質ガス（６）が通過する
触媒反応室（１２）と、該触媒反応室と隔壁（１３）を
介して隣接した冷却媒体室（１４）とを備え、冷却媒体室には、前記触媒の最低反応温度以上に予熱し
た加圧水（７ａ）が前記隔壁を覆うように供給され、か
つ冷却媒体室の圧力は、加圧飽和蒸気（７ｂ）の沸点温
度が一酸化炭素選択酸化触媒の最適反応温度になるよう
に設定されている、ことを特徴とする一酸化炭素除去
器。
【請求項２】前記隔壁（１３）は中空円筒形部材であ
り、前記触媒反応室（１２）は、該隔壁の内側に隙間を
隔てて設けられ外周面に多数の貫通孔が分散して設けら
れた内管（１２ａ）を有し、該隙間に一酸化炭素選択酸
化触媒（１１）が充填されており、前記冷却媒体室（１４）は、前記隔壁を隙間を隔てて囲
む外管（１４ａ）と、前記隔壁に密着して配置された多
孔質部材（１４ｂ）とからなり、該多孔質部材に加圧水
が浸透して供給される、ことを特徴とする請求項１に記
載の一酸化炭素除去器。
【請求項３】前記多孔質部材（１４ｂ）は、隔壁（１
３）を螺旋状に囲む螺旋溝（１４ｃ）を有し、該螺旋溝
に加圧水が供給され、多孔質部材に浸透する、ことを特
徴とする請求項２に記載の一酸化炭素除去器。