JP2000026104A - Co選択酸化器 - Google Patents

Co選択酸化器

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JP2000026104A
JP2000026104A JP10193167A JP19316798A JP2000026104A JP 2000026104 A JP2000026104 A JP 2000026104A JP 10193167 A JP10193167 A JP 10193167A JP 19316798 A JP19316798 A JP 19316798A JP 2000026104 A JP2000026104 A JP 2000026104A
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Japan
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heat transfer
cylindrical body
selective oxidation
reformed gas
air
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JP10193167A
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English (en)
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Sakae Chijiiwa
榮 千々岩
Minoru Mizusawa
実 水澤
Takenori Watabe
武憲 渡部
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IHI Corp
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IHI Corp
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 改質ガスの流れに空気を分散混入し、改質ガ
スの温度を所定範囲に維持できるようにしたCO選択酸
化器を提供する。 【解決手段】 内部を改質ガスが流れる円筒体11と、
この円筒体内に設けられ伝熱フィン13と伝熱媒体を流
す伝熱管12とから構成される伝熱部18と、この伝熱
部18を円筒体の一部とともに覆うように設けられた多
孔板17と、円筒体内に設けられ空気を噴出する多孔質
材よりなる空気管14と、伝熱管12と空気管14とを
支持し改質ガスを蛇行して流すじゃま板15と、フィン
13の間に充填されCOの選択酸化を促進する触媒16
と、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池の改質器
により生成された改質ガスのCOを選択酸化させるCO
選択酸化器に関する。
【0002】
【従来の技術】固体高分子型燃料電池(PEFC)は室
温でも発電でき、高い出力密度が得られることから、小
型の定置型、可搬電源や電気自動車用の電源として期待
されている。燃料電池は電池本体と、この電池本体に水
素を主とするガスを供給する改質器が主要機器を構成
し、燃料としてメタノール等が用いられている。改質器
は燃料を改質触媒の存在下で、水蒸気と接触反応させる
ことにより水素を主とする改質ガスに改質する。
【0003】メタノールと水蒸気の反応式は次のように
なる。 CH3 OH+H2 O→3H2 +CO2 …(1) この反応は250〜300℃で行われ、吸熱反応であ
る。改質触媒としてCuやZn系統が用いられる。
【0004】CO2 +H2 →CO+H2 O…(2) (1)式の反応と同時に(2)式の逆シフト反応も起こ
り、少量のCOが発生する。PEFCは低温動作である
ため、改質ガスに含まれるCOが少量であっても、燃料
電池の白金触媒がCO被毒(白金に強く吸着して水素の
反応を阻害する作用)を受けて電池の発電の障害とな
る。PEFCではこのCO被毒対策が、改質ガスを用い
る場合の最大の問題となっている。このため、改質ガス
に少量の空気を混入させて選択的にCOを酸化させる方
法、パラジウムの薄膜でCOを除去する方法、Pt−R
u合金触媒を燃料極に用いる方法などの対策が検討され
ているが、簡便で決定的な解決方法はまだ見いだされて
いない。
【0005】図7は従来用いられたCO選択酸化器を模
式的に示す。選択酸化触媒を充填した容器を複数直列に
配置し、各容器に改質ガスと選択酸化用の少量の空気を
供給する。COの酸化は発熱反応であり容器内の温度が
上昇すると改質ガスの主成分の水素ガスが燃焼してしま
うので、各容器の温度を水素ガスが燃焼しない温度、例
えば150℃前後に維持するため、冷却空気が伝熱管な
どの手段をもって流され、容器内の温度を調整している
のが一般的である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上述のCO選択酸化器
において、冷却が十分でない場合、容器内の温度をCO
の選択酸化に適した温度範囲に維持することが困難であ
り、局部的に温度の高くなるホットスポットが発生し、
COの選択酸化率が低下し、CO除去が不十分になり、
また、必要以上に水素が燃焼するため、燃料電池の発電
効率を低下させていた。
【0007】本発明は、上述の問題点に鑑みてなされた
もので、改質ガスの流れに空気を多段に混入し、改質ガ
スの温度を所定範囲に維持できるようにしたCO選択酸
化器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】上記目的を達成するた
め、請求項1の発明では、内部を改質ガスが流れる円筒
体と、この円筒体内に設けられた伝熱フィンと伝熱媒体
を流す伝熱管とから構成される伝熱部と、この伝熱部を
円筒体の一部とともに覆うように設けられた多孔板と、
円筒体内に設けられ空気を流出する多孔質材よりなる空
気管と、前記伝熱管と前記空気管とを支持し改質ガスを
蛇行して流すじゃま板と、を備え、前記伝熱フィンの間
にCOの選択酸化を促進する触媒を充填したことを特徴
とするCO選択酸化器。
【0009】改質ガスはじゃま板により蛇行しながら伝
熱フィンの間を流れ、伝熱フィンの間に充填されたCO
選択酸化触媒と十分に接触しながら流れる。これととも
に空気管の多孔より空気がじゃま板で仕切られた区画へ
流出され、蛇行して流れる改質ガスと混合してCO選択
酸化触媒内を流れる。伝熱管内には伝熱媒体が流れ、伝
熱媒体の温度を調整することにより改質ガスの温度をC
O選択酸化に適した温度範囲に均一に保持できる。これ
によりCOの選択酸化が適切に行われる。
【0010】請求項2の発明では、前記伝熱フィンの間
にCOの選択酸化を促進する触媒を充填することに代
え、前記伝熱フィン表面にCOの選択酸化を促進する触
媒を付着させる。
【0011】伝熱フィン表面にCOの選択酸化を促進す
る触媒を付着させることにより、触媒の温度をより精確
に管理することが可能になり、COの選択酸化をより適
切に実施するかとができる。
【0012】請求項3の発明では、内部を改質ガスが流
れる円筒体と、この円筒体内に設けられ伝熱媒体を流す
伝熱管と、この伝熱管を円筒体の一部とともに覆うよう
に設けられた多孔板と、円筒体内に設けられ空気を流出
する多孔質材よりなる空気管と、前記伝熱管と前記空気
管とを支持し改質ガスを蛇行して流すじゃま板と、前記
多孔板と円筒体の一部とで囲われた空間に充填されCO
の選択酸化を促進する触媒と、を備える。
【0013】改質ガスはじゃま板により蛇行しながら、
多孔板と円筒体の一部で覆われた空間に入り、その空間
内に設けられた伝熱管により温度調整され、充填された
CO選択酸化触媒と十分に接触して流れる。これととも
に空気管の多孔より空気がじゃま板で仕切られた区画へ
流出され、蛇行して流れる改質ガスと混合して前記空間
内に入り、COの選択酸化反応と一部の水素が燃焼反応
し発熱する。伝熱管内には伝熱媒体が流れ、伝熱媒体の
温度を調整することにより改質ガスの温度をCO選択酸
化に適した温度範囲に均一に保持できる。これによりC
Oの選択酸化が適切に行われる。
【0014】請求項4の発明では、前記空気管の多孔の
範囲を前記じゃま板によって区画される特定の区画のみ
とする。
【0015】空気管の多孔より吹き出す空気は、じゃま
板で仕切られる各区画毎に吹き出さなくても改質ガスに
混合できる場合があり、この場合空気を吹き出さない区
画を1区画毎とか2区画置きとか、任意の区画にする。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。図1はCO選択酸化器を用いた燃料
電池システムを示す。燃料電池システムは、燃料ガスと
水とから改質ガスを生成する改質器1と、改質ガスに含
まれるCOを選択酸化する選択酸化器2と、COを除去
した改質ガスと空気により電池反応を行い発電する燃料
電池3とから構成される。選択酸化器2には、改質ガス
と、改質ガス中に少量含まれるCOを選択酸化する空気
と、伝熱媒体が供給される。伝熱媒体は改質ガスをCO
選択酸化を行うのに適した温度、これは使用するCO選
択酸化触媒によっても異なるが、例えば150℃±10
℃に改質ガスの温度を維持するために用いられる。この
ため選択酸化器2には熱媒体循環ライン4が設けられ、
この熱媒体循環ライン4には伝熱媒体を循環させるポン
プ5と、伝熱媒体を所定の温度に維持するための冷却器
やヒータを備えた温度調整器が6が設けられている。伝
熱媒体の変わりに水蒸気などを用いることができる。
【0017】図2は第1実施形態のCO選択酸化器の構
成を示し、図3は図2のX−X断面図である。円筒体1
1の内部中央には伝熱管12が複数本配置され、この伝
熱管12には伝熱フィン13が設けられ伝熱部18を構
成している。円筒体11の上部と下部空間には空気管1
4が配置され、CO選択酸化に必要な空気を供給する。
じやま板15が間隔をおいて設けられ、円筒体11内部
を流れる改質ガスを蛇行して流すとともに、伝熱管1
2、空気管14を支持する。伝熱フィン13の間にはC
O選択酸化を促進する触媒16が充填されている。円筒
体11と伝熱管12とじゃま板15との構成はシェルア
ンドチューブ形の熱交換器に類似した構成となってい
る。
【0018】伝熱管12を流れる伝熱媒体は通常油を用
いるが、水蒸気なども用いられる。空気管14は、セラ
ミックスを焼結した多孔質材で構成され、空気がこの多
孔より流出するようになっている。
【0019】このように構成された選択酸化器の動作に
ついて説明する。改質ガスはじゃま板15によって仕切
られた区画を蛇行しながら流れ、伝熱フィン13と接触
してCO選択酸化を行うのに適した温度範囲、例えば、
150±10℃に調整される。空気管14の多孔からは
空気が選択酸化に必要な程度に流出し、改質ガスと混合
し、CO選択酸化触媒16の下で、COは酸化され、無
害なCO2 となる。改質ガスの温度を制御しているの
で、COの選択酸化性が高く、水素ガスの燃焼を最小限
に抑えることができる。
【0020】なお、伝熱フィン13の間にCO選択酸化
触媒16を充填する代わりに、伝熱フィン表面にCOの
選択酸化を促進する触媒を付着させるようにしてもよ
い。これにより、触媒の温度をより精確に管理すること
が可能になり、COの選択酸化をより適切に実施するか
とができる。
【0021】次に第2実施形態を図4を用いて説明す
る。図2と同一符号は同一のものを表す。第2実施形態
は、第1実施形態に対して空気管14を全て多孔質材で
構成せず、じゃま板15で仕切られる区画の1つ置き
に、多孔質材の配管とし、他は多孔質でない配管とした
ものである。このようにすることにより流入する空気量
を多孔質の表面積の大きさ、メッシュの選定で調整する
ことができる。なお、この多孔質材の配置は上下の空気
管14で千鳥状に配置してもよく、その配置は任意とす
ることができる。
【0022】次に第3実施形態を図5と図6を用いて説
明する。図5は第3実施形態の構成を示し、図6は図5
のY−Y断面図である。これらの図において、図2、図
3と同一符号は同一のものを表す。第3実施形態は、第
1実施形態に対して伝熱フィン13の代わりに、伝熱管
12の上部と下部に多孔板17を水平に設け、円筒体1
1の一部とで伝熱管12を覆い、この内部にCO選択酸
化触媒16を充填している。伝熱管12の数が同じであ
れば、伝熱フィン13に比べ伝熱性は劣るが、伝熱管1
2の数を増すことによりほぼ同じ伝熱性が得られる。伝
熱管12が多くなっても伝熱フィン13を設ける構造よ
り簡単な構造となる。CO選択酸化動作については、第
1実施形態と同じである。第3実施形態でも、第2実施
形態のように空気管14の多孔の位置を変えることがで
きる。
【0023】
【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
は、円筒内に伝熱管と多孔質材よりなる空気管を設け、
これをじゃま板で支持し、伝熱管の周囲にCO選択酸化
触媒を充填したので、改質ガスを選択酸化に適した温度
に保持して空気を供給することができ、COガスを確実
に選択酸化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】CO選択酸化器を備えた燃料電池システムを示
す図である。
【図2】本発明の第1実施形態の構成を示す図である。
【図3】図2のX−X断面図である。
【図4】本発明の第2実施形態の構成を示す図である。
【図5】本発明の第3実施形態の構成を示す図である。
【図6】図5のY−Y断面図である。
【図7】従来のCO選択酸化器の構成を示す図である。
【符号の説明】
1 改質器 2 選択酸化器 3 燃料電池 4 伝熱媒体循環ライン 5 ポンプ 6 温度調整器 11 円筒体 12 伝熱管 13 フィン 14 空気管 15 じゃま板 16 CO選択酸化触媒 17 多孔板 18 伝熱部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡部 武憲 東京都江東区豊洲3丁目1番15号 石川島 播磨重工業株式会社東二テクニカルセンタ ー内 Fターム(参考) 4G040 FA06 FB04 FC07 5H027 AA06 BA01 BA16

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内部を改質ガスが流れる円筒体と、この
    円筒体内に設けられた伝熱フィンと伝熱媒体を流す伝熱
    管とから構成される伝熱部と、この伝熱部を円筒体の一
    部とともに覆うように設けられた多孔板と、円筒体内に
    設けられ空気を流出する多孔質材よりなる空気管と、前
    記伝熱管と前記空気管とを支持し改質ガスを蛇行して流
    すじゃま板と、を備え、前記伝熱フィンの間にCOの選
    択酸化を促進する触媒を充填したことを特徴とするCO
    選択酸化器。
  2. 【請求項2】 前記伝熱フィンの間にCOの選択酸化を
    促進する触媒を充填することに代え、前記伝熱フィン表
    面にCOの選択酸化を促進する触媒を付着させたことを
    特徴とする請求項1記載のCO選択酸化器。
  3. 【請求項3】 内部を改質ガスが流れる円筒体と、この
    円筒体内に設けられ伝熱媒体を流す伝熱管と、この伝熱
    管を円筒体の一部とともに覆うように設けられた多孔板
    と、円筒体内に設けられ空気を流出する多孔質材よりな
    る空気管と、前記伝熱管と前記空気管とを支持し改質ガ
    スを蛇行して流すじゃま板と、前記多孔板と円筒体の一
    部とで囲われた空間に充填されCOの選択酸化を促進す
    る触媒と、を備えたことを特徴とするCO選択酸化器。
  4. 【請求項4】 前記空気管の多孔の範囲を前記じゃま板
    によって区画される特定の区画のみとしたことを特徴と
    する請求項1ないし3のいずれかに記載のCO選択酸化
    器。
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