JP2001023675A - 水性ガスシフト反応器ウォームアップ - Google Patents

水性ガスシフト反応器ウォームアップ

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タイチャン・ピー・ユ
Michael R Schoeneweiss
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 ＰＥＭ燃料電池システムにおいて、水性ガス
シフト反応器のウォームアップを促進する。 【解決手段】 水性ガスシフト反応器が燃料電池システ
ムの始動に際しその標準作動温度にまでウォームアップ
される間に、水性ガスシフト反応器の触媒床全体にわた
って少量の酸素を注入するための方法および装置。注入
されたＯ２はＨ２に富む燃料ガス中のＣＯと発熱反応し
て、（１）触媒床内で熱を発生し、これが触媒床のウォ
ームアップを促進し、かつ（２）望ましくないＣＯの一
部を消費し、これにより、ウォームアップ期間中のシフ
ト反応器の排出ガスは、Ｏ２を注入しなかった場合より
ＣＯ含量が低い。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＰＥＭ燃料電池シ
ステムにおいて、水性ガスシフト反応器のウォームアッ
プを促進する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池はそれに外部から供給された反
応体から電気化学的に電気を発生させるものであり、内
燃機関に代わる、またはそれを補足するものとして、車
両用発電装置(electrical vehicular power plant)を含
めた多数の用途のために提唱されている。水素がしばし
ば燃料として用いられ、燃料電池のアノードに供給され
る。酸素（空気として）を酸化剤として用い、燃料電池
のカソードに供給する。車両用としては、水素燃料電池
は接触燃料プロセス反応器内で液体炭化水素燃料（たと
えばメタノールまたはガソリン）から得ることができ
る。たとえばメタノールの場合、スチームリホーマーと
して知られる接触反応器内でメタノールと水（蒸気）を
恒温条件下に反応させると、下記の理想吸熱反応に従っ
て水素と二酸化炭素が生成する： ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋３Ｈ2 この反応は、メタノール燃焼および／または水素燃焼型
の燃焼器からの排気ガスにより加熱されるスチームリホ
ーマー内で行われ、実際には水素、二酸化炭素、一酸化
炭素および水を含むリホーミングガスが得られる。その
ようなリホーマーの１つが米国特許第４，６５０，７２
７号（バンデルボルグ）に記載され、そのような燃焼器
の１つが出願中の米国特許出願第０８／９７５，４２２
および０８／９８００８７号（ウィリアム・プチ名で１
９９７年１２月出願、本出願の譲受人であるゼネラル・
モーターズ社に譲渡）に記載されている。残念ながらこ
のリホーマーから排出するリホーミング生成物(reforma
te)／排出物は、不都合な量の一酸化炭素を含有する。
これは燃料電池の触媒に対し有害であり、除去するか、
またはきわめて低い濃度（すなわち約０．００００５モ
ル分率）に低下させなければならない。
【０００３】リホーミング生成物の一酸化炭素（ＣＯ）
含量を、いわゆる“水性ガスシフト(water-gas shif
t)”反応により低下させうることは知られている。これ
は、リホーマー自体の中で（リホーマーの作動条件に依
存する）、またはより一般的にはリホーマーの下流にあ
る１以上の別個のシフト反応器内で行うことができる。
水性ガスシフト反応器においては、水（すなわちスチー
ム）とリホーミング生成物中の一酸化炭素が下記の理想
発熱シフト反応に従って反応する： ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2 既知の様式の１つでは、第１シフト反応器（すなわち２
反応器系列における）は高温断熱シフト反応器であり、
ここにリホーミング生成物が第１温度で進入し、これよ
りやや高い温度で排出する。次いでリホーミング生成物
は冷却されて第２シフト反応器に進入する。これは恒温
低温シフト反応器であり、ここではリホーミング生成物
の進入温度と排出温度が本質的に同じである。この（こ
れらの）シフト反応器には触媒床が収容され、これを通
ってリホーミング生成物が流れ、これにスチームが添加
される。高温シフト反応器は約３５０〜４５０℃で作動
し、一般に非貴金属触媒、たとえばＦｅ3Ｏ4とＣｒ2Ｏ3
の混合物（すなわち約５５重量％のＦｅと６％のＣｒ）
が用いられる。これに対し低温シフト反応器は約２００
〜２６０℃で作動し、非貴金属触媒、たとえばＣｕ−Ｚ
ｎＯ−Ａｌ2Ｏ3またはＣｕ−ＺｎＯ−Ｃｒ2Ｏ3が用いら
れる。
【０００４】若干のＣＯがなお水性ガスシフト反応で残
存し、リホーミング生成物を燃料電池触媒に有害な作用
を及ぼすことなく燃料電池に使用できるまでには、さら
にその濃度を低下させる必要がある（すなわち０．００
００５モル分率未満）。シフト反応器から排出するＨ2
に富むリホーミング生成物をいわゆる“ＰｒＯｘ”（す
なわち優先酸化(preferential oxidation)）反応におい
て、約２１０〜２６０℃の温度で空気と選択的に反応さ
せることにより、そのＣＯ含量をさらに低下させること
が知られている。この反応は貴金属触媒を用いてＰｒＯ
ｘ反応器内で行われる。ＰｒＯｘ反応器においては、Ｈ
2の存在下で、ただし実質量のＨ2を消費／酸化せずに、
空気がＣＯを優先的に酸化する。ＰｒＯｘ反応は発熱性
であり、下記に従って進行する： ＣＯ＋１／２Ｏ2→ＣＯ2 この系が定常状態に達し、ＣＯ濃度が十分に低いとき、
ＰｒＯｘ反応器排出物を燃料電池に供給する。ＣＯ濃度
が十分に低くなるまでは、ＰｒＯｘ排出物は燃料電池を
分枝(shunt)し、一時的にシステム内の他の箇所で使用
される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】車両用燃料電池発電装
置システムの要件の１つは、システムを運転停止状態か
ら速やかに始動させる必要があることである。これに
は、システムの各種部品の作動温度、および燃料電池に
供給されるＨ2燃料流の質（すなわち低いＣＯ含量）に
速やかに達し、したがって短期間で車両を使用できる状
態になることが要求される。水性ガスシフト反応器は一
般にかなり大型であり、著しい量の触媒を収容し、適温
になるまで外部加熱される。その結果、水性ガスシフト
反応器が燃料電池システムの始動に際し周囲より高い(s
uperambient)好ましい作動温度にまで高まるにはしばら
くかかる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、（１）低温水
性ガスシフト反応器を、それが用いられている燃料電池
システムの停止後に反応器の作動温度にまで高める速
度、および（２）シフト反応器が低ＣＯ含量のＨ2に富
む燃料ガスをＰｒＯｘ反応器へ供給する時点に達する速
度を、促進する方法を包含する。より詳細には本発明
は、水性ガスシフト反応器が燃料電池システムの始動に
際しその標準作動温度にまでウォームアップされる間
に、水性ガスシフト反応器の触媒床全体にわたって少量
の酸素を注入するための方法および装置を包含する。注
入されたＯ2はＨ2に富む燃料ガス中のＣＯと発熱反応し
て、（１）触媒床内で熱を発生し、これが触媒床のウォ
ームアップを促進し、かつ（２）望ましくないＣＯの一
部を消費し、これにより、ウォームアップ期間中のシフ
ト反応器の排出ガスは、Ｏ2を注入しなかった場合より
ＣＯ含量が低い。
【０００７】本発明は、水素に富む燃料ガス流を酸素
（すなわち空気からの）と電気化学的に反応させて電気
を発生させるためのＰＥＭ燃料電池を含む燃料電池シス
テムに関する。燃料電池に供給される水素に富む燃料／
ガス流は、燃料電池に許容できるほど十分に低い一酸化
炭素濃度をもつ（すなわち約０．００００５モル分率未
満、または５０ｐｐｍ未満）。燃料ガス流は、燃料電池
の上流にある第１接触反応器（たとえばスチームリホー
マー）内で液体炭化水素（たとえばメタノールまたはガ
ソリン）から製造される。第１反応器からの排出物は燃
料電池に使用するには高すぎる一酸化炭素濃度をもつ。
したがって、第１接触反応器と燃料電池の中間に低温水
性ガスシフト反応器が配置され、第１反応器から排出す
る高い一酸化炭素濃度を燃料電池に許容できるものに近
い、より低いレベルにまで低下させる作用をする。低温
水性ガスシフト反応器の前に高温シフト反応器があって
もよく、なくてもよい。各シフト反応器は触媒床を収容
したハウジングを含み、触媒床は、シフト反応器が標準
作動条件下で作動しているとき反応を最も効率的に促進
するように確立した周囲より高い作動温度で、スチーム
と第１反応器から排出する燃料ガス中の一酸化炭素との
反応を促進する。
【０００８】本発明によれば、低下シフト反応器は、シ
フト反応器をその標準作動温度にまでウォームアップす
る期間中に触媒全体にわたって複数の部位に酸素を導入
するために触媒床全体に分布した複数の出口をもつマニ
ホールドを含む、酸素ディストリビュータを備えてい
る。高温シフト反応器を用いる場合、これはそれ自身の
酸素ディストリビュータを同様に備えていてもよい。酸
素は触媒床を通過する燃料ガス中の一酸化炭素（および
水素も）の一部と発熱反応して、触媒を周囲より高いそ
の標準作動温度に加熱するのを補助し、かつシステムの
ウォームアップ期間中にシフト反応器を通過するリホー
ミング生成物の一酸化炭素濃度をさらに低下させるのを
補助する。
【０００９】本発明の他の態様は、下記のものを含む燃
料電池システムをその標準作動温度にウォームアップす
る方法である：（１）水素燃料型ＰＥＭ燃料電池；
（２）燃料電池の上流にあり、燃料電池に燃料供給する
ために標準作動条件下で液体炭化水素から水素含有燃料
ガス流を生成する接触反応器、この水素含有流には燃料
電池に許容されるには高すぎる第１濃度の一酸化炭素が
混入している；および（３）接触反応器と燃料電池の中
間にあり、燃料ガス流の一酸化炭素濃度をシステムが標
準作動条件下で作動している場合の第１濃度より低い第
２濃度に低下させるための少なくとも１つのシフト反応
器。１以上のシフト反応器は、システムが標準作動条件
下で作動している場合に触媒が最も効率的に用いられる
ように確立した周囲より高い作動温度で燃料ガス流中の
一酸化炭素と水（すなわちスチーム）を反応させるため
の触媒床を収容した、ハウジングを含む。本発明のこの
方法の態様によれば、燃料電池システムを下記の併存工
程によりウォームアップする： ａ）接触反応器をその標準作動温度にウォームアップ
し；ｂ）接触反応器がウォームアップされるのに伴って
接触反応器内で水素に富む燃料ガス流を発生させ、この
ガス流にはウォームアップ期間中に第１濃度より高い第
３濃度の一酸化炭素が混入しており；ｃ）接触反応器か
らのガス流を１以上のシフト反応器内の触媒床に通過さ
せ、その間に触媒床を周囲より高いその最も有効な作動
温度にまで加熱し；ｄ）少量ではあるが、触媒床のウォ
ームアップに伴って（ｉ）ガス流中の一酸化炭素の一部
と発熱反応し、これにより触媒床のウォームアップを補
助し、かつ（ｉｉ）１以上のシフト反応器を通過するガ
ス流の一酸化炭素濃度を低下させるのに十分な量の酸素
（好ましくは空気として）を、１以上のシフト反応器内
の触媒床全体にわたって注入する。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明は、以下に幾つかの図面と
合わせて示す本発明の代表例の詳細な説明を考慮する
と、より良く理解されるであろう。
【００１１】図１には、本発明による車両用燃料電池シ
ステムを簡略化したものを示す。燃料反応器２は、液体
炭化水素燃料（たとえばメタノールまたはガソリン）４
を、主に水素、二酸化炭素および水、ならびに燃料電池
に進入させると有害である望ましくない量の一酸化炭素
を含む燃料流６に転化する、接触反応器を含む。炭化水
素がメタノールである場合、燃料反応器２は、メタノー
ル４とスチーム８を接触反応させて燃料流６（しばしば
“リホーミング生成物”と呼ばれる）を生成する、当技
術分野で周知のスチームリホーマーであってもよい。ス
チームリホーミング反応器は吸熱性であり、外部加熱を
必要とする。外部加熱は、燃焼器（火炎または触媒型）
の排気ガス１２から得られる場合が多い。燃焼器には、
車両用燃料タンクからのメタノール１４が、および／ま
たは（１）燃料電池２０からの排出ガス１８から、また
は（２）システムのウォームアップ期間中は燃料電池バ
イパスループ２２から供給される水素１６が燃料供給さ
れる。そのような燃焼器の１つが、前掲のＰｅｔｔｉｔ
に示されている。炭化水素がガソリンである場合、燃料
反応器２は（１）スチームリホーマー、（２）ガソリン
と酸素２４（空気からの）を反応させる部分酸化（ＰＯ
Ｘ）反応器、または（３）部分酸化反応器とスチームリ
ホーマーの組合わせ（当技術分野で自熱式リホーマーと
して知られる）であってもよい。反応器２へのＯ2供給
２４は点線で任意のものとして示されが、リホーマーの
前にＰＯＸ反応器を用いる場合は有用である。反応器２
がいかなる形態をとるかに関係なく、これにより生成す
る燃料流６は燃料電池２０に用いる触媒にとって有害な
レベルの一酸化炭素を含有する。したがって、この一酸
化炭素を除去または濃度低下しなければならない。
【００１２】燃料反応器２より排出する燃料ガス流６を
水性ガスシフト反応させ、燃料流６を水（すなわちスチ
ームとして）２５と接触反応させてＣＯ2およびＨ2をさ
らに形成することにより、燃料ガス流６から大部分の一
酸化炭素を除去するのが一般的である。この水性ガスシ
フト反応は、単一のシフト反応器内で実施するか、また
はしばしば２段階シフト反応器において、燃料流６をま
ず高温シフト反応器（ＨＴＳ）２６に通過させ、次いで
低温シフト反応器（ＬＴＳ）２８に通過させことにより
実施できる。高温シフト反応器とは、約３５０〜４５０
℃で水性ガスシフト反応を行うように作動できる触媒、
すなわち酸化物（Ｆｅまたはクロムの酸化物）触媒を含
む断熱シフト反応器を意味する。低温シフト反応器と
は、約２００〜２６０℃で水性ガスシフト反応を行うよ
うに作動できる触媒、すなわちＣｕ−ＺｎＯ触媒を含む
恒温シフト反応器を意味する。高温シフト反応器２６か
ら排出するリホーミング生成物６が低温シフト反応器２
８に進入する前に、これを熱交換器２７が冷却する。シ
フト反応から排出する燃料流６は、直接に燃料電池２０
に用いるにはなお一酸化炭素が多すぎるので、１以上の
シフト反応器から排出する燃料流６を優先酸化（ＰｒＯ
ｘ）反応器３０内でＰｒＯｘ反応させるのが一般的であ
る。ここでは、限られた量の空気３２を、水素とではな
く一酸化炭素と選択的に、そのような選択性を促進する
適切な触媒上で発熱反応させる。システムが標準定常状
態の条件下で作動している場合、ＰｒＯｘ反応器３０か
ら排出する燃料流６は、触媒に有害な作用をすることな
く燃料電池２０に使用できるのに十分なほどＣＯが少な
い（すなわち約０．００００５モル分率のＣＯ）ので、
燃料電池２０のアノード側に送入される。燃料電池２０
で消費されなかった水素は、ライン１６および１８によ
り燃焼器１０へ燃焼のために送られる。ただしシステム
のウォームアップ期間中、およびＰｒＯｘ反応器３０か
ら排出する燃料流６のＣＯ含量が許容できるほど低くな
る前は、ＰｒＯｘ排出ガス６は燃料電池２０を回避し、
ライン２２、ライン１６、ならびに同時作動式２方向弁
３１および３３により、燃焼器１０へ送られる。カソー
ド排気ガス（すなわち酸素枯渇した空気）は、導管２１
により燃焼器１０へ送られ、その中の水素と共に燃焼す
る。
【００１３】車両用（すなわち電気車両用動力）として
は、車両がきわめて短期間で始動し、作動可能となると
いう消費者の要求がある。理想的には、この期間は内燃
機関の始動に現在要するものより長くないものであろ
う。残念ながら燃料電池システムは、（ａ）異なる作動
温度およびウォームアップ時間をもち、かつ（ｂ）異な
る手段で加熱される、大きさの異なる種々の化学反応器
を多数含む、複雑な化学装置である。本発明は、１以上
の水性ガスシフト反応器のウォームアップ時間の短縮に
注目する。本発明によれば、酸素を燃料流中のＣＯの一
部と発熱反応させ、これにより外部加熱手段がシフト反
応器を周囲より高いその標準作動温度にするのを補助す
るのに十分な酸素（好ましくは空気）を触媒床全体にわ
たって注入することにより、システムの１以上のシフト
反応器のウォームアップが促進される。より具体的に
は、図２によって最も良く説明および図示されるよう
に、低温シフト反応器２８は、触媒床３８を収容する内
壁３６をもつハウジング３４を含む。内壁３６は、末端
が壁４４および４６で閉じられた加熱チャンバー４２を
設けるように、外壁４０で囲まれている。燃料電池シス
テムの始動期間中、適切な液状加熱媒質（たとえば油）
を加熱チャンバー４２内で入口４８と出口５０の間を循
環させて低温シフト反応器２８をウォームアップし、次
いでリホーミング生成物／燃料流６が反応器に進入する
入口末端４２からリホーミング生成物／燃料流６が反応
器より排出する出口末端５４までその作動温度を実質的
に一定に維持する。ウォームアップ期間中、加熱チャン
バー内に加熱媒質を循環させながら、少量の酸素５６
（たとえば空気）を触媒ビーズ３８の床全体にわたって
実質的に均一に注入する。高温シフト反応器２６を用い
る場合、これについても同じである。酸素は燃料流６中
のＣＯの一部と発熱反応し、その際、実質的にビーズ３
８を加熱する。ビーズ３８（および反応器２６内の対応
するビーズ）の床全体にわたってＯ2を分配すると、す
べての酸素を１カ所に注入した場合に起きる可能性のあ
る“ホットスポット”がビーズに形成されるのが避けら
れる。このために、シフト反応器２８は酸素マニホール
ド５８を備えている。これは、ビーズ３８の床内へ突き
出した穿孔管の形をとることができる複数のインゼクタ
ー６０をもつ。インゼクター６０には多数の小さな開口
６２が含まれ、これを通して酸素がビーズ床内へ注入さ
れる。インゼクターは床全体にわたって実質的に均一に
Ｏ2を分配する限り、その厳密な構造は重要でない。た
とえば、それらは図２に示した穿孔管６０を含むか、ま
たはシフト反応器２８内をリホーミング生成物が流れる
方向に広がった複数の、互いに間隔をおいた中空パネル
を含むことができ、これらのパネルは間隔をおいたパネ
ル間の空間にある触媒ビーズ内へ空気を分配するために
両面が穿孔されている。
【００１４】Ｏ2＋ＣＯ反応により発生する熱の量は、
ＣＯの存在量の関数である。この反応自体で６７６３５
ｃａｌ／モルの熱が発生する。役目を果たすのに十分な
熱を供給するのに十分な酸素が添加されなくてはならず
（すなわちＯ2が少なすぎると、発生する有用な熱が少
なすぎる）、酸素が多すぎると触媒を過熱して損傷を与
えるという以外は、Ｏ2の注入量は特に重大でない。後
者に関しては、過熱しないことを保証するために、ウォ
ームアップ期間の開始時付近でシフト反応器に進入する
一酸化炭素１モル／分につき酸素約０．１モル／分を超
えない速度で酸素を添加するのが好ましい。これに関し
て、シフト反応器に進入するＣＯの量は、燃料プロセッ
サーが低温であってその効率が低いウォームアップ期間
開始時付近の高濃度から、プロセッサーがウォームアッ
プしたウォームアップ期間終了時付近の低濃度まで変化
する。したがって、大部分の発熱加熱、および触媒損傷
の危険性は、ウォームアップ期間開始時付近で起きる。
【００１５】図３および４は、容量で２６．４５％のＨ
2、６．９％のＣＯ2、１０．８２％のＣＯ、２５．５７
％のＨ2Ｏを含有し、残りがＮ2である模擬リホーミング
生成ガスを、まずＣＯ ．０３モル／分の速度で低温シ
フト反応器に流入させた試験の結果を示す。シフト反応
器は直径１インチ（１″）、長さ２０インチのステンレ
ス鋼管状反応器を含み、これはＣｕ−ＺｎＯを含む５ｍ
ｍ×３ｍｍの触媒ペレットを充填した長さ１０インチ
（１０″）の触媒床をもつ。各末端に１／１６インチ
（１／１６″）の複数の開口をもつ４本のニードル様イ
ンゼクターを、共通マニホールドに沿って２インチ
（２″）間隔で配置し、触媒床の中心へ伸ばした。反応
器の入口と出口に熱電対を配置した。反応器の始動時と
標準作動期間中に反応器に熱を供給するために、反応器
をオーブン内に垂直に取り付けた。模擬リホーミング生
成物を反応器に下流方向へ流した。反応器をまず１９０
℃に加熱し、次いで１０℃／分の速度で２３０℃の温度
になるまで（すなわち反応器の標準定常状態の作動温
度）ウォームアップした。反応器が１９０℃に達したと
き、インゼクターにより空気を０．０１４モル／分の速
度で触媒に供給し、Ｏ2がＯ2＋リホーミング生成物混合
物の１％を構成するように、模擬リホーミング生成物を
０．２８６モル／分の速度で触媒に供給した。
【００１６】図３に示したデータを得るために、反応器
に進入するガスとそこから排出するガスの温度を反応器
の各末端にある熱電対により測定した。菱形（◇）で表
す曲線は、酸素注入なしのウォームアップ期間中の種々
の時点における入口ガス温度を示す。四角（□）で表す
曲線は、酸素注入なしのウォームアップ期間中の種々の
時点における出口ガス温度を示す。三角（△）で表す曲
線は、本発明に従って酸素を注入したウォームアップ期
間中の種々の時点における入口ガス温度を示す。×印
（×）で表す曲線は、本発明に従って酸素を注入したウ
ォームアップ期間中の種々の時点における出口ガス温度
を示す。図３は、反応器に酸素を注入した場合の出口ガ
ス温度が、ウォームアップ期間中測定した他の３つの温
度より高く、最初の２０分のウォームアップ期間中、他
の温度より有意に高いことを示す。
【００１７】図４に示すデータを得るために、シフト反
応器から排出するガスの組成をガスクロマトグラフィー
により測定した。四角（□）で表す曲線は、酸素注入な
しのウォームアッププロセス期間中の種々の時点におけ
る出口ＣＯ濃度を示す。菱形（◇）で表す曲線は、本発
明に従って酸素を注入したウォームアッププロセス期間
中の種々の時点における出口ＣＯ濃度を示す。図４は、
シフト反応器の触媒床に酸素を注入した場合、ウォーム
アップの初期の段階で出口ＣＯ濃度が有意に低いことを
示す。
【００１８】本発明をその特定の態様により記載した
が、本発明はこれらに限定されず、請求の範囲に示した
範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＰＥＭ燃料電池システムの模式図である。
【図２】本発明による低温水性ガスシフト反応器の側部
断面図を模式的に示す。
【図３】ウォームアップ期間中の低温水性ガスシフト反
応器からの排出ガスの温度に酸素注入が及ぼす相対効果
を示すグラフである。
【図４】ウォームアップ期間中の低温水性ガスシフト反
応器からの排出ガスの一酸化炭素濃度に酸素注入が及ぼ
す相対効果を示すグラフである。
【符号の説明】
２ 燃料反応器 ４ 液体炭化水素燃料 ６ 燃料流（リホーミング生成物） ８ スチーム １０ 燃焼器 １２ 燃焼器の排気ガス １４ メタノール １６ 水素ライン １８ 排出ガスライン ２０ 燃料電池 ２１ カソード排気ガス導管 ２２ 燃料電池バイパスループ ２４ 酸素 ２５ 水 ２６ 高温シフト反応器（ＨＴＳ） ２８ 低温シフト反応器（ＬＴＳ） ２７ 熱交換器 ３０ 優先酸化（ＰｒＯｘ）反応器 ３１，３３ ２方向弁 ３２ 空気 ３４ ハウジング ３６ ハウジング内壁 ３８ 触媒床 ４０ 加熱チャンバー外壁 ４２ 加熱チャンバー ４４，４６ 加熱チャンバー末端壁 ４８ 加熱チャンバー入口 ５０ 加熱チャンバー出口 ５２ 反応器入口末端 ５４ 反応器出口末端 ５６ 酸素（空気） ５８ 酸素マニホールド ６０ インゼクター ６２ 開口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイケル・アール・ショーネウェイス アメリカ合衆国ニューヨーク州14467，ヘ ンリエッタ，グリーン・ムーア・ウェイ 15

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 水素に富む流れを酸素と電気化学的に反
    応させて電気を発生させるための燃料電池であって、水
    素に富む流れが燃料電池に許容できる第１の一酸化炭素
    濃度をもつ燃料電池；燃料電池の上流にあり、第１濃度
    より高い第２の一酸化炭素濃度をもつ水素に富む流れを
    生成するための第１反応器；およびこの接触反応器と燃
    料電池の中間にあり、第２濃度を第１濃度に近い第３の
    一酸化炭素濃度に低下させるための水性ガスシフト反応
    器であって、この水性ガスシフト反応器内で触媒床の最
    も効率的な利用のために確立した周囲より高い作動温度
    で一酸化炭素と水を反応させるための触媒床を収容した
    ハウジングを含む水性ガスシフト反応器；を含む燃料電
    池システムにおいて、 システムウォームアップ期間中に触媒床全体にわたって
    複数の部位に酸素を導入して酸素と一酸化炭素を水性ガ
    スシフト反応器内で発熱反応させるために触媒床に複数
    の出口をもつマニホールドを含む酸素ディストリビュー
    タを含み、これによりシステムウォームアップ期間中に
    周囲より高い前記温度に触媒床を加熱するのを補助する
    ことにおいて改良された燃料電池システム。
  2. 【請求項２】 シフト反応器の上流に燃料電池に燃料供
    給するための水素に富む一酸化炭素混入リホーミング生
    成物を発生させるリホーマーを含み、水性ガスシフト反
    応器がリホーミング生成物中の一酸化炭素の一部とスチ
    ームを効率的に反応させて二酸化炭素および水素を形成
    するために周囲より高い特定の温度で作動しうる触媒を
    含む燃料電池システムにおいて、水性ガスシフト反応器
    のウォームアップを促進する方法であって、 ａ）触媒が周囲より高い前記の特定の温度にまで加熱さ
    れるよのに伴って、触媒全体に酸素を注入し、酸素をリ
    ホーミング生成物中の一酸化炭素の一部と発熱反応さ
    せ、これにより（ｉ）触媒を周囲より高い前記温度にま
    で加熱するのを補助し、かつ（ｉｉ）リホーミング生成
    物中の一酸化炭素濃度を低下させる工程を含む方法。
  3. 【請求項３】 燃料電池システムをその標準作動温度に
    ウォームアップする方法であって、このシステムは
    （１）水素燃料型燃料電池、（２）燃料電池の上流にあ
    り、燃料電池に燃料供給するために炭化水素から水素含
    有流を生成するためのリホーマーであって、水素含有流
    に標準作動条件下で第１濃度の一酸化炭素が混入したも
    の、および（３）リホーマーと燃料電池の中間にあり、
    水素含有流の一酸化炭素濃度を標準作動条件下で第１濃
    度より低い第２濃度に低下させるための水性ガスシフト
    反応器であって、触媒床のために確立した周囲より高い
    作動温度で水素含有流中の一酸化炭素と水を反応させる
    ための触媒床を収容したハウジングを含む水性ガスシフ
    ト反応器を含み、この方法が ａ）リホーマーをその標準作動温度にウォームアップ
    し； ｂ）リホーマーがウォームアップされるのに伴ってそこ
    で水素含有流を発生させ、この水素含有流にはウォーム
    アップ期間中に第１濃度より高い第３濃度の一酸化炭素
    が混入しており； ｃ）リホーマーからの水素含有流を水性ガスシフト反応
    器内の触媒床に通過させ、その間に触媒床を周囲より高
    い前記作動温度にまで加熱し； ｄ）触媒床の加熱を補助するのに十分な、かつ水性ガス
    シフト反応器を通過する水素含有流の一酸化炭素濃度を
    低下させるのに十分な量の酸素を触媒床全体に注入し
    て、水素含有流中の一酸化炭素と発熱反応させ；そして ｅ）触媒床が実質的にその標準作動温度に達した後、注
    入を停止する工程を含む方法。
  4. 【請求項４】 酸素を空気として注入する、請求項３記
    載の方法。
  5. 【請求項５】 水性ガスシフト反応器から排出する水素
    含有流を、燃料電池入口の水素含有流の一酸化炭素濃度
    が燃料電池に許容されるレベルになるまで燃料電池から
    分枝させ、このレベルに達した時点で水素含有流を燃料
    電池に再流入させる、請求項４記載の方法。
  6. 【請求項６】 触媒床に流入する一酸化炭素１モル／分
    について、約０．１モル／分を超えない速度で酸素を注
    入する、請求項３記載の方法。
JP2000161724A 1999-06-01 2000-05-31 水性ガスシフト反応器ウォームアップ Pending JP2001023675A (ja)

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