JP2001068137A

JP2001068137A - Ｃｏ除去装置及び燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP2001068137A
Application number: JP23707399A
Authority: JP
Inventors: Takamasa Matsubayashi; 孝昌松林; Yasuo Miyake; 泰夫三宅
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1999-08-24
Filing date: 1999-08-24
Publication date: 2001-03-16
Anticipated expiration: 2019-08-24
Also published as: JP3515438B2

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的簡単な装置構成であって、ＣＯの選択
酸化反応を高反応率で且つ選択性よく行うことのできる
ＣＯ除去装置を提供する。【解決手段】選択酸化触媒器５０は、ガス流通管５２
１の内部に選択酸化触媒が充填されてなる選択酸化触媒
層を備え、この選択酸化触媒層が内筒管５１１で仕切ら
れて、第１配管５５から供給される比較的高温の混合ガ
ス（改質ガス＋空気）が流通する第１流通部５０１と、
第２配管５６からから供給される比較的低温の混合ガス
が流通する第２流通部５０２とが形成されている。そし
て選択酸化触媒器５０において、第１流通部５０１及び
第２流通部５０２を流通する混合ガスは、流れる向きが
同じであって互いに熱交換されるように構成されてい
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、ＣＯ除去装置、並
びにＣＯ除去装置を用いた燃料電池発電システムに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電システムとして、比較的容
易かつ安価に入手することができる天然ガス，ナフサ等
の軽質炭化水素やメタノール等のアルコール類を燃料と
し、これを改質することによって水素リッチなガスを生
成し、これを燃料電池の燃料極に供給すると共に空気極
に空気を供給し、電気化学的に反応させて発電を行うも
のが開発されており、携帯用の電源として実用化されて
いる他、電気自動車の電源としても注目されいてる。

【０００３】図１０は、このような燃料電池発電システ
ムの概略構成の一例を示す図である。改質器６０１で
は、燃料に水蒸気を混合して水蒸気改質反応を行うこと
によって水素リッチな改質ガスを生成する。この反応は
高温に加熱した改質用触媒層の中で行われるが、この
際、水素と共に一酸化炭素（以下「ＣＯ」と記載す
る。）も副生されＣＯ濃度が１０〜１５％程度となる。

【０００４】燃料電池６０４の燃料極には、白金などの
触媒が用いられているが、ＣＯは、この触媒を劣化させ
て発電性能を低下させる原因となるので、改質器６０１
の下流にＣＯ変成器６０２を設け、下記反応式のように
ＣＯを水蒸気で変成することによりＣＯ濃度を低減して
から燃料電池６０４に供給するようにしている。ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ …（１）ただし、ＣＯ変成器６０２では、ＣＯ濃度を１％程度ま
でしか低減することができず、固体高分子型（ＰＥＦ
Ｃ）のように比較的低温で作動する燃料電池の場合は、
電極触媒の劣化が生じやすいので、更に改質ガス中のＣ
Ｏ濃度を低減する必要がある。

【０００５】そこで、ＣＯ除去装置６０３を設け、改質
ガスに少量の空気を添加混合し、選択酸化触媒層を通過
させて下記反応式のようにＣＯを選択的に酸化すること
によりＣＯを除去してから燃料電池６０４に供給する。２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂ …（２）ところで、ＣＯ除去装置においては、選択性を良好に保
つこと、即ちできるだけ水素を燃焼させることなくＣＯ
を高い反応率で燃焼させることが望まれる。そのため
に、選択酸化触媒層を選択酸化性の優れる温度範囲に保
つことが重要であって、選択酸化触媒層の温度がその温
度範囲より高いと酸化反応の選択性が悪くなり、低いと
ＣＯが効率よく燃焼されない。

【０００６】選択酸化触媒の種類によって選択酸化性の
優れる温度範囲は異なるが、一般的には１００℃〜２５
０℃程度の範囲、その中でも２００℃以下の範囲が優れ
るとされている。現在、比較的簡単な構成のＣＯ除去装
置としては、図１１に示すように円筒管６１０の中に選
択酸化触媒を充填した選択酸化触媒層６１１を設け、改
質ガスに酸化剤としての空気を混合した混合ガス（以
下、単に「混合ガス」と記載する。）をその入口部に送
り込むと共に、選択酸化触媒層６１１を冷却する冷却水
路６１２を円筒管６１０の周りに配して、この冷却水路
６１２中に冷却水を流すことにより温度調節しながら運
転するものが知られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなＣＯ除去装置において、選択酸化触媒層内ではＣＯ
や水素が酸化反応することにより発熱するので、混合ガ
スが選択酸化触媒に最初に接触する選択酸化触媒層の入
口付近で反応が急激に進行して温度が選択酸化性の優れ
る温度範囲より高くなりやすい。そしてこの入口付近で
温度が高くなり過ぎると、そこで酸素がほとんど消費さ
れてしまう結果、出口側では酸素不足の状態になるた
め、メタン生成反応などの副反応が生じる傾向もある。

【０００８】このような課題に対して、例えば特開平７
−１８５３０３号公報に開示されているＣＯ除去装置の
ように、選択酸化触媒層の入口付近で冷却層と触媒層と
を交互に積層させた構造にすれば、選択酸化触媒層の温
度をうまくコントロールできると考えられるが、上記積
層構造を形成するため装置構成を簡素化しにくいと考え
られる。また、特開平８−４７６２１号公報に開示され
ているＣＯ除去装置のように、燃料ガスの上流側から順
に第１反応器、第２反応器、第３反応器を設け、各反応
器の入口に別々に空気を分配して供給したり、選択酸化
触媒層において、入口側の触媒充填密度を低く調整する
ことは、反応を入口側から出口側にかけて分散して行わ
せたり、選択酸化触媒層の適正な温度分布を得るのに有
効と考えられるが、空気の分配機構を設けたり触媒の充
填密度調整を行う必要があるので、やはり簡素な装置構
成としにくいものと考えられる。

【０００９】本発明は上記課題に鑑みてなされたもので
あって、比較的簡単な装置構成であって、ＣＯの選択酸
化反応を高反応率で且つ選択性よく行うことのできるＣ
Ｏ除去装置並びにそのようなＣＯ除去装置を備えた燃料
電池発電システムを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決する手段】上記課題を解決するために、本
発明は、ＣＯを含む水素リッチなガスに酸化剤が混合さ
れてなる混合ガスを、ガス流通管内に選択酸化触媒が充
填されてなる選択酸化触媒部を流通させることによって
ＣＯを選択的に酸化するＣＯ除去装置において、混合ガ
スの一部分を選択酸化触媒部に導入すると共に、混合ガ
スの他部分をこれより低い温度で選択酸化触媒部に導入
し、選択酸化触媒部の入口付近を、導入された混合ガス
の一部分と他部分とが、選択酸化触媒部内の別々流路を
互いに熱交換可能な状態で並行して流通されるよう構成
した。

【００１１】このＣＯ除去装置によれば、高温の混合ガ
スは選択酸化触媒部に導入されすぐに反応が開始される
が、低温の混合ガスは高温の混合ガスから熱を受けてか
ら遅れて反応が開始される。従って、従来のＣＯ除去装
置のように選択酸化触媒層の入口付近で集中的にＣＯ選
択酸化反応が起こるのを緩和することができるため、温
度制御が容易となる。

【００１２】特に、高温の混合ガスを選択酸化触媒の反
応開始最低温度以上に設定し、低温の混合ガスをこの反
応開始最低温度より低く設定すれば、低温の混合ガスは
ある程度流れて反応開始最低温度に達してから選択酸化
反応が開始されるので、入口付近での反応を抑制し下流
側で反応させるという反応分散効果が大きい。一般的な
選択酸化触媒の反応開始最低温度は１００℃程度なの
で、高温の混合ガスを１００℃以上に、低温の混合ガス
を１００℃未満に設定するのが好ましいということも言
える。

【００１３】また、従来のＣＯ除去装置と比べて、選択
酸化触媒部に導入される混合ガスの平均温度を低く設定
しても、混合ガス中のＣＯを選択酸化反応させることが
できるため、混合ガスの導入量が同等でもこれを冷却す
る冷却量は少なくてすむ。この点においても温度制御が
容易である。よって、本発明のＣＯ除去装置によれば、
従来のＣＯ除去装置と比べて、選択酸化触媒層を冷却す
る冷却機構の構成が簡素で且つ温度制御が容易である。

【００１４】ここで、選択酸化触媒部の入口付近におい
て、ガス流通管の流通方向に沿って熱伝導性材料からな
る仕切部材を挿設することによって、低温の混合ガスが
流通する流通路と高温の混合ガスが流通する流通路とを
形成すれば、この入口付近において低温の混合ガスと高
温の混合ガスとは互いに交じり合うことなく且つ熱交換
されながら流通するので、上記の効果をより確実に得る
ことができる。

【００１５】このように仕切部材を設ける場合、選択酸
化触媒部を入口側から出口側まで仕切ってもよいが、少
なくとも入口付近だけ仕切ればよく、下流側では低温の
混合ガスと高温の混合ガスとが混合されるようにしても
よい。下流側でガスを混合させる場合はより確実に高反
応率が得られるという効果も期待できる。また、選択酸
化触媒部を、ガス流通管の内部に仕切部材が筒状に設け
られた二重管構造にすれば、装置構成が簡素で且つ低温
の混合ガスと高温の混合ガスとの熱交換も効率よくなさ
れる。

【００１６】また、本発明のＣＯ除去装置によれば、選
択酸化触媒部を冷却媒体で強制冷却しなくても温度制御
は可能であるが、ガス流通管の外周に冷却媒体が流通す
る冷却媒体用通路を選択酸化触媒部と熱交換可能に設け
ることによって、温度制御をより行いやすくなる。また
ＣＯ除去装置の前に連結されているＣＯ変成器から出さ
れる改質ガスは、通常２００℃程度の高温なので、ＣＯ
除去装置では、ＣＯを含む水素リッチなガスに酸化剤を
混合して混合ガスを生成した後、混合ガスを分配し、分
配された混合ガスの一方を冷却部で冷却してから選択酸
化触媒部に導入するような構成とするのが実用的であ
る。

【００１７】このようなＣＯ除去装置を燃料電池発電シ
ステムに適用する場合、燃料電池とＣＯ除去装置とは温
度レベルが近いので、燃料電池を冷却する冷却媒体（冷
却水）と、上記冷却部や冷却媒体用通路に用いる冷却媒
体とを兼用させることが好ましい。すなわち、燃料電池
を通過した冷却媒体は、１００℃より少し低目の温度に
加温される場合が多いので、これを上記の冷却部や冷却
媒体用通路に送り込むようにすれば、混合ガスを１００
℃（選択酸化触媒の反応開始最低温度）より少し低めの
温度に容易に冷却することができる。また、逆に、上記
の冷却部や冷却媒体用通路を通過した冷却媒体も燃料電
池の運転温度に近い温度となるので、これを燃料電池の
冷却に用いればその温度制御を容易に行うことができ
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】〔実施の形態１〕図１は、本実施
の形態にかかる固体高分子型の燃料電池発電システムの
構成図である。（システム全体の構成についての説明）この燃料電池発
電システムは、燃料ガス（図１ではＬＰＧ）を用いて発
電を行うものであって、燃料ガス中の硫黄成分を除去す
る脱硫器１、水蒸気を発生させる蒸気発生器２、脱硫さ
れた燃料ガスと水蒸気とを混合して水素リッチな改質ガ
スに水蒸気改質する改質器３、改質ガス中に含まれるＣ
Ｏを水蒸気で変成するＣＯ変成器４、改質ガス中のＣＯ
を選択的に酸化して除去するＣＯ除去装置５、ＣＯ除去
装置５からの改質ガスをアノード６ａに取り入れると共
に空気をカソード６ｂに取り入れて発電を行なう固体高
分子型の燃料電池６、改質器３からの改質ガスの熱で水
蒸気を加熱する蒸気加熱器７等から構成されている。

【００１９】脱硫器１は、脱硫用の触媒が充填された触
媒層を備えており、燃料ガス供給源１１から送られる燃
料ガスをこの触媒層で脱硫する。脱硫器１は、用いる触
媒の種類によって運転温度は異なるが、高温用の触媒を
用いる場合は、ヒータ等で加熱しながら高温（２００〜
３００℃）で運転する。蒸気発生器２は、いわゆるボイ
ラーであって、燃料（ＬＰＧ）を燃焼させることによっ
て発生する熱で水を加熱して水蒸気を発生する。

【００２０】改質器３には、水蒸気改質用の触媒が充填
された円筒形状の改質槽３１と、この改質槽３１を高温
（７５０〜８００℃）に加熱するバーナ３２とが設けら
れており、脱硫器１を通過した燃料ガスは蒸気発生器２
で発生した水蒸気と混合されて改質槽３１に供給され
る。供給された混合ガスは、改質槽３１で水素リッチな
改質ガスに改質され、ＣＯ変成器４に送られる。

【００２１】ＣＯ変成器４は、円筒状の容器の中にＣＯ
変成用の触媒が充填されているものであって、改質ガス
に含まれているＣＯを上記（１）式のように水蒸気で変
成してＣＯ濃度を１％（１０，０００ｐｐｍ）程度まで
低減する。このＣＯ変成器４の運転温度は１８０℃〜２
５０℃程度である。蒸気加熱器７では、改質器３からＣ
Ｏ変成器４に送られる改質ガスと、蒸気発生器２から改
質器３に送られる水蒸気とが熱交換される。これによっ
て、改質器３からの高温の改質ガスが適度に冷却されて
からＣＯ変成器４に供給され、ＣＯ変成器４の温度が上
記の温度範囲に保たれると共に、蒸気発生器２で発生し
た水蒸気は加熱されてから改質器３に供給される。

【００２２】ＣＯ除去装置５は、ＣＯ変成器４からの改
質ガス中のＣＯを、上記（２）式のように選択酸化する
ことによって、更にその濃度を低レベルまで落として燃
料電池６に供給する。このＣＯ除去装置５の構成につい
ては後で詳述する。燃料電池６は、アノード６ａ及びカ
ソード６ｂが固体高分子膜を介して積層されてなるセル
とこれを冷却する冷却部６ｃとを備え、アノード６ａに
はＣＯ除去装置５から改質ガスが、カソード６ｂにはフ
ァン６１から空気が供給されることによって発電を行
う。冷却部６ｃは、例えば冷却水が流通する冷却プレー
トであって、冷却水ポンプ６２から供給される冷却水を
用いてセルを冷却することにより、所定の運転温度（８
０〜１００℃）に維持する。

【００２３】なお、図示はしないが、燃料電池６の固体
高分子膜を保湿するために、通常はＣＯ除去装置５と燃
料電池６の間に加湿器を設け、改質ガスを加湿してから
燃料電池６に供給する。（システムの配管系についての説明）図１に示すよう
に、燃料ガスや水蒸気系の配管として、燃料ガス供給源
から脱硫器１を経て改質器３に燃料ガスを送る配管１０
１、燃料ガス供給源から改質器３のバーナ３２に燃料ガ
スを送る配管１０２、蒸気発生器２から蒸気加熱器７を
経て改質器３に水蒸気を送る配管１０３、改質器３から
蒸気加熱器７を経てＣＯ変成器４に改質ガスを送る配管
１０４、ＣＯ変成器４からＣＯ除去装置５に改質ガスを
送る配管１０５、ＣＯ除去装置５から燃料電池６のアノ
ード６ａに改質ガスを送る配管１０６、アノード６ａか
ら未反応改質ガスをバーナ３２に送る配管１０７等が配
設されている。

【００２４】また、冷却水系の配管として、上記冷却部
６ｃを通った冷却水をＣＯ除去装置５に送る配管１０８
が配設されている。上記配管１０１には改質槽３１に供
給する燃料ガスの流量を調整する調整弁１１１が、配管
１０２にはバーナ３２に供給する燃料ガスの流量を調整
する調整弁１１２が、各々挿設されている。

【００２５】（ＣＯ除去器についての説明）図２は、本
実施形態にかかるＣＯ除去装置の一例を示す概略斜視
図、図３は、このＣＯ除去装置５の構成を摸式的に示す
図である。なお、図３中における白抜き矢印はガスの流
れを表す。ＣＯ除去装置５は、改質ガス中のＣＯを選択
的に酸化する選択酸化触媒が充填された選択酸化触媒器
５０、ＣＯ変成器４からの改質ガスに酸化剤としての空
気を混合して混合ガスを生成する空気混合部５１、空気
混合部５１で生成された混合ガスを２つに分配するガス
分配部５２、ガス分配部５２で分配されたガスの一方を
冷却するガス冷却部５３とから構成されている。

【００２６】空気混合部５１は、ＣＯ変成器４から配管
１０５を通して送り込まれる改質ガスに、空気を数％混
合して混合ガスを生成するものであって、従来から一般
的にＣＯ除去装置に用いられているものを適用すること
ができる。図２，３に示すように、この空気混合部５１
は、配管１０５から送り込まれる改質ガスに空気ポンプ
５４からの空気を合流させる合流管構造である。ＣＯ除
去装置５の運転中は、配管１０５を流通する改質ガス中
のＣＯ濃度を測定しながら、Ｏ₂／ＣＯ比の値が適当な
範囲に入るように、空気ポンプ５４から送り込む空気量
を調整する。通常このＯ₂／ＣＯ比の値は、０．５〜３
程度の範囲に設定するのが適当とされている。

【００２７】なお、空気混合部５１としては、これ以外
に、改質ガスをノズルから噴射して周囲の空気を吸い込
むエゼクタ機構（例えば、一般的なガスバーナに用いら
れているような空気吸引機構）を用いることもできる。
また、酸化剤として空気を用いる以外に酸素ガスなどを
用いてもよい。ガス分配部５２は、分岐管構造であっ
て、空気混合部５１で生成された混合ガスを選択酸化触
媒器５０に直接送り込む第１配管５５及びガス冷却部５
３を経由して選択酸化触媒器５０に送り込む第２配管５
６が接続されている。そしてこのガス分配部５２におい
て、第１配管５５と第２配管５６とに所定の比率でガス
が分配されるようになっている。この分配比率について
は後述する。なお、図示はしないが、第１配管５５また
は第２配管５６に流量調整弁を設けておけば、第１配管
５５と第２配管５６と分配されるガスの比率を容易に調
整することができる。

【００２８】ガス冷却部５３は、第２配管５６に挿設さ
れた熱交換器であって上記冷却水の配管１０８もガス冷
却部５３の冷却水路５７に接続されている。そして、第
２配管５６を流通するガスは、このガス冷却部５３にお
いて、燃料電池６の冷却部６ｃから送られてくる冷却水
と熱交換することにより冷却されてから選択酸化触媒器
５０に供給される。通常、冷却部６ｃから排出される冷
却水温度は、燃料電池６の運転温度に近い８０℃程度に
なっているため、第２配管５６を流通する高温の混合ガ
スを、ガス冷却部５３においてこの冷却水と熱交換する
ことによって８０〜１００℃程度の温度範囲に冷却する
ことができる。

【００２９】なお、冷却水の流れる方向を逆にして、ガ
ス冷却部５３の冷却水路５７を通過させて高温の混合ガ
スと熱交換した冷却水を、燃料電池６の冷却部６ｃに流
してもよい。ガス冷却部５３を通過した冷却水は、燃料
電池６の運転温度に近い程度になっているため、これを
冷却に用いることで燃料電池６の温度制御を容易に行う
ことができる。

【００３０】また、冷却水路５７にもっと低い温度の冷
却水を導入して混合ガスをもっと低い温度まで冷却して
もよいが、ガスの温度が露点以下になると結露しやすく
なるため、混合ガスを冷却する温度は、ガスの露点より
高い温度（例えば４０℃程度）に設定するのが好まし
い。選択酸化触媒器５０は、ガス流通管５２１の内部に
選択酸化触媒が充填されてなる選択酸化触媒層を備え、
この選択酸化触媒層は仕切部材としての内筒管５１１で
仕切られて、上記第１配管５５から供給される比較的高
温の混合ガスが流通する第１流通部５０１と、第２配管
５６からから供給される比較的低温の混合ガスが流通す
る第２流通部５０２とが形成されている。そして選択酸
化触媒器５０において、上記第１流通部５０１及び第２
流通部５０２を流通する混合ガスは、流れる向きが同じ
であって互いに熱交換されるように構成されている。

【００３１】選択酸化触媒器５０の具体的な形状につい
ては後で説明するが、簡素な構成とするために円筒形状
あるいは角筒形状とすることが望ましい。選択酸化触媒
としては、従来からＣＯ除去装置に用いられている一般
的な選択酸化触媒を用いればよい。また、第１流通部５
０１との第２流通部５０２体積比率は、定常運転時にお
いて、ガス分配部５２で配管５５と配管５６とに分配す
る比率に合わせて設定する。通常、第１流通部５０１及
び第２流通部５０２における選択酸化触媒層の体積は、
送り込まれる混合ガスの選択酸化触媒層に対する空間速
度が１０００〜１５，０００ｈｒ-1の範囲内に入るよう
に設定する。

【００３２】高温混合ガス及び低温混合ガスの分配比率
については、両混合ガスの平均温度（両混合ガスを混ぜ
合わせた場合の温度）と、選択酸化触媒器５０を外部か
ら冷却する冷却量とのバランスがとれるように設定す
る。すなわち、選択酸化触媒器５０を外部から冷却する
冷却量が比較的大きい場合は、両ガスの平均温度は高め
になるように、高温混合ガスの割合を比較的大きく設定
すればよい。

【００３３】（ＣＯ除去装置５の効果について）このよ
うな構成の選択酸化触媒器５０は、以下のような効果を
奏する。選択酸化触媒器５０では、第１流通部５０１に
導入される混合ガスの温度は選択酸化触媒の反応開始最
低温度（１００℃）より高い温度となり、第２流通部５
０２に導入される混合ガスの温度は反応開始最低温度
（１００℃）より低い温度となる。

【００３４】図１１に示すような従来のＣＯ除去装置で
は、選択酸化触媒層に導入される混合ガスの温度は選択
酸化触媒の反応開始最低温度以上に設定しなければＣＯ
を選択酸化反応させることができないのに対して、本実
施形態の選択酸化触媒器５０の場合、第２流通部５０２
に導入される混合ガスの温度が選択酸化触媒の反応開始
最低温度より低くても、第１流通部５０１を流通する高
温の混合ガスが酸化反応することによって発生する熱を
受けて昇温されるので、第２流通部５０２に導入される
混合ガスは、ある程度下流側に進んでから反応が開始さ
れる。

【００３５】そのため、選択酸化触媒器５０では、従来
のＣＯ除去装置と比べて、選択酸化触媒層に導入される
混合ガスの平均温度を低くしても、ガス中のＣＯを選択
酸化反応させることができるので、選択酸化触媒器５０
を冷却する冷却量は少なくても、従来のＣＯ除去装置と
同等量の混合ガスを処理することができる。また、第２
流通部５０２に導入される低温混合ガスは、第１流通部
５０１に導入される高温混合ガスの選択酸化反応が開始
されるところよりも下流側で選択酸化反応が開始される
ので、選択酸化触媒層の入口付近で集中的にＣＯ選択酸
化反応が起こることがない。

【００３６】従って、選択酸化触媒器５０は、その入口
付近を集中的に冷却しなくても、選択酸化触媒層を選択
酸化性の優れる温度範囲に保つことができ、従来のＣＯ
除去装置と比べて温度制御が容易である。すなわち、選
択酸化触媒器５０においては、選択酸化触媒層を冷却す
る冷却機構の構成を簡素なものにすることができる。な
お、このような効果は、第２流通部５０２に導入される
混合ガスの温度を選択酸化触媒の反応開始最低温度（１
００℃）より低く設定した場合に顕著なものとなるが、
これより多少高い温度で導入される場合でも、ある程度
の効果は期待できる。

【００３７】また、従来のＣＯ除去装置では、混合ガス
を反応開始最低温度以上で導入しているので、選択酸化
触媒層の温度が過度にしないよう、図１１に示されるよ
うに通常は選択酸化触媒層に水冷式の冷却機構が設けら
れている。これに対して、本実施形態の選択酸化触媒器
５０においては、上述したように少ない冷却量でも、選
択酸化性の優れる温度範囲に温度コントロールすること
ができるので、必ずしも水冷式冷却機構のような強い冷
却機構を設ける必要はない。ただし、その場合、第１流
通部５０１に導入される高温混合ガス及び第２流通部５
０２に導入される低温混合ガスの平均温度が９０℃以下
となるように、高温混合ガス及び低温混合ガスの分配比
率を設定することが必要と考えられる。

【００３８】（ＣＯ除去装置５の具体例について構成及
び動作の説明）図２，３に示す選択酸化触媒器５０の具
体的な構造は次のとおりである。選択酸化触媒器５０
は、内筒管５１１とガス流通管５２１を備える二重円筒
管構造であって、その内部に選択酸化触媒が充填され、
両端部が入口側蓋５０３，出口側蓋５０４で閉塞されて
いる。入口側蓋５０３には、内筒管５１１内に通じる第
１配管５５と、内筒管５１１とガス流通管５２１との間
に通じる第２配管５６とが接続され、出口側蓋５０４に
は、配管１０６が接続されている。

【００３９】内筒管５１１及びガス流通管５２１は、熱
伝導性の材料（ステンレス等の金属材料）で形成されて
いる。上記選択酸化触媒層が内筒管５１１によって仕切
られることによって、上記の第１流通部５０１及び第２
流通部５０２が形成され、各触媒部を流通するガスは互
いに混合されず且つ互いに熱交換されるようになってい
る。

【００４０】なお、内筒管５１１内の入口部分、並びに
内筒管５１１とガス流通管５２１との間におけるガス入
口部分は、触媒が充填されることなくバッファ空間５１
２並びに環状のバッファ空間５２２が形成されている。
バッファ空間５２２は、バッファ空間５１２よりもガス
流通方向に若干長く設定され、低温混合ガスの方が高温
混合ガスよりも下流側で触媒層に入るようになってい
る。

【００４１】また、内筒管５１１の出口側端部と出口側
蓋５０４との間には隙間が設けられて出口側のバッファ
空間５３０が形成されている。そして、上記第１流通部
５０１を通過したガスと第２流通部５０２を通過したガ
スは、このバッファ空間５３０で混合されることにより
均一化されて配管１０６に流れ出る。選択酸化触媒の具
体例としては、白金（Ｐｔ），金（Ａｕ），ロジウム
（Ｒｈ），ルテニウム（Ｒｕ）といった金属を１種以上
含有する触媒を挙げることができる。

【００４２】これらの選択酸化触媒において、選択酸化
性の優れる一般的な温度範囲は、１００℃〜２５０℃の
範囲であって、好ましくは２００℃以下である。ただ
し、触媒の種類によって更に好ましい温度範囲があり、
例えば市販のルテニウム触媒では、１４０〜１９０℃の
範囲が好ましい。第１流通部５０１及び第２流通部５０
２は、このような触媒を、ハニカム状に成型したアルミ
ナ多孔体に担持させたもの、或は、粒状のアルミナ担体
や粒状のゼオライト等に担持させたものを、ガス流通管
５２１内に充填し、例えば金網からなるガス透過性の保
持板５１３、５２３、５３１で挟むことによって形成す
ることができる。

【００４３】このＣＯ除去装置５の動作及び効果につい
て、図４を参照しながら説明する。図４（ａ）は選択酸
化触媒器５０内を流通するガス間の熱移動を摸式的に示
す図、図４（ｂ）は選択酸化触媒器５０内を流通するガ
スの温度変化を摸式的に示す図である。通常、ＣＯ変成
器４から出る改質ガスは２００℃程度の温度であって、
空気混合部５１で空気が混合された混合ガスの温度は１
７０℃程度となる。

【００４４】ガス分配部５２で第１配管５５側に分配さ
れるガスは、ほぼこの温度（１７０℃程度）のまま第１
流通部５０１に導入される（図４に示す「高温混合ガ
ス」）。一方、ガス分配部５２で第２配管５６側に分配
されるガスは、冷却部６ｃからの冷却水（８０℃程度）
によって１００℃以下の適温に冷却されてから第２流通
部５０２に導入される（図４に示す「低温混合ガ
ス」）。

【００４５】第１流通部５０１に導入される高温混合ガ
スは、選択酸化触媒の反応開始最低温度を越えているの
で、入口付近において選択酸化反応して発熱しガス温が
上昇しながら第１流通部５０１を流通する。それと共
に、第２流通部５０２に導入された低温混合ガスに対し
て放熱しながら第１流通部５０１を流通する。この入口
付近では、高温混合ガス中のＣＯ濃度が高いので選択酸
化反応が激しく進み、発熱に伴ってガス温度も上昇する
が、高温混合ガスと低温混合ガスとの温度差が比較的大
きいので、図４（ａ）中で矢印Ａ1に示すように放熱量
が比較的大きい。従って、高温混合ガスが過度（２５０
℃以上）に昇温するようなことはない。

【００４６】そして、高温混合ガスは下流側に進むにつ
れてＯ₂が消費されることによりＯ₂濃度が低下するの
で、選択酸化反応も緩やかになる。それに伴って、図４
（ａ）中で矢印Ａ2、Ａ3で示すように、高温混合ガスか
らの放熱量も徐々に小さくなる。一方、第２流通部５０
２に導入された低温混合ガスは、選択酸化触媒の反応開
始最低温度より低いが、バッファ空間５２２を通過しな
がら高温混合ガスから熱を受けることによって昇温す
る。そして、保持板５２３を通過して触媒層に入るあた
りでは、選択酸化触媒の反応開始最低温度を越えるの
で、選択酸化反応して発熱しながら第２流通部５０２を
流通する。そして、この発熱に伴ってガス温度も上昇す
るが、図４（ａ）中で矢印Ｂ1〜Ｂ3に示すようにガス流
通管５２１から外部へ放熱するので、過度（２５０℃以
上）に昇温するようなことはない。

【００４７】なお、下記図８（ｂ）の変形例でも説明す
るが、図４に示す選択酸化触媒器５０の例では、バッフ
ァ空間５２２がバッファ空間５１２よりもガス流通方向
に若干長く設定され、低温混合ガスの方が高温混合ガス
よりも下流側で触媒層に入るようになっているが、仮に
バッファ空間５２２のところに選択酸化触媒が充填され
ているとしても、この部分では低温混合ガスの反応が開
始されず通過してしまうため、ほぼ同様の動作及び効果
を示すことになる。

【００４８】図５は、角筒型の選択酸化触媒器５０の一
例を示す斜視図である。本図に示す選択酸化触媒器５０
の例では、内部に選択酸化触媒が充填されたガス流通管
５２４が角筒形であって、選択酸化触媒層が平板状の仕
切板５１４で仕切られることによって、平板状の第１流
通部５０１及び第２流通部５０２が形成されている。

【００４９】そして、高温混合ガスが導入される第１流
通部５０１が、低温混合ガスが導入される一対の第２流
通部５０２によって挟まれた構成になっている。このよ
うな角筒型の選択酸化触媒器５０においても、上記円筒
型の選択酸化触媒器５０において説明した効果と同様の
効果を奏する。〔実施の形態２〕図６は、本実施の形態にかかる固体高
分子型の燃料電池発電システムの構成図である。この燃
料電池発電システムは、ＣＯ除去装置５以外は実施の形
態１の燃料電池発電システムと同様の構成である。

【００５０】本実施形態のＣＯ除去装置５は、実施の形
態１のＣＯ除去装置５と同様の構成であるが、選択酸化
触媒器５０には、これと熱交換できるよう冷却水通路５
４０が設けられている。図７は、本実施形態のＣＯ除去
装置の具体例を示す図であって、全体的には実施の形態
１で図３に示したものとほぼ同様の構成である。

【００５１】本図に示す例では、冷却水通路５４０はガ
ス流通管５２１の外周を覆う円筒状であって、配管１０
８を経由して燃料電池６から送られていくる冷却水は、
この冷却水通路５４０を流通した後、配管５８を経由し
てガス冷却部５３の冷却水路５７に送り込まれるように
なっている。このＣＯ除去装置５の冷却水通路５４０に
は、冷却部６ｃからの８０℃程度の冷却水が流通する。
これによって第２流通部５０２が冷却され、第２流通部
５０２から外部へ放熱される放熱量〔実施形態１の図４
（ａ）における矢印Ｂ1〜Ｂ3参照〕が、実施の形態１の
場合より大きくなると共に、冷却部６ｃからの冷却水温
度が８０℃程度と適温であるため、第２流通部５０２の
温度を選択酸化性の優れる温度範囲にコントロールしや
すい。

【００５２】また、選択酸化触媒器５０を外部から冷却
する冷却量が大きくなるため、低温混合ガスに対する高
温混合ガスの分配比率を比較的大きく設定することがで
きる。なお、本実施形態においても、冷却水の流れる方
向を逆にして、ガス冷却部５７、冷却水通路５４０を通
過させて熱交換された冷却水を、燃料電池６の冷却部６
ｃに流してもよく、冷却水通路５４０を通過した冷却水
は、燃料電池６の運転温度に近い程度になっているた
め、これを冷却に用いることで燃料電池６の温度制御を
容易に行うことができる。

【００５３】また、、本実施形態では冷却水通路５４０
を円筒状に形成したが、ガス流通管５２１の外周に冷却
水用の配管をコイル状に巻きつけたものによっても同様
の冷却効果を発揮することができる。また、実施の形態
１で図５に示した角筒型の選択酸化触媒器５０に対して
も、第２流通部５０２の外側に平板状の冷却水通路を積
層して設けることによって、上記円筒型の場合と同様に
実施し同様の効果を得ることができる。

【００５４】（実施の形態１，２の選択酸化触媒器５０
についての変形例）図８（ａ）〜（ｄ）は、上記実施の
形態１，２で説明した選択酸化触媒器５０についてその
変形例を示す図である。図８（ａ）〜（ｃ）の例では、
仕切部材としての内筒管５１１が、ガス流通管５２１内
における入口付近だけに設けられており、下流側には設
けられていない。

【００５５】従って、このガス入口付近においては、高
温の混合ガスと低温の混合ガスが別々に流れるが、選択
酸化触媒層の下流側においては両者が混合されて流れ
る。このように選択酸化触媒層の下流側でガスが合流し
ても、選択酸化触媒層の入口付近における急激な反応は
抑制され、同様の効果を得ることができる。また、この
ように選択酸化触媒層の下流側でガスが合流させること
によって、、例えば、第２流通部５０２において局所的
に反応開始最低温度まで上昇せず反応不良が生じたよう
な場合でも、下流側で第２流通部５０２のガスと混合さ
れることによって確実に反応が開始されるので、確実に
高反応率を得られるという効果も期待できる。

【００５６】図８（ｂ）の例では、図８（ａ）における
低温混合ガスの入口部分であるバッファ空間５２２のと
ころにも選択酸化触媒が充填されている。この場合も、
低温混合ガスは、反応開始最低温度以上に加熱昇温され
るまでは反応開始しないので、選択酸化触媒層の入口付
近における急激な反応は抑制され、同様な効果が得られ
る。ただし、低温の混合ガスの入口部分におけるバッフ
ァ作用は得られない。

【００５７】図８（ｃ）の例では、図８（ａ）の例に対
して、高温混合ガスと低温混合ガスとが入れ代わって導
入されている。すなわち、この例では、第１配管５５か
ら内筒管５１１とガス流通管５２１との間に高温混合ガ
スが供給され、第２配管５６から内筒管５１１内に低温
混合ガスが供給される。この場合も、選択酸化触媒層の
入口付近における急激な反応は抑制され、同様な効果が
得られる。

【００５８】次に、図８（ｄ）の例について説明する。
上記実施の形態１の図２，３や実施の形態２の図７に示
す例では、ＣＯ除去装置５において、配管５６に分配さ
れた混合ガスを冷却するガス冷却部５３が、選択酸化触
媒器５０とは別個に設けられていたが、この図８（ｄ）
に示す例では、配管５６に分配された混合ガスを冷却す
るガス冷却部が、選択酸化触媒器５０と一体に構成され
ており、ガス冷却部５３は設けられていない。

【００５９】すなわち、図８（ｄ）の例では、図８
（ｃ）の例と同様、第１配管５５から内筒管５１１とガ
ス流通管５２１との間に高温混合ガスが供給され、第２
配管５６から内筒管５１１内に低温混合ガスが供給され
ているが、更に、選択酸化触媒器５０の外周に設けられ
た冷却水通路５４０の周りに混合ガス冷却用通路５５０
が設けられている。そして、ガス分配部５２で配管５６
に分配された混合ガスは、混合ガス冷却用通路５５０に
導入され、この混合ガス冷却用通路５５０で冷却され、
低温混合ガスとして内筒管５１１内に供給されるように
なっている。

【００６０】この場合もやはり同様な効果を得ることが
できる。なお、このような図８（ａ）〜（ｄ）の変形例
は、上記図５に示した角筒型の選択酸化触媒器５０に対
しても適用することができる。また、上記実施の形態
１，２のＣＯ除去装置５では、空気混合部５１で改質ガ
スに空気を混合して混合ガスを生成してから、ガス分配
部５２で混合ガスを分配するようにしたが、逆に、ガス
分配部で改質ガスを分配してから、分配された各ガスに
空気を混合するようにすることも可能である。ただし、
上記実施の形態１，２のように先に空気を混合しその後
で混合ガスを分配する方が、ＣＯ除去装置の構成を簡素
にすることができる。

【００６１】〔実施の形態３〕上記実施の形態１や実施
の形態２では、ＣＯ除去装置５において、選択酸化触媒
器５０とは別個にガス分配部５２やガス冷却部５３が設
けられていたが、本実施形態のＣＯ除去装置５では、選
択酸化触媒器５０にガス分配部５２，ガス冷却部５３の
機能を付加させたものに相当する機能付選択酸化触媒器
５９が設けられ、空気混合部５１で生成された混合ガス
は、この機能付選択酸化触媒器５９に直接送り込まれる
ようになっている。

【００６２】図９に、機能付選択酸化触媒器５９の例を
示す。図９（ａ）に示す機能付選択酸化触媒器５９は、
図７に示した選択酸化触媒器５０と同様に、ガス流通管
５２１の中に選択酸化触媒が充填されて選択酸化触媒層
が形成され、選択酸化触媒層が内筒管５１１で仕切られ
て第１流通部５０１と第２流通部５０２とが形成され、
更に第２流通部５０２の外周を囲んで冷却水通路５４０
が設けられているが、ガス入口部分には、第１流通部５
０１及び第２流通部５０２の両方に通じるバッファ空間
５３０が設けられており、空気混合部５１から送り込ま
れる混合ガスは、バッファ空間５３０から第１流通部５
０１と第２流通部５０２とに分配されるようになってい
る。

【００６３】また機能付選択酸化触媒器５９において
は、冷却水通路５４０の一部がバッファ空間５３０と隣
接しており、冷却水通路５４０を流れる冷却水は、第２
流通部５０２に流れ込もうとする混合ガスとは熱交換す
るが、第１流通部５０１に流れ込もうとする混合ガスと
はほとんど熱交換されないようになっている。従って、
この機能付選択酸化触媒器５９において、第１流通部５
０１には空気混合部５１からの高温（１７０℃近い温
度）の混合ガスが導入され、一方の第２流通部５０２に
は、冷却部６ｃからの冷却水（８０℃程度）によって１
００℃以下の低温に冷却された混合ガスが導入されるこ
とになる。そして、第１流通部５０１及び第２流通部５
０２に導入された後の混合ガスは、実施の形態１，２で
説明したの場合と同様に動作するので、選択酸化触媒層
の入口付近における急激な反応は抑制され、容易に温度
コントロールできるという効果を奏する。

【００６４】図９（ｂ）に示す機能付選択酸化触媒器５
９は、内筒管５１１が選択酸化触媒層の出口付近には設
けられておらず、第１流通部５０１及び第２流通部５０
２を流通するガスが触媒層の出口付近で混合される以外
は図９（ａ）に示すものと同様である。また、図９
（ｃ）に示す機能付選択酸化触媒器５９は、内筒管５１
１が選択酸化触媒層の入口付近だけに設けられ且つ内筒
管５１１の外側には触媒が充填されていないが、それ以
外は図９（ａ）に示すものと同様である。

【００６５】従って、この図９（ｂ），（ｃ）の機能付
選択酸化触媒器５９においても、図９（ａ）の場合と同
様、選択酸化触媒層の入口付近における急激な反応は抑
制され、容易に温度コントロールできるという効果を奏
する。図９（ｄ）に示す機能付選択酸化触媒器５９は、
内筒管５１１が選択酸化触媒層より上流側だけに設けら
れ、内筒管５１１の内側及び外側には選択酸化触媒層は
形成されていないが、それ以外は図９（ａ）に示すもの
と同様である。

【００６６】この図９（ｄ）に示す例でも、第１流通部
５０１に高温混合ガス、第２流通部５０２に低温混合ガ
スが導入される点は同じであるが、選択酸化触媒層が存
在するところでは仕切り（内筒管５１１）が存在しな
い。従って、第１流通部５０１に導入される高温混合ガ
スと第２流通部５０２に導入される低温混合ガスとが、
選択酸化触媒層の中である程度の混合はなされるが、高
温混合ガスと低温混合ガスとの温度差があるため、選択
酸化触媒層の入口付近ですぐに混合されるわけではなく
しばらく並行して流れる。すなわち、選択酸化触媒層の
入口付近では、仕切版がなくても実際には別々の流路が
形成されることになる。

【００６７】従って、この図９（ｄ）に示す例において
も、効果は多少劣るものの、選択酸化触媒層の入口付近
における急激な反応は抑制され、容易に温度コントロー
ルできると考えられる。図９（ｅ）に示す機能付選択酸
化触媒器５９では、更に、空気混合部の機能も付加され
ている。すなわちこの機能付選択酸化触媒器５９には、
ガス流通管５２１のバッファ空間５３０より上流側に空
気混合部５６０が一体形成されている。この空気混合部
５６０は、空気混合部５１と同様の機能を持つものであ
って、ガス流通管５２１の入口部分（図中斜線部分）
に、ガスの流れを乱すための金属板が充填され、空気ポ
ンプからの空気配管が合流するように構成されている。

【００６８】そして、ＣＯ変成器４から送られてくる改
質ガスは、この空気混合部５６０で空気が混合され、当
該混合ガスはバッファ空間５３０を通過して、高温混合
ガスは第１流通部５０１に低温混合ガスは第２流通部５
０２に導入される。なお、このような図９（ａ）〜
（ｅ）の変形例は、上記図５に示した角筒型の選択酸化
触媒器５０に対しても適用される。

【００６９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、ＣＯ除
去装置において、ＣＯを含む水素リッチなガスに酸化剤
を混合した混合ガスの一部分を選択酸化触媒部に導入す
ると共に、混合ガスの他部分をこれより低い温度で選択
酸化触媒部に導入し、選択酸化触媒部の入口付近を、導
入された混合ガスの一部分と他部分とが、選択酸化触媒
部内の別々流路を互いに熱交換可能な状態で並行して流
通されるよう構成することによって、従来のＣＯ除去装
置と比べて、選択酸化触媒層を冷却する冷却機構の構成
を簡素にし、温度制御も容易に行えるようになる。

【００７０】また、選択酸化触媒部を、ガス流通管の内
部に仕切部材が筒状に設けられた二重管構造にすれば、
装置構成が簡素で且つ低温の混合ガスと高温の混合ガス
との熱交換も効率よくなされる。このような本発明のＣ
Ｏ除去装置は、比較的簡素な構成で温度制御がしやすい
ので、燃料電池発電システムに適用することによってそ
のシステム構成を簡素化することもでき、特に携帯式あ
るいは可搬式の燃料電池発電システムに適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１にかかる燃料電池発電システムの
構成図である。

【図２】実施の形態１にかかるＣＯ除去装置の一例を示
す概略斜視図である。

【図３】図２のＣＯ除去装置の構成を摸式的に示す図で
ある。

【図４】実施の形態１にかかるＣＯ除去装置の動作を説
明する図である。

【図５】角筒型の選択酸化触媒器の一例を示す斜視図で
ある。

【図６】実施の形態２にかかる固体高分子型の燃料電池
発電システムの構成図である。

【図７】実施の形態２のＣＯ除去装置の具体例を示す図
である。

【図８】実施の形態１，２で説明した選択酸化触媒器に
ついての変形例を示す図である。

【図９】実施の形態３にかかる機能付選択酸化触媒器の
例を示す図である。

【図１０】燃料電池発電システムの一従来例の概略構成
を示す図である。

【図１１】ＣＯ除去装置の一従来例を示す図である。

【符号の説明】

３改質器４ＣＯ変成器５ＣＯ除去装置６燃料電池６ｃ冷却部５０選択酸化触媒器５１空気混合部５２ガス分配部５３ガス冷却部５５第１配管５６第２配管５７冷却水路５９機能付選択酸化触媒器５０１第１流通部５０２第２流通部５１１内筒管５１４仕切板５２１ガス流通管５４０冷却水通路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガス流通管内に選択酸化触媒が充填され
てなる選択酸化触媒部に、一酸化炭素を含む水素リッチ
なガスに酸化剤が混合されてなる混合ガスを流通させる
ことによって一酸化炭素を選択的に酸化するＣＯ除去装
置であって、前記混合ガスの一部分を第１の温度で前記選択酸化触媒
部に導入する第１ガス導入手段と、前記混合ガスの他部分を前記第１の温度よりも低い第２
の温度で前記選択酸化触媒部に導入する第２ガス導入手
段とを備え、前記選択酸化触媒部は、少なくともその入口付近におい
て前記第１ガス導入手段から導入された混合ガスと第２
ガス導入手段から導入された混合ガスとが当該選択酸化
触媒部内における別々の流路を互いに熱交換可能な状態
で並行して流通されるよう構成されていることを特徴と
するＣＯ除去装置。
【請求項２】前記選択酸化触媒部には、その少なくとも入口付近において、ガス流通管の流通方
向に沿って熱伝導性材料からなる仕切部材が挿設される
ことによって、前記第１ガス導入手段から導入される混
合ガスが流通する第１流通路と、前記第２ガス導入手段
から導入される混合ガスが流通する第２流通路とが形成
されていることを特徴とする請求項１記載のＣＯ除去装
置。
【請求項３】前記選択酸化触媒部は、前記ガス流通管の内部に前記仕切部材が筒状に設けられ
た二重管構造であることを特徴とする請求項２記載のＣ
Ｏ除去装置。
【請求項４】前記ガス流通管の外周には、冷却媒体が流通する冷却媒体用通路が、前記選択酸化触
媒部と熱交換可能に設けられていることを特徴とする請
求項３記載のＣＯ除去装置。
【請求項５】前記第２ガス導入手段が、ガス冷却部を
備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載の
ＣＯ除去装置。
【請求項６】一酸化炭素を含む水素リッチなガスに酸
化剤を混合してなる混合ガスを、前記第１ガス導入手段
と第２ガス導入手段とに分配するガス分配部を備えるこ
とを特徴とする請求項５記載のＣＯ除去装置。
【請求項７】一酸化炭素を含む水素リッチなガスに酸
化剤を混合して混合ガスを生成する混合部を備えること
を特徴とする請求項６記載のＣＯ除去装置。
【請求項８】請求項４記載のＣＯ除去装置と、当該Ｃ
Ｏ除去装置で処理された水素リッチなガスを用いて発電
する燃料電池とを備える燃料電池発電システムであっ
て、前記燃料電池を通過して熱交換される冷却媒体が、前記
冷却媒体用通路を流通するよう構成されていることを特
徴とする燃料電池発電システム。
【請求項９】請求項５記載のＣＯ除去装置と、当該Ｃ
Ｏ除去装置で処理された水素リッチなガスを用いて発電
する燃料電池とを備える燃料電池発電システムであっ
て、前記燃料電池を通過して熱交換される冷却媒体が、前記
冷却部を通過するよう構成されていることを特徴とする
燃料電池発電システム。