JP2002216827A - 燃料電池用改質系におけるｃｏ変成器 - Google Patents
燃料電池用改質系におけるｃｏ変成器Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】ＣＯ変成器内の温度分布を適切に制御すること
ができ、また最小限の触媒量で所期のＣＯ変成目的を達
成できるＣＯ変成器を得る。 【解決手段】容器内に変成触媒および冷媒流通装置を配
置するとともに、被処理改質ガスがその一方の端から他
方の端へ流通するようにしてなるＣＯ変成器であって、
被処理改質ガスの流通方向に対し、変成触媒に接する冷
媒流通装置の冷却面の面積が順次連続的に小さく、また
は、順次段階的に小さくなるようにしてなることを特徴
とする燃料電池用改質系におけるＣＯ変成器。
ができ、また最小限の触媒量で所期のＣＯ変成目的を達
成できるＣＯ変成器を得る。 【解決手段】容器内に変成触媒および冷媒流通装置を配
置するとともに、被処理改質ガスがその一方の端から他
方の端へ流通するようにしてなるＣＯ変成器であって、
被処理改質ガスの流通方向に対し、変成触媒に接する冷
媒流通装置の冷却面の面積が順次連続的に小さく、また
は、順次段階的に小さくなるようにしてなることを特徴
とする燃料電池用改質系におけるＣＯ変成器。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用改質系
におけるＣＯ変成器、すなわち燃料電池に連結した改質
器、ＣＯ変成器を含む改質系におけるＣＯ変成器に関す
る。
におけるＣＯ変成器、すなわち燃料電池に連結した改質
器、ＣＯ変成器を含む改質系におけるＣＯ変成器に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】水素を燃料とする燃料電池として固体高
分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸型燃料電池（ＰＡ
ＦＣ）といったものが知られている。水素（水素ガス）
は、電解法等のほか、メタン、エタン、プロパン、ブタ
ン、都市ガス、ＬＰガス、天然ガス、その他の炭化水素
ガス（２種以上の炭化水素の混合ガスを含む）の部分酸
化法（部分燃焼法）や水蒸気改質法、あるいは両者を組
み合わせた方法（内燃式改質法）により得られる。この
うち部分酸化法では反応：ＣＨ4＋１／２Ｏ2→ＣＯ＋２
Ｈ2により水素を生成させるもので、その報告例はなく
はないが、その多くは内燃式改質法に関するものであ
る。
分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸型燃料電池（ＰＡ
ＦＣ）といったものが知られている。水素（水素ガス）
は、電解法等のほか、メタン、エタン、プロパン、ブタ
ン、都市ガス、ＬＰガス、天然ガス、その他の炭化水素
ガス（２種以上の炭化水素の混合ガスを含む）の部分酸
化法（部分燃焼法）や水蒸気改質法、あるいは両者を組
み合わせた方法（内燃式改質法）により得られる。この
うち部分酸化法では反応：ＣＨ4＋１／２Ｏ2→ＣＯ＋２
Ｈ2により水素を生成させるもので、その報告例はなく
はないが、その多くは内燃式改質法に関するものであ
る。
【０００３】内燃式改質法は、発熱型の部分酸化反応と
吸熱型の水蒸気改質反応を組み合せたもので、原料ガス
がメタンの場合の反応は下記式（１）〜（５）により表
される。式（１）のような一部のメタンの完全酸化反
応、式（２）のような一部のメタンの部分酸化反応を経
て、（３）〜（４）の反応が後続し、（２）〜（４）の
反応で生成するＣＯを水蒸気と反応させるシフト反応
（５）を経て、最終的にＨ 2とＣＯ2が生成する。
吸熱型の水蒸気改質反応を組み合せたもので、原料ガス
がメタンの場合の反応は下記式（１）〜（５）により表
される。式（１）のような一部のメタンの完全酸化反
応、式（２）のような一部のメタンの部分酸化反応を経
て、（３）〜（４）の反応が後続し、（２）〜（４）の
反応で生成するＣＯを水蒸気と反応させるシフト反応
（５）を経て、最終的にＨ 2とＣＯ2が生成する。
【０００４】
【化 １】
【０００５】図１はこの改質器を模式的に示した図であ
る。概略、酸化触媒を配置した部分酸化反応部と改質触
媒を配置した水蒸気改質反応部とにより構成され、原料
ガス（炭化水素ガス）、水、空気から水素リッチな改質
ガスが得られる。ところが、改質ガス中には未反応のメ
タン、水蒸気〔反応（１）での生成水蒸気や別途導入添
加した水蒸気〕、生成炭酸ガスのほか、一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）が副生して８〜１５％（容量）程度含まれている。
る。概略、酸化触媒を配置した部分酸化反応部と改質触
媒を配置した水蒸気改質反応部とにより構成され、原料
ガス（炭化水素ガス）、水、空気から水素リッチな改質
ガスが得られる。ところが、改質ガス中には未反応のメ
タン、水蒸気〔反応（１）での生成水蒸気や別途導入添
加した水蒸気〕、生成炭酸ガスのほか、一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）が副生して８〜１５％（容量）程度含まれている。
【０００６】一方、水蒸気改質法は、原料ガス（炭化水
素ガス）を水蒸気により改質して水素リッチな改質ガス
を生成させる方法である。水蒸気改質法でも改質器が用
いられ、接触反応によりそれら原料ガスが水素リッチな
改質ガスへ変えられる。図２は水蒸気改質器を模式的に
示す図で、概略、バーナあるいは燃焼触媒を充填した燃
焼部（加熱部）と改質触媒を充填した改質部とにより構
成される。改質部では原料ガスが水蒸気と反応して水素
リッチな改質ガスが生成される。改質部で起こる反応は
大きな吸熱を伴うので、燃焼部での燃料ガスの空気によ
る燃焼により発生した燃焼熱（ΔＨ）が改質部に供給さ
れる。燃焼触媒としては例えば白金等の貴金属触媒が用
いられ、改質触媒としては例えばＮｉ系、Ｒｕ系等の触
媒が用いられる。
素ガス）を水蒸気により改質して水素リッチな改質ガス
を生成させる方法である。水蒸気改質法でも改質器が用
いられ、接触反応によりそれら原料ガスが水素リッチな
改質ガスへ変えられる。図２は水蒸気改質器を模式的に
示す図で、概略、バーナあるいは燃焼触媒を充填した燃
焼部（加熱部）と改質触媒を充填した改質部とにより構
成される。改質部では原料ガスが水蒸気と反応して水素
リッチな改質ガスが生成される。改質部で起こる反応は
大きな吸熱を伴うので、燃焼部での燃料ガスの空気によ
る燃焼により発生した燃焼熱（ΔＨ）が改質部に供給さ
れる。燃焼触媒としては例えば白金等の貴金属触媒が用
いられ、改質触媒としては例えばＮｉ系、Ｒｕ系等の触
媒が用いられる。
【０００７】原料ガスがメタンである場合の水蒸気改質
反応は下記式（６）で示される。しかし、内燃式改質法
の場合と同じく、水蒸気改質法でも生成する改質ガス中
には未反応のメタン、改質用に導入した水蒸気のうち未
利用の水蒸気、生成炭酸ガスのほか、一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）が副生して８〜１５％（容量）程度含まれている。
反応は下記式（６）で示される。しかし、内燃式改質法
の場合と同じく、水蒸気改質法でも生成する改質ガス中
には未反応のメタン、改質用に導入した水蒸気のうち未
利用の水蒸気、生成炭酸ガスのほか、一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）が副生して８〜１５％（容量）程度含まれている。
【０００８】
【化 ２】
【０００９】図３は、改質器からからＰＥＦＣに至るま
での態様例を示す図である。改質器から順次、ＣＯ変成
器、ＣＯ酸化器（ＣＯ選択酸化器）を経てＰＥＦＣが連
結されている。原料ガスとして都市ガスやＬＰガスを用
いる場合、これらガスにはメルカプタン類、サルファイ
ド類、あるいはチオフェン類などの付臭剤が添加されて
いる。改質触媒は、これら硫黄化合物により被毒し性能
劣化を来してしまうので、それらの硫黄化合物を除去す
るために脱硫器へ導入される。次いで、改質器へ導入さ
れ、改質器中での改質反応により水素リッチな改質ガス
が生成される。
での態様例を示す図である。改質器から順次、ＣＯ変成
器、ＣＯ酸化器（ＣＯ選択酸化器）を経てＰＥＦＣが連
結されている。原料ガスとして都市ガスやＬＰガスを用
いる場合、これらガスにはメルカプタン類、サルファイ
ド類、あるいはチオフェン類などの付臭剤が添加されて
いる。改質触媒は、これら硫黄化合物により被毒し性能
劣化を来してしまうので、それらの硫黄化合物を除去す
るために脱硫器へ導入される。次いで、改質器へ導入さ
れ、改質器中での改質反応により水素リッチな改質ガス
が生成される。
【００１０】図３では、改質器として図２のような改質
器を用いた場合を示しているが、図１のような改質器を
用いる場合も同様である。なお、後述のとおりＰＡＦＣ
ではＣＯ酸化器は必要としない。このように、ＣＯ酸化
器を必要としない場合もあるが、本明細書においては、
改質器にＣＯ変成器を連結する場合のほか、これにＣＯ
酸化器を連結する場合を含めて「改質器、ＣＯ変成器を
含む改質系」ないし「燃料電池用改質系」と指称してい
る。
器を用いた場合を示しているが、図１のような改質器を
用いる場合も同様である。なお、後述のとおりＰＡＦＣ
ではＣＯ酸化器は必要としない。このように、ＣＯ酸化
器を必要としない場合もあるが、本明細書においては、
改質器にＣＯ変成器を連結する場合のほか、これにＣＯ
酸化器を連結する場合を含めて「改質器、ＣＯ変成器を
含む改質系」ないし「燃料電池用改質系」と指称してい
る。
【００１１】改質ガスは、シフト反応（＝ＣＯ変成反
応）、すなわち前記副生ＣＯを炭酸ガスと水素に変える
ためにＣＯ変成器にかけられる。ＣＯ変成器では例えば
銅ー亜鉛系や白金触媒等の変成触媒（＝シフト触媒）が
用いられるが、その触媒を機能させるには２００〜２５
０℃程度の温度が必要である。ＣＯ変成器中でのシフト
反応は下記反応式（７）で示される。
応）、すなわち前記副生ＣＯを炭酸ガスと水素に変える
ためにＣＯ変成器にかけられる。ＣＯ変成器では例えば
銅ー亜鉛系や白金触媒等の変成触媒（＝シフト触媒）が
用いられるが、その触媒を機能させるには２００〜２５
０℃程度の温度が必要である。ＣＯ変成器中でのシフト
反応は下記反応式（７）で示される。
【００１２】
【化 ３】
【００１３】この反応で必要な水蒸気としては、内燃式
改質法の改質器からの改質ガスでは前記式（１）の完全
酸化反応で生成した水蒸気と別途導入添加した水蒸気が
利用され、水蒸気改質法の改質器からの改質ガスでは改
質器で未利用の水蒸気が利用される。なお、ＣＯ変成器
に使用する水蒸気として、改質器で余った水蒸気だけで
は足りない場合もあるが、この場合にはＣＯ変成器に別
途水蒸気を追加導入し、ＣＯ変成反応を促進する場合も
ある。
改質法の改質器からの改質ガスでは前記式（１）の完全
酸化反応で生成した水蒸気と別途導入添加した水蒸気が
利用され、水蒸気改質法の改質器からの改質ガスでは改
質器で未利用の水蒸気が利用される。なお、ＣＯ変成器
に使用する水蒸気として、改質器で余った水蒸気だけで
は足りない場合もあるが、この場合にはＣＯ変成器に別
途水蒸気を追加導入し、ＣＯ変成反応を促進する場合も
ある。
【００１４】改質器で生成された改質ガス中のＣＯは、
ＣＯ変成器中で炭酸ガスと水素に変えられ、その濃度１
％（容量、以下同じ）程度以下まで低下される。ここ
で、水素をＰＡＦＣの燃料として使用する場合、ＰＡＦ
Ｃでの水素中のＣＯの許容濃度（上限）は１％程度であ
るので、ＣＯ変成器を経た改質ガスはそのままＰＡＦＣ
用の燃料水素として使用することができる。
ＣＯ変成器中で炭酸ガスと水素に変えられ、その濃度１
％（容量、以下同じ）程度以下まで低下される。ここ
で、水素をＰＡＦＣの燃料として使用する場合、ＰＡＦ
Ｃでの水素中のＣＯの許容濃度（上限）は１％程度であ
るので、ＣＯ変成器を経た改質ガスはそのままＰＡＦＣ
用の燃料水素として使用することができる。
【００１５】一方、ＰＥＦＣに供給する燃料水素中のＣ
Ｏ含有量は１００ｐｐｍ程度（その燃料極等の構成材料
の如何によっては１０ｐｐｍ程度）（ｐｐｍは容量、以
下同じ）が限度であり、これを超えると電池性能が著し
く劣化するので、燃料水素中のＣＯ成分はＰＥＦＣへ導
入する前にできる限り除去する必要がある。このため、
改質ガスはＣＯ変成器によりＣＯ濃度を１％程度以下ま
で低下させた後、ＣＯ酸化器にかけられる。ここで空気
等の酸化剤ガスが添加され、ＣＯの酸化反応（ＣＯ＋１
／２Ｏ2＝ＣＯ2）により、ＣＯを１００ｐｐｍ程度以
下、好ましくは５０ｐｐｍ以下、さらに好ましくは１０
ｐｐｍ以下というように低減させる。
Ｏ含有量は１００ｐｐｍ程度（その燃料極等の構成材料
の如何によっては１０ｐｐｍ程度）（ｐｐｍは容量、以
下同じ）が限度であり、これを超えると電池性能が著し
く劣化するので、燃料水素中のＣＯ成分はＰＥＦＣへ導
入する前にできる限り除去する必要がある。このため、
改質ガスはＣＯ変成器によりＣＯ濃度を１％程度以下ま
で低下させた後、ＣＯ酸化器にかけられる。ここで空気
等の酸化剤ガスが添加され、ＣＯの酸化反応（ＣＯ＋１
／２Ｏ2＝ＣＯ2）により、ＣＯを１００ｐｐｍ程度以
下、好ましくは５０ｐｐｍ以下、さらに好ましくは１０
ｐｐｍ以下というように低減させる。
【００１６】以上のうち、ＣＯ変成器でのＣＯ変成反応
（７）は、化学平衡上低温ほど進行するが、発熱反応で
あるため、その内部に冷却配管を配置するなどをして、
反応温度の上昇を回避する必要がある。図４〜６は従来
における幾つかのＣＯ変成器の例を示す図である。
（７）は、化学平衡上低温ほど進行するが、発熱反応で
あるため、その内部に冷却配管を配置するなどをして、
反応温度の上昇を回避する必要がある。図４〜６は従来
における幾つかのＣＯ変成器の例を示す図である。
【００１７】図４の例（特開平１１−１９９２０２号）
では、冷媒通流部Ｐを、冷媒通流用の複数の蛇行状の伝
熱管２１を処理室３２内の全体に広がるように配置した
蛇管式に構成されている。図５の例（特開平１１−１９
９２０２号）では、ケーシング３１にて形成される処理
室３２内に、冷媒として冷却水が通流する冷媒通流部Ｐ
と変成触媒３３を充填して、変成触媒３３が充填された
箇所を被変成ガスが通流するとともに、その被変成ガス
中の一酸化炭素ガスが二酸化炭素ガスに変成処理される
ように構成してある。
では、冷媒通流部Ｐを、冷媒通流用の複数の蛇行状の伝
熱管２１を処理室３２内の全体に広がるように配置した
蛇管式に構成されている。図５の例（特開平１１−１９
９２０２号）では、ケーシング３１にて形成される処理
室３２内に、冷媒として冷却水が通流する冷媒通流部Ｐ
と変成触媒３３を充填して、変成触媒３３が充填された
箇所を被変成ガスが通流するとともに、その被変成ガス
中の一酸化炭素ガスが二酸化炭素ガスに変成処理される
ように構成してある。
【００１８】図６の例は、改質器の周囲を囲んで構成さ
れた容器内に変成触媒および冷媒流通装置を配置すると
ともに、被処理改質ガスがその一方の端から他方の端へ
流通するようにしてなるＣＯ変成器であり、冷媒流通装
置は螺旋状の冷却配管として配置されている。本例は、
改質器とＣＯ変成器が一体化されているため、冷却媒体
として水を使用すれば、改質器からの伝熱で水蒸気を生
成できるので、改質用の水蒸気として用いることができ
る。
れた容器内に変成触媒および冷媒流通装置を配置すると
ともに、被処理改質ガスがその一方の端から他方の端へ
流通するようにしてなるＣＯ変成器であり、冷媒流通装
置は螺旋状の冷却配管として配置されている。本例は、
改質器とＣＯ変成器が一体化されているため、冷却媒体
として水を使用すれば、改質器からの伝熱で水蒸気を生
成できるので、改質用の水蒸気として用いることができ
る。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】ところが、従来におけ
る、各種ＣＯ変成器を現実に作動させて詳しく観察し、
追求したところ、改質ガスの入口側では発熱反応である
ＣＯ変化反応が進行して高い温度分布となる傾向があ
り、出口側では発熱反応であるＣＯ変成反応が殆ど進行
せず、急激に温度が下がる傾向があることが観察され
た。図７はその傾向例を示す図である（図７中、縦軸
は、被処理改質ガス入口から出口に至る各位置における
触媒の温度である）。図７中、従来例（改良前）として
示すとおり、ＣＯ変成器の入口付近ではＣＯ変成反応が
急激に進行し、また冷媒として用いた空気も加熱され、
改質ガスとの温度差が小さいため、入口付近から中間域
まではなかなか温度が下がらない。
る、各種ＣＯ変成器を現実に作動させて詳しく観察し、
追求したところ、改質ガスの入口側では発熱反応である
ＣＯ変化反応が進行して高い温度分布となる傾向があ
り、出口側では発熱反応であるＣＯ変成反応が殆ど進行
せず、急激に温度が下がる傾向があることが観察され
た。図７はその傾向例を示す図である（図７中、縦軸
は、被処理改質ガス入口から出口に至る各位置における
触媒の温度である）。図７中、従来例（改良前）として
示すとおり、ＣＯ変成器の入口付近ではＣＯ変成反応が
急激に進行し、また冷媒として用いた空気も加熱され、
改質ガスとの温度差が小さいため、入口付近から中間域
まではなかなか温度が下がらない。
【００２０】一方、中間域から出口までは、ＣＯ変成反
応があまり起こらず、また冷媒空気も加熱されていない
ことから、改質ガスとの温度差が大きいため、冷却効果
が必要以上に大きくなり、一気に温度が下がってしま
う。さらに、改質ガスの入口に近い高温部では反応速度
が速いため、反応ガスが平衡組成に達しやすい（ＣＯ変
成反応に必要な触媒が多い傾向）ことが確認された。し
かし、改質ガスの出口に近い低温部では反応速度が遅い
ため、反応ガスが平衡組成に達しにくい（ＣＯ変成反応
に必要な触媒が少ない傾向）ことが確認された。
応があまり起こらず、また冷媒空気も加熱されていない
ことから、改質ガスとの温度差が大きいため、冷却効果
が必要以上に大きくなり、一気に温度が下がってしま
う。さらに、改質ガスの入口に近い高温部では反応速度
が速いため、反応ガスが平衡組成に達しやすい（ＣＯ変
成反応に必要な触媒が多い傾向）ことが確認された。し
かし、改質ガスの出口に近い低温部では反応速度が遅い
ため、反応ガスが平衡組成に達しにくい（ＣＯ変成反応
に必要な触媒が少ない傾向）ことが確認された。
【００２１】本発明は、以上の事実を基に、従来のＣＯ
変成器を改良し、燃料電池用改質系におけるＣＯ変成器
内の温度分布を適切に制御できるだけでなく、最小限の
触媒量でＣＯ変成器として十分に作用させることがで
き、さらには改質系をコンパクト化できるなど各種効果
を得ることができる燃料電池用改質系におけるＣＯ変成
器を提供することを目的とする。
変成器を改良し、燃料電池用改質系におけるＣＯ変成器
内の温度分布を適切に制御できるだけでなく、最小限の
触媒量でＣＯ変成器として十分に作用させることがで
き、さらには改質系をコンパクト化できるなど各種効果
を得ることができる燃料電池用改質系におけるＣＯ変成
器を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】本発明は、容器内に変成
触媒および冷媒流通装置を配置するとともに、被処理改
質ガスがその一方の端から他方の端へ流通するようにし
てなるＣＯ変成器であって、被処理改質ガスの流通方向
に対し、変成触媒に接する冷媒流通装置の冷却面の面積
が順次連続的に小さくなるようにしてなることを特徴と
する燃料電池用改質系におけるＣＯ変成器を提供する。
触媒および冷媒流通装置を配置するとともに、被処理改
質ガスがその一方の端から他方の端へ流通するようにし
てなるＣＯ変成器であって、被処理改質ガスの流通方向
に対し、変成触媒に接する冷媒流通装置の冷却面の面積
が順次連続的に小さくなるようにしてなることを特徴と
する燃料電池用改質系におけるＣＯ変成器を提供する。
【００２３】また、本発明は、容器内に変成触媒および
冷媒流通装置を配置するとともに、被処理改質ガスがそ
の一方の端から他方の端へ流通するようにしてなるＣＯ
変成器であって、被処理改質ガスの流通方向に対し、変
成触媒に接する冷媒流通装置の冷却面の面積が順次段階
的に小さくなるようにしてなることを特徴とする燃料電
池用改質系におけるＣＯ変成器を提供する。
冷媒流通装置を配置するとともに、被処理改質ガスがそ
の一方の端から他方の端へ流通するようにしてなるＣＯ
変成器であって、被処理改質ガスの流通方向に対し、変
成触媒に接する冷媒流通装置の冷却面の面積が順次段階
的に小さくなるようにしてなることを特徴とする燃料電
池用改質系におけるＣＯ変成器を提供する。
【００２４】
【発明の実施の形態】本発明は、燃料電池用改質系にお
けるＣＯ変成器であって、その容器内に変成触媒を充填
し且つ該変成触媒中に冷媒流通装置を配置するととも
に、被処理改質ガスをその一方の端から他方の端へ流通
するように構成される。そして、被処理改質ガスが流通
する方向に対し、変成触媒に接する冷媒流通装置の冷却
面の面積が順次連続的に小さくなるようにしてなること
を特徴とする。
けるＣＯ変成器であって、その容器内に変成触媒を充填
し且つ該変成触媒中に冷媒流通装置を配置するととも
に、被処理改質ガスをその一方の端から他方の端へ流通
するように構成される。そして、被処理改質ガスが流通
する方向に対し、変成触媒に接する冷媒流通装置の冷却
面の面積が順次連続的に小さくなるようにしてなること
を特徴とする。
【００２５】また、本発明は、燃料電池用改質系におけ
るＣＯ変成器であって、その容器内に変成触媒を充填し
且つ該変成触媒中に冷媒流通装置を配置するとともに、
被処理改質ガスをその一方の端から他方の端へ流通する
ように構成される。そして、被処理改質ガスが流通する
方向に対し、変成触媒に接する冷媒流通装置の冷却面の
面積が順次段階的に小さくなるようにしてなることを特
徴とする。
るＣＯ変成器であって、その容器内に変成触媒を充填し
且つ該変成触媒中に冷媒流通装置を配置するとともに、
被処理改質ガスをその一方の端から他方の端へ流通する
ように構成される。そして、被処理改質ガスが流通する
方向に対し、変成触媒に接する冷媒流通装置の冷却面の
面積が順次段階的に小さくなるようにしてなることを特
徴とする。
【００２６】ＣＯ変成器を以上のように構成することに
より、ＣＯ変成器内の温度分布を適切に制御することが
できる。併せて、最小限の触媒量で、低温部の触媒量を
多く、高温部の触媒量を相対的に少なくし、ＣＯ変成器
として十分に作用させることができる。図７に、本発明
において、冷却媒体として空気を用いた場合に得られた
触媒層の温度分布を示している。図７中、本発明の例
(改良後)として示すとおり、ＣＯ変成触媒による被処理
改質ガス入口付近の急激な温度上昇が防がれ、従来例
(改良前)に比べて、その出口に至るまで改善されている
ことが分かる。
より、ＣＯ変成器内の温度分布を適切に制御することが
できる。併せて、最小限の触媒量で、低温部の触媒量を
多く、高温部の触媒量を相対的に少なくし、ＣＯ変成器
として十分に作用させることができる。図７に、本発明
において、冷却媒体として空気を用いた場合に得られた
触媒層の温度分布を示している。図７中、本発明の例
(改良後)として示すとおり、ＣＯ変成触媒による被処理
改質ガス入口付近の急激な温度上昇が防がれ、従来例
(改良前)に比べて、その出口に至るまで改善されている
ことが分かる。
【００２７】変成触媒を充填したＣＯ変成器における冷
媒流通装置には各種形式があり得るが、本発明は、例え
ば前記図４〜６のような構造のＣＯ変成器とは限らず、
いずれの形式のＣＯ変成器にも適用される。冷媒流通装
置に通す冷媒としては、空気、水、その他適宜の冷媒が
使用できるが、好ましくは改質器、ＣＯ変成器を含む改
質系、あるいはそれらに加えてＣＯ酸化器を含む改質系
に用いる空気、水、水蒸気又は原料ガスを使用すること
ができる。
媒流通装置には各種形式があり得るが、本発明は、例え
ば前記図４〜６のような構造のＣＯ変成器とは限らず、
いずれの形式のＣＯ変成器にも適用される。冷媒流通装
置に通す冷媒としては、空気、水、その他適宜の冷媒が
使用できるが、好ましくは改質器、ＣＯ変成器を含む改
質系、あるいはそれらに加えてＣＯ酸化器を含む改質系
に用いる空気、水、水蒸気又は原料ガスを使用すること
ができる。
【００２８】改質器に供給する原料ガスとしてはメタ
ン、エタン、プロパン、ブタン、都市ガス、ＬＰガス、
天然ガス、その他の炭化水素ガス（２種以上の炭化水素
の混合ガスを含む）が用いられる。このれら原料ガスが
硫黄化合物を含む場合には、改質器の前段に脱硫器が配
置される。また、燃料電池としてＰＥＦＣを用いる場合
には、ＣＯ変成器を経た改質ガス中のＣＯをさらに減じ
るためＣＯ変成器に続きＣＯ酸化器が配置される。
ン、エタン、プロパン、ブタン、都市ガス、ＬＰガス、
天然ガス、その他の炭化水素ガス（２種以上の炭化水素
の混合ガスを含む）が用いられる。このれら原料ガスが
硫黄化合物を含む場合には、改質器の前段に脱硫器が配
置される。また、燃料電池としてＰＥＦＣを用いる場合
には、ＣＯ変成器を経た改質ガス中のＣＯをさらに減じ
るためＣＯ変成器に続きＣＯ酸化器が配置される。
【００２９】前記のとおり、内燃式改質法の改質器では
原料ガス、水、空気が用いられる。空気としては空気の
ほか、酸素富化空気、酸素等も使用される。一方、水蒸
気改質法の改質器では、改質部へは原料ガスと水蒸気が
供給され、燃焼部へは燃料ガスと空気が供給される。上
記水、水蒸気発生用の水としては蒸留水やイオン交換水
などが用いられる。本発明においては、これらの流体を
それら流体の各導管から分岐して冷媒流通装置の冷媒と
して用いることができる。この場合には、冷媒用の設備
を別途配置する必要がないので、装置のコンパクト化そ
の他各種利点が得られる。燃料電池としてはＰＥＦＣ、
ＰＡＦＣ等の水素を燃料とする燃料電池が用いられる。
原料ガス、水、空気が用いられる。空気としては空気の
ほか、酸素富化空気、酸素等も使用される。一方、水蒸
気改質法の改質器では、改質部へは原料ガスと水蒸気が
供給され、燃焼部へは燃料ガスと空気が供給される。上
記水、水蒸気発生用の水としては蒸留水やイオン交換水
などが用いられる。本発明においては、これらの流体を
それら流体の各導管から分岐して冷媒流通装置の冷媒と
して用いることができる。この場合には、冷媒用の設備
を別途配置する必要がないので、装置のコンパクト化そ
の他各種利点が得られる。燃料電池としてはＰＥＦＣ、
ＰＡＦＣ等の水素を燃料とする燃料電池が用いられる。
【００３０】
【実施例】以下、実施例に基づき本発明をさらに詳しく
説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないこと
はもちろんである。
説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないこと
はもちろんである。
【００３１】《実施例１》図８は本発明のＣＯ変成器の
例を示す図である。円筒状容器（ケーシング）内に、冷
媒流通装置として、内管と外管との２系統の螺旋状冷媒
流通配管を配置し、ケーシング内の上下の多孔板間に変
成触媒（ＣＯ変成触媒：例えば銅ー亜鉛系触媒や白金触
媒等）を充填する。図８での円筒状容器は、縦方向に配
置しているが、横方向に配置してもよく、縦方向の上下
を逆にしてもよい。また、冷媒流通配管は、ＣＯ変成器
の規模（容器の内径等）、冷媒流通配管の外径その他の
条件如何により１系統としてもよく、３系統以上として
もよい。さらに、螺旋状の巻き数（１回りを単位とした
ときのその数）は、同じくＣＯ変成器の規模（容器の内
径等）、冷媒流通配管の外径その他の条件如何により設
定される。これらの点は以下の例でも同様である。
例を示す図である。円筒状容器（ケーシング）内に、冷
媒流通装置として、内管と外管との２系統の螺旋状冷媒
流通配管を配置し、ケーシング内の上下の多孔板間に変
成触媒（ＣＯ変成触媒：例えば銅ー亜鉛系触媒や白金触
媒等）を充填する。図８での円筒状容器は、縦方向に配
置しているが、横方向に配置してもよく、縦方向の上下
を逆にしてもよい。また、冷媒流通配管は、ＣＯ変成器
の規模（容器の内径等）、冷媒流通配管の外径その他の
条件如何により１系統としてもよく、３系統以上として
もよい。さらに、螺旋状の巻き数（１回りを単位とした
ときのその数）は、同じくＣＯ変成器の規模（容器の内
径等）、冷媒流通配管の外径その他の条件如何により設
定される。これらの点は以下の例でも同様である。
【００３２】改質器からの改質ガス、すなわちＣＯ変成
器での被処理改質ガスはケーシングの下部から多孔板を
通して変成触媒層に均等に供給される。供給改質ガス
は、変成触媒中を通り、ここで供給改質ガス中のＣＯが
水蒸気によりＨ2とＣＯ2に変成され、ケーシングの上部
の多孔板を経て排出される。冷却媒体は上部からヘッダ
を介して内管と外管とに分岐して供給され、これら冷媒
流通配管により変成触媒を冷却し、下部ヘッダを経て下
部から排出される。
器での被処理改質ガスはケーシングの下部から多孔板を
通して変成触媒層に均等に供給される。供給改質ガス
は、変成触媒中を通り、ここで供給改質ガス中のＣＯが
水蒸気によりＨ2とＣＯ2に変成され、ケーシングの上部
の多孔板を経て排出される。冷却媒体は上部からヘッダ
を介して内管と外管とに分岐して供給され、これら冷媒
流通配管により変成触媒を冷却し、下部ヘッダを経て下
部から排出される。
【００３３】本例においては、螺旋状に配置された内管
と外管からなる冷媒流通配管について、図８のとおり、
配管ピッチをその低温部から高温部にわたり連続的に疎
から密になるようにしている。配管ピッチをこのように
していることにより、ＣＯ変成器内の温度分布を適切に
制御することができる。併せて、最小限の触媒量で、低
温部の触媒量を多く、高温部の触媒量を相対的に少なく
し、ＣＯ変成器として十分に作用させることができる。
と外管からなる冷媒流通配管について、図８のとおり、
配管ピッチをその低温部から高温部にわたり連続的に疎
から密になるようにしている。配管ピッチをこのように
していることにより、ＣＯ変成器内の温度分布を適切に
制御することができる。併せて、最小限の触媒量で、低
温部の触媒量を多く、高温部の触媒量を相対的に少なく
し、ＣＯ変成器として十分に作用させることができる。
【００３４】冷媒流通配管に通す冷媒としては、空気、
水、その他適宜の冷媒が使用できるが、好ましくは改質
器、ＣＯ変成器を含む改質系に用いる空気、水、水蒸気
又は原料ガスが使用できる。すなわち、内燃式改質法の
改質器では原料ガスと水と空気が供給される。水蒸気改
質法の改質器では、その改質部へ原料ガスと水蒸気が供
給され、その燃焼部へは燃料ガスと空気が供給される。
そこで、これらのガスをその導管から分岐して冷媒流通
配管に通す冷媒として用いることができる。この場合に
は、別途その冷媒用の設備の配置が必要でないので装置
のコンパクト化その他各種利点が得られる。これらの点
は以下の例でも同様である。
水、その他適宜の冷媒が使用できるが、好ましくは改質
器、ＣＯ変成器を含む改質系に用いる空気、水、水蒸気
又は原料ガスが使用できる。すなわち、内燃式改質法の
改質器では原料ガスと水と空気が供給される。水蒸気改
質法の改質器では、その改質部へ原料ガスと水蒸気が供
給され、その燃焼部へは燃料ガスと空気が供給される。
そこで、これらのガスをその導管から分岐して冷媒流通
配管に通す冷媒として用いることができる。この場合に
は、別途その冷媒用の設備の配置が必要でないので装置
のコンパクト化その他各種利点が得られる。これらの点
は以下の例でも同様である。
【００３５】本実施例における実測例として、ＣＯ変成
器中の冷却配管のピッチを従来のように入口から出口に
わたり均等にした場合には、その入口温度２５０℃、中
間域温度２５０℃、出口温度１７０℃であったのに対し
て、冷却配管のピッチを本実施例のように構成したＣＯ
変成器では、その入口温度２５０℃、中間域温度２２０
℃、出口温度１７０℃となった。このように本発明によ
れば触媒層の温度分布を大きく緩和することができる。
器中の冷却配管のピッチを従来のように入口から出口に
わたり均等にした場合には、その入口温度２５０℃、中
間域温度２５０℃、出口温度１７０℃であったのに対し
て、冷却配管のピッチを本実施例のように構成したＣＯ
変成器では、その入口温度２５０℃、中間域温度２２０
℃、出口温度１７０℃となった。このように本発明によ
れば触媒層の温度分布を大きく緩和することができる。
【００３６】《実施例２》図９は本発明のＣＯ変成器の
他の例を示す図である。実施例１では配管ピッチの粗密
を低温部から高温部にわたり連続的に疎から密になるよ
うにしているが、本例では、これに代えて、冷媒流通配
管ピッチの粗密を低温部、中温部、高温部の３領域（す
なわち３ブロック）に分け、被処理改質ガスが流通する
方向に対し、変成触媒に接する冷媒流通配管の冷却面の
面積が順次段階的に小さくなるようにしている。
他の例を示す図である。実施例１では配管ピッチの粗密
を低温部から高温部にわたり連続的に疎から密になるよ
うにしているが、本例では、これに代えて、冷媒流通配
管ピッチの粗密を低温部、中温部、高温部の３領域（す
なわち３ブロック）に分け、被処理改質ガスが流通する
方向に対し、変成触媒に接する冷媒流通配管の冷却面の
面積が順次段階的に小さくなるようにしている。
【００３７】すなわち、本例では内管と外管からなる冷
媒流通配管について、上部から３分の１程度までの低温
部（低温域）における配管ピッチを疎に配置し、下部か
ら３分の１程度までの高温部（高温域）では配管ピッチ
を密に配置し、且つ、その間の３分の１程度の中央部を
中温部（中温域）とし、この中温部では配管ピッチをそ
れら粗密の中間程度のピッチにしている。
媒流通配管について、上部から３分の１程度までの低温
部（低温域）における配管ピッチを疎に配置し、下部か
ら３分の１程度までの高温部（高温域）では配管ピッチ
を密に配置し、且つ、その間の３分の１程度の中央部を
中温部（中温域）とし、この中温部では配管ピッチをそ
れら粗密の中間程度のピッチにしている。
【００３８】こうして、ＣＯ変成器内の温度分布を適切
に制御することができる。併せて、最小限の触媒量で、
低温部の触媒量を相対的に多く、高温部の触媒量を相対
的に少なく、且つ、中間温度領域の触媒量はその中間の
触媒量として、ＣＯ変成器として十分に作用させること
ができる。本例の変形例として、冷媒流通配管ピッチの
粗密を低温部から高温部にわたり４領域以上というよう
に分けてもよい。
に制御することができる。併せて、最小限の触媒量で、
低温部の触媒量を相対的に多く、高温部の触媒量を相対
的に少なく、且つ、中間温度領域の触媒量はその中間の
触媒量として、ＣＯ変成器として十分に作用させること
ができる。本例の変形例として、冷媒流通配管ピッチの
粗密を低温部から高温部にわたり４領域以上というよう
に分けてもよい。
【００３９】《実施例３》図１０は本発明のＣＯ変成器
の他の例を示す図である。実施例２では、低温部では配
管ピッチを疎にし、高温部では配管ピッチを密にし、そ
の間の中央部の中温部の配管ピッチをそれら粗密の間の
ピッチにしているが、本例では、内管と外管からなる冷
媒流通配管について、上部から中央部近辺までの低温部
（低温域）における配管のピッチを疎に配置し、中央部
近辺から下部までの高温部（高温域）では配管のピッチ
を密に配置して構成している。
の他の例を示す図である。実施例２では、低温部では配
管ピッチを疎にし、高温部では配管ピッチを密にし、そ
の間の中央部の中温部の配管ピッチをそれら粗密の間の
ピッチにしているが、本例では、内管と外管からなる冷
媒流通配管について、上部から中央部近辺までの低温部
（低温域）における配管のピッチを疎に配置し、中央部
近辺から下部までの高温部（高温域）では配管のピッチ
を密に配置して構成している。
【００４０】こうして、被処理改質ガスが流通する方向
に対し、変成触媒に接する冷媒流通配管の冷却面の面積
を２段階に小さくしている。この点以外は実施例１〜２
と同様である。このように低温部では冷媒流通配管ピッ
チを疎にし、高温部では冷却配管ピッチを密にしている
ことにより、ＣＯ変成器内の温度分布を適切に制御する
ことができ、併せて、最小限の触媒量で、低温部の触媒
量を多く、高温部の触媒量を相対的に少なくし、ＣＯ変
成器として十分に作用させることができる。
に対し、変成触媒に接する冷媒流通配管の冷却面の面積
を２段階に小さくしている。この点以外は実施例１〜２
と同様である。このように低温部では冷媒流通配管ピッ
チを疎にし、高温部では冷却配管ピッチを密にしている
ことにより、ＣＯ変成器内の温度分布を適切に制御する
ことができ、併せて、最小限の触媒量で、低温部の触媒
量を多く、高温部の触媒量を相対的に少なくし、ＣＯ変
成器として十分に作用させることができる。
【００４１】《実施例４》図１１は、本発明を、改質器
の周囲を囲んで構成された容器内に変成触媒および螺旋
状の冷却配管からなる冷媒流通装置を配置するととも
に、被処理改質ガスがその一方の端から他方の端へ流通
するようにしてなるＣＯ変成器に対して適用した例であ
る。図１１のとおり、被処理改質ガスが流通する方向に
対し、高温部では冷却配管ピッチを密にし、低温部では
冷媒流通配管ピッチを疎にして、変成触媒に接する冷媒
流通配管の冷却面の面積を２段階にしている。
の周囲を囲んで構成された容器内に変成触媒および螺旋
状の冷却配管からなる冷媒流通装置を配置するととも
に、被処理改質ガスがその一方の端から他方の端へ流通
するようにしてなるＣＯ変成器に対して適用した例であ
る。図１１のとおり、被処理改質ガスが流通する方向に
対し、高温部では冷却配管ピッチを密にし、低温部では
冷媒流通配管ピッチを疎にして、変成触媒に接する冷媒
流通配管の冷却面の面積を２段階にしている。
【００４２】こうしてＣＯ変成器内の温度分布を適切に
制御することができ、併せて、最小限の触媒量で、低温
部の触媒量を多く、高温部の触媒量を相対的に少なく
し、ＣＯ変成器として十分に作用させることができる。
なおこの場合、冷媒として水を用いると、気体冷媒を用
いる場合に比べて冷却効果が大きくなるため、ＣＯ変成
器出口温度が低くなり過ぎるが、本例のように出口側
（低温部）で配管ピッチを疎にすることにより、その温
度低下を防ぐこともできる。
制御することができ、併せて、最小限の触媒量で、低温
部の触媒量を多く、高温部の触媒量を相対的に少なく
し、ＣＯ変成器として十分に作用させることができる。
なおこの場合、冷媒として水を用いると、気体冷媒を用
いる場合に比べて冷却効果が大きくなるため、ＣＯ変成
器出口温度が低くなり過ぎるが、本例のように出口側
（低温部）で配管ピッチを疎にすることにより、その温
度低下を防ぐこともできる。
【００４３】本例の変形例として、冷媒流通配管のピッ
チをその低温部から高温部にわたり連続的に疎から密に
なるようにしてもよく、冷媒流通配管ピッチの粗密を低
温部、中温部、高温部の３領域に分けてもよく、またそ
の変形として冷媒流通配管ピッチの粗密を低温部から高
温部にわたり４領域以上というように分けて、被処理改
質ガスが流通する方向に対し、変成触媒に接する冷媒流
通配管の冷却面の面積が順次段階的に小さくなるように
してもよい。
チをその低温部から高温部にわたり連続的に疎から密に
なるようにしてもよく、冷媒流通配管ピッチの粗密を低
温部、中温部、高温部の３領域に分けてもよく、またそ
の変形として冷媒流通配管ピッチの粗密を低温部から高
温部にわたり４領域以上というように分けて、被処理改
質ガスが流通する方向に対し、変成触媒に接する冷媒流
通配管の冷却面の面積が順次段階的に小さくなるように
してもよい。
【００４４】
【発明の効果】本発明によれば、ＣＯ変成器内の温度分
布を適切に制御することができ、最小限の触媒量でＣＯ
変成器として十分に作用させることができる。また、冷
媒流通配管等の冷媒流通装置に通す冷却冷媒として改質
器、ＣＯ変成器を含む改質系に用いる原料ガス、水、水
蒸気又は空気を用いることにより、別途冷却冷媒用の設
備を不要とし、装置のコンパクト化その他各種効果を得
ることができる。
布を適切に制御することができ、最小限の触媒量でＣＯ
変成器として十分に作用させることができる。また、冷
媒流通配管等の冷媒流通装置に通す冷却冷媒として改質
器、ＣＯ変成器を含む改質系に用いる原料ガス、水、水
蒸気又は空気を用いることにより、別途冷却冷媒用の設
備を不要とし、装置のコンパクト化その他各種効果を得
ることができる。
【図１】改質器の例として内燃式改質器を模式的に示す
図
図
【図２】改質器の例として水蒸気改質器を模式的に示す
図
図
【図３】改質器からからＰＥＦＣに至るまでの態様例を
示す図
示す図
【図４】従来におけるＣＯ変成器の例を示す図
【図５】従来におけるＣＯ変成器の例を示す図
【図６】従来におけるＣＯ変成器の例を示す図
【図７】ＣＯ変成器における触媒層の温度分布を示す図
【図８】本発明の実施例１のＣＯ変成器を示す図
【図９】本発明の実施例２のＣＯ変成器を示す図
【図１０】本発明の実施例３のＣＯ変成器を示す図
【図１１】本発明の実施例４のＣＯ変成器を示す図
Claims (5)
- 【請求項１】容器内に変成触媒および冷媒流通装置を配
置するとともに、被処理改質ガスがその一方の端から他
方の端へ流通するようにしてなるＣＯ変成器であって、
被処理改質ガスの流通方向に対し、変成触媒に接する冷
媒流通装置の冷却面の面積が順次連続的に小さくなるよ
うにしてなることを特徴とする燃料電池用改質系におけ
るＣＯ変成器。 - 【請求項２】容器内に変成触媒および冷媒流通装置を配
置するとともに、被処理改質ガスがその一方の端から他
方の端へ流通するようにしてなるＣＯ変成器であって、
被処理改質ガスの流通方向に対し、変成触媒に接する冷
媒流通装置の冷却面の面積が順次段階的に小さくなるよ
うにしてなることを特徴とする燃料電池用改質系におけ
るＣＯ変成器。 - 【請求項３】上記ＣＯ変成器が、改質器の周囲を囲んで
構成された容器内に変成触媒および螺旋状の冷却配管か
らなる冷媒流通装置を配置するとともに、被処理改質ガ
スがその一方の端から他方の端へ流通するようにしてな
るＣＯ変成器である請求項１または２に記載の燃料電池
用改質系におけるＣＯ変成器。 - 【請求項４】上記冷媒流通装置に通す冷媒が改質器、Ｃ
Ｏ変成器を含む改質系に用いる空気、水、水蒸気または
原料ガスである請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電
池用改質系におけるＣＯ変成器。 - 【請求項５】上記燃料電池に連結した改質器、ＣＯ変成
器を含む改質系が、ＣＯ変成器の後段にＣＯ酸化器を配
置した改質系である請求項１〜４のいずれかに記載の燃
料電池用改質系におけるＣＯ変成器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001005792A JP4588224B2 (ja) | 2001-01-12 | 2001-01-12 | 燃料電池用改質系におけるｃｏ変成器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001005792A JP4588224B2 (ja) | 2001-01-12 | 2001-01-12 | 燃料電池用改質系におけるｃｏ変成器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002216827A true JP2002216827A (ja) | 2002-08-02 |
| JP4588224B2 JP4588224B2 (ja) | 2010-11-24 |
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ID=18873787
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001005792A Expired - Lifetime JP4588224B2 (ja) | 2001-01-12 | 2001-01-12 | 燃料電池用改質系におけるｃｏ変成器 |
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|---|---|
| JP (1) | JP4588224B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| JP2004189510A (ja) * | 2002-12-09 | 2004-07-08 | Nippon Oil Corp | 改質システムとその運転方法ならびに燃料電池システムとその運転方法 |
| US7294157B2 (en) | 2004-02-25 | 2007-11-13 | Honda Motor Co., Ltd. | Carbon monoxide converter |
| JP2010275117A (ja) * | 2009-05-26 | 2010-12-09 | Panasonic Corp | 水素製造装置 |
Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR102533958B1 (ko) * | 2021-09-16 | 2023-05-17 | 이재종 | 연료전지의 변성 반응시스템 |
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| JPH06140068A (ja) * | 1992-10-26 | 1994-05-20 | Toshiba Corp | 燃料電池発電システム |
| JPH08165103A (ja) * | 1994-12-09 | 1996-06-25 | Sanyo Electric Co Ltd | 転化器 |
| JPH08266885A (ja) * | 1995-04-04 | 1996-10-15 | Tokyo Gas Co Ltd | 燃料電池発電プラント用の燃料改質系反応器 |
| JPH09268001A (ja) * | 1996-04-01 | 1997-10-14 | Osaka Gas Co Ltd | 燃料電池用一酸化炭素変成器 |
| JPH09306532A (ja) * | 1996-05-21 | 1997-11-28 | Sanyo Electric Co Ltd | 燃料電池用反応器 |
| JP2000105036A (ja) * | 1998-09-29 | 2000-04-11 | Toyo Radiator Co Ltd | 氷蓄熱式熱交換器のエバポレータ |
| JP2000323157A (ja) * | 1999-05-14 | 2000-11-24 | Hitachi Ltd | 燃料電池発電システムおよびその制御方法 |
-
2001
- 2001-01-12 JP JP2001005792A patent/JP4588224B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (8)
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4588224B2 (ja) | 2010-11-24 |
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