JP2002260700A - 触媒の劣化診断方法 - Google Patents

触媒の劣化診断方法

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JP2002260700A
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temperature
deterioration
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carbon monoxide
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JP2001055945A
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Masato Yoshino
正人 吉野
Nobukazu Suzuki
信和 鈴木
Akira Harada
亮 原田
Kentaro Matsunaga
健太郎 松永
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】メンテナンスの必要性がなく、連続計測がで
き、かつ計測精度の高い触媒の劣化診断方法を提供す
る。 【解決手段】本発明に係る触媒の劣化診断方法は、容器
5に充填した触媒6に温度測定素子7a,7b,…を設
置し、設置した温度測定素子7a,7b,…により触媒
6の温度状況をモニタリングし、触媒6の劣化状況と余
寿命を把握する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば燃料電池の
一酸化炭素低減反応器に適用する触媒の劣化診断方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】例えば、燃料の持つエネルギを直接電気
的エネルギに変換する装置として燃料電池がよく知られ
ている。
【0003】この燃料電池は、例えば固体高分子電解質
膜を挟んで一側に燃料電極を配置し、他側に酸化剤電極
を配置し、各電極の外側に通路溝を備えたセパレータを
配置し、一側のセパレータの通路溝を通して燃料電極に
供給された水素を主成分とする燃料ガスと、他側のセパ
レータの通路溝を通して酸化剤電極に供給された酸化剤
ガスと反応させ、その際に発生する電子を取り出して発
電を行ようになっている。
【0004】このような原理に基づいて発電を行う燃料
電池プラントは、図4に示すように、改質器1、変成器
2、一酸化炭素低減反応器3、燃料電池本体4を備えて
いる。
【0005】改質器1は、例えば炭化系水素の燃料ガス
に水蒸気、空気を加え、部分酸化反応法、水蒸気改質反
応法、部分酸化と水蒸気改質との組合せによる反応法の
うち、いずれかの反応法を選択して水素を主成分とする
改質ガスを生成するようになっている。
【0006】変成器2は、改質器1で生成された改質ガ
スのうち、一酸化炭素を低減させるもので、シフト反応
法により一酸化炭素を二酸化炭素に変換するようなって
いる。
【0007】一酸化炭素低減反応器3は、変成器2から
の改質ガスに例えば空気等の酸化剤を加え、触媒で一酸
化炭素を反応吸収するようになっている。
【0008】このように、一酸化炭素の濃度が低くなっ
た改質ガスは、燃料ガスとして燃料電池本体4に供給さ
れ、これと同時に供給された例えば空気等の酸化剤ガス
と化学反応させ、電子を発生させて発電を行うようにな
っている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】従来、燃料電池では、
燃料電池本体4の燃料電極に触媒を被覆させ、燃料ガス
中に含まれる不純物、特に一酸化炭素が少しでも含まれ
ていると、燃料電極の触媒である白金に損傷を与え、電
池性能を低下させる要因になるので、一酸化炭素低減反
応器3に触媒を備え、変成器2から供給された改質ガス
と反応させ、一酸化炭素を吸収・除去していた。
【0010】この場合、触媒の劣化・寿命の診断は、一
酸化炭素低減反応器3から出る改質ガスのうち、一酸化
炭素ガスの濃度を計測し、計測した濃度が予め定められ
た数値を超えるかを見ながら判断を行っていた。
【0011】一酸化炭素ガスの濃度を計測する際、従
来、一酸化炭素低減反応器3は、その出口側にガスクロ
マトグラフィ、赤外線等の分析計を備えて一酸化濃度を
計測していた。
【0012】しかし、このような分析計は、メンテナン
スや計測調整に多くの時間と労力を費やし、特に、ガス
クロマトグラフィの場合、連続計測ができない等の不都
合、不具合があった。
【0013】本発明は、このような事情に基づいてなさ
れたもので、メンテナンスの必要性がなく、連続計測が
でき、かつ計測精度の高い触媒の劣化診断方法を提供す
ることを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明に係る触媒の劣化
診断方法は、上述の目的を達成するために、請求項1に
記載したように、容器に充填した触媒に、ガスの流れ方
向に沿って複数の温度測定素子を設置し、設置した温度
測定素子により前記触媒の温度状況をモニタリングし、
前記触媒の劣化状況と余寿命を把握するものである。
【0015】また、本発明に係る触媒の劣化診断方法
は、上述の目的を達成するために、請求項2に記載した
ように、容器を複数段に形成し、複数段に形成した容器
内に触媒を充填し、充填した触媒に、ガスの流れ方向に
沿って温度測定素子を設置し、設置した温度測定素子に
より前記触媒の温度状況をモニタリングし、前記触媒の
劣化状況と余寿命を把握するものである。
【0016】また、本発明に係る触媒の劣化診断方法
は、上述の目的を達成するために、請求項3に記載した
ように、容器内の触媒を複数に分割して充填し、複数に
分割して充填した触媒に、ガスの流れ方向に沿って温度
測定素子を設置し、設置した温度測定素子により前記触
媒の温度状況をモニタリングし、前記触媒の劣化状況と
余寿命を把握するものである。
【0017】また、本発明に係る触媒の劣化診断方法
は、上述の目的を達成するために、請求項4に記載した
ように、温度測定素子は、触媒のピーク値を持った温度
分布とその温度分布の移動速度をモニタリングするもの
である。
【0018】また、本発明に係る触媒の劣化診断方法
は、上述の目的を達成するために、請求項5に記載した
ように、温度測定素子は、熱電対、サーモラベル、バイ
メタル、光ファイバ式温度計、サーモグラフィのうち、
いずれかを選択して触媒の温度状況をモニタリングする
ものである。
【0019】また、本発明に係る触媒の劣化診断方法
は、上述の目的を達成するために、請求項6に記載した
ように、容器は、燃料電池の一酸化炭素低減反応器とし
て使用するものである。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る触媒の劣化診
断方法の実施形態を図面および図面に付した符号を引用
して説明する。
【0021】図1は、本発明の実施形態を説明するため
に用いた概念図である。図中、(a)は、一酸化炭素低
減反応触媒層における温度測定素子の設置を説明する概
念図であり、(b)は、改質ガスの反応時における温度
分布の時間変化を示すグラフである。
【0022】本発明者等は、鋭意研究を重ねた結果、改
質ガスの酸化反応速度が速く、また、発熱量も大きいた
め、一酸化炭素低減反応器の入口付近で急激に温度上昇
し、触媒層の改質ガス流れ方向に対しピーク値を持った
温度分布が生じることがわかった。
【0023】また、時間が経過するに連れ、触媒は劣化
していくが、その劣化が改質ガス入口付近から生じ、反
応領域が改質ガス後流側へ移動し、ピーク値を持った温
度分布も同様に改質ガスの後流側へ移動することがわか
った。
【0024】したがって、温度分布とその温度分布の移
動速度をモニタリングすれば、触媒の劣化度合と余寿命
を予測し、把握できると考え、発明するに至った。
【0025】すなわち、本実施形態は、図1の(a)に
示すように、一酸化炭素低減反応器5に充填させ、酸化
剤を加えた改質ガスのうち、一酸化炭素と反応させる触
媒6に、複数の温度測定素子7a,7b,…を等間隔に
設置する。この場合、半径方向には中心部に設置するの
が好ましいが、位置は問わない。温度測定素子7a,7
b,…は、熱電対、サーモラベル、バイメタル、光ファ
イバ式温度計、サーモグラフィのうち、いずれかが選択
される。
【0026】また、触媒6は、粒状、ハニカム、金属発
泡体など形状を一切問わない。
【0027】一方、改質ガスと触媒6との反応が起って
いるときの温度分布は、図1の(b)のように、改質ガ
スの酸化反応速度が非常に速く、発熱量も大きいので、
一酸化炭素低減反応器5の入口付近で急激な温度上昇が
生じ、ピーク値を持った分布になる。触媒6が劣化する
と、反応活性が低下し、反応量が減少し、発熱量も低下
する。このとき、触媒6の劣化は、入口付近から生じる
ため、順次改質ガス後流側へと反応活性の高い部分が移
動し、温度が最も高くなる位置も改質ガス後流側へ移動
する。なお、触媒量を充分に一酸化炭素低減反応器5に
充填している場合、一酸化炭素低減反応器5の出口付近
では反応が終了しているため温度上昇は認められない
が、触媒6の劣化が進むに連れてその出口付近も温度上
昇する。そして、一酸化炭素低減反応器5の出口で計測
していた一酸化炭素の濃度が10ppmを超えると、触
媒6は劣化が激しく寿命がゼロとして交換される。
【0028】このように、本実施形態は、一酸化炭素低
減反応器5に充填した触媒6のガスの流れ方向に沿って
複数の温度測定素子7a,7b,…を設置し、温度測定
素子7a,7b,…により改質ガスの入口側から出口側
に向ってピーク値を持った触媒6の温度分布をモニタリ
ングするので、触媒6の劣化および余寿命を簡便にして
的確に検出して予測し、把握することができる。
【0029】なお、本実施形態は、一酸化炭素低減反応
器5に充填し、改質ガスの入口側から出口側に向って長
く延びた触媒6に複数の温度測定素子7a,7b,…を
設置し、ピーク値を持った触媒6の温度分を改質ガスの
入口側から出口側に向ってモニタリングしたが、この例
に限らず、例えば、図2に示すように、一酸化炭素低減
反応器5を第1一酸化炭素低減反応器8a、第2一酸化
炭素低減反応器8b、第3一酸化炭素低減反応器8c、
…と複数の段に形成し、形成した各段の一酸化炭素低減
反応器8a,8b,…のそれぞれに触媒6を充填し、触
媒6の温度分布をモニタリングしてもよく、また、例え
ば、図3に示すように、触媒6を分割型にして一酸化炭
素低減反応器5に充填し、各分割型の触媒6の温度分を
モニタリングしてもよい。
【0030】
【発明の効果】以上の説明のとおり、本発明に係る触媒
の劣化診断方法は、ガスと反応中の触媒の温度分布とそ
の温度分布の移動速度を温度測定素子を用いてモニタリ
ングすることにより簡便にして的確に触媒の劣化度合と
余寿命を予測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る触媒の劣化診断方法の第1実施形
態を説明するために用いた概念図で、(a)は、触媒に
温度測定素子を設置することを説明する概念図、(b)
は、改質ガスの反応時における温度分布の時間変化を示
すグラフ。
【図2】本発明に係る触媒の劣化診断方法の第2実施形
態を説明するために用いた概念図。
【図3】本発明に係る触媒の劣化診断方法の第3実施形
態を説明するために用いた概念図。
【図4】従来の燃料電池プラントを示す概略系統図。
【符号の説明】
1 改質器 2 変成器 3 一酸化炭素低減反応器 4 燃料電池本体 5 一酸化炭素低減反応器 6 触媒 7a,7b,7c 温度測定素子 8a 一酸化炭素低減反応器 8b 一酸化炭素低減反応器 8c 一酸化炭素低減反応器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原田 亮 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目4番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 松永 健太郎 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目4番地 株式会社東芝京浜事業所内 Fターム(参考) 4G040 EA02 EA03 EA06 EB31 EB43 EB47 4G140 EA02 EA03 EA06 EB31 EB43 EB47 5H027 AA02 BA01 BA17 KK41

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 容器に充填した触媒に、ガスの流れ方向
    に沿って複数の温度測定素子を設置し、設置した温度測
    定素子により前記触媒の温度状況をモニタリングし、前
    記触媒の劣化状況と余寿命を把握することを特徴とする
    触媒の劣化診断方法。
  2. 【請求項2】 容器を複数段に形成し、複数段に形成し
    た容器内に触媒を充填し、充填した触媒に、ガスの流れ
    方向に沿って温度測定素子を設置し、設置した温度測定
    素子により前記触媒の温度状況をモニタリングし、前記
    触媒の劣化状況と余寿命を把握することを特徴とする触
    媒の劣化診断方法。
  3. 【請求項3】 容器内の触媒を複数に分割して充填し、
    複数に分割して充填した触媒に、ガスの流れ方向に沿っ
    て温度測定素子を設置し、設置した温度測定素子により
    前記触媒の温度状況をモニタリングし、前記触媒の劣化
    状況と余寿命を把握することを特徴とする触媒の劣化診
    断方法。
  4. 【請求項4】 温度測定素子は、触媒のピーク値を持っ
    た温度分布とその温度分布の移動速度をモニタリングす
    ることを特徴とする請求項1,2または3記載の触媒の
    劣化診断方法。
  5. 【請求項5】 温度測定素子は、熱電対、サーモラベ
    ル、バイメタル、光ファイバ式温度計、サーモグラフィ
    のうち、いずれかを選択して触媒の温度状況をモニタリ
    ングすることを特徴とする請求項1,2または3記載の
    触媒の劣化診断方法。
  6. 【請求項6】 容器は、燃料電池の一酸化炭素低減反応
    器として使用することを特徴とする請求項1,2または
    3記載の触媒の劣化診断方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004214133A (ja) * 2003-01-08 2004-07-29 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池メンテナンス運転処理システム
JPWO2017038397A1 (ja) * 2015-08-31 2018-06-21 日立化成株式会社 排ガス処理装置およびガス捕捉材劣化状況推定方法

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