JP2004193013A - Fuel cell power generating device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料改質系の改質器から生成された水素リッチな燃料に含まれている一酸化炭素(CO)を処理する一酸化炭素処理装置を備えた燃料電池発電装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
家庭用電源、自動車用動力源、商業用電源等として開発が進められている燃料電池発電装置では、原燃料として例えば炭化水素系燃料を用い、この炭化水素系燃料を水蒸気改質、部分酸化またはオートサーマル等の手法を用いて水素リッチな燃料改質ガスに改質させている。
【0003】
このような手法を用いて生成される水素リッチな燃料改質ガスには、燃料電池アノード極の被毒成分である一酸化炭素(CO)が多く含まれており、燃料電池本体での発電の際、電池性能を低下させる要因になっている。
【0004】
このため、燃料電池発電装置、例えば固体高分子型燃料電池発電装置では、一酸化炭素処理装置、具体的には一酸化炭素変成器および一酸化炭素選択酸化器を用い、一酸化炭素変成器で、触媒の下、一酸化炭素と水蒸気によるシフト反応により一酸化炭素濃度を1%以下に低減させ、さらに一酸化炭素選択酸化器で、触媒の下、空気等の酸化剤と選択酸化させて二酸化炭素を生成し、一酸化炭素濃度を数ppmのレベルまで低減させた後、燃料電池本体に供給し、ここで、触媒の下、水素リッチガスと酸素とを反応させ、電気を発生させている。
【0005】
ところで、一酸化炭素変成器や一酸化炭素選択酸化器には、通常、触媒によって一酸化炭素濃度を低減させるため、球状または円柱状等の粒状触媒が用いられている。
【0006】
しかし、これら粒状触媒は、その活性を支配する表面積を大きくすることに限界があり、必然的に反応容器自体の容積が大きくなる傾向にあった。
【0007】
また、触媒担体として主に用いられるアルミナやシリカ等の無機材料は、伝熱特性が低いために昇温速度が遅く、このため起動時間が比較的長く要する等の不具合、不都合があった。
【0008】
一方、自動車排ガス浄化用には、メタルハニカムに活性成分である触媒を担持させたメタルモノリス触媒が、開発されている。
【0009】
しかし、このメタルモノリス触媒は、活性成分を担持できるメタルハニカム担体の長さ(燃料ガスの流れ方向の長さ)が、例えば170mm以上にも長くなり、触媒を均等に担持させることが難しくなる等の問題を抱えていた。
【0010】
また、燃料電池発電装置用においても従来から使用している粒状の触媒に変えて、例えば、ハニカム構造、発泡体構造、あるいはコルゲート構造の担持体に触媒を担持させた発明として、例えば、特開2000−264603号公報が開示されているが、その具体的な構造については述べられていない。
【0011】
このため、燃料電池発電装置には、構造がコンパクトで、放熱量が少なく、起動特性の優れた一酸化炭素処理装置の実現が求められているものの、未だ、摸索の段階であるといえる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、例えば、家庭用に適用される燃料電池発電装置は、週単位、月単位の連続運転よりもむしろ、朝、起動させ、夜、停止させる等の1日単位での頻繁な起動と停止との繰り返し運転が想定されることから、起動特性がきわめて重要になっている。例えば、スイッチをONすると、発電がすぐさま開始される等、対応の迅速化が切望されている。
【0013】
また、産業用と較べて家庭用の燃料電池発電装置は、電気出力が小さいため、相対的に一酸化炭素変成器や一酸化炭素選択酸化器からの放熱量が大きくなっており、装置の発電効率を下げる原因となっている。この点からも反応器をコンパクトにして放熱量を少なくさせる一方、触媒の接触表面積をより広く確保させて発電効率を向上させることが必要とされる。
【0014】
本発明は、このような背景技術に照らしてなされたもので、一酸化炭素変成器や一酸化炭素選択酸化器に代表される一酸化炭素処理装置の触媒表面積をより広く確保させるとともに、装置全体をコンパクトにして放熱量を少なくさせ、起動時間をより一層短くさせる燃料電池発電装置を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池発電装置は、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、炭化水素系原燃料を水素リッチなガスに改質させる燃料改質系と、この燃料改質系からの燃料改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素変成器および一酸化炭素選択酸化器から構成される一酸化炭素処理系と、この一酸化炭素処理系から出た燃料改質ガス中の水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させ、その際に発生する電力を取り出す発電系とを備えた燃料電池発電装置において、前記一酸化炭素変成器または一酸化炭素選択酸化器のうち、少なくとも一方の反応器胴体内に触媒活性成分を担持してなるメタルハニカムを配置した構造体を複数個接続して構成され、前記メタルハニカム間に空間領域が設けられているものである。
【0016】
また、本発明に係る燃料電池発電装置は、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、炭化水素系原燃料を水素リッチなガスに改質させる燃料改質系と、この燃料改質系からの燃料改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素変成器および一酸化炭素選択酸化器から構成される一酸化炭素処理系と、この一酸化炭素処理系から出た燃料改質ガス中の水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させ、その際に発生する電力を取り出す発電系とを備えた燃料電池発電装置において、一酸化炭素処理系は、第1段一酸化炭素変成器、第2段一酸化炭素変成器、一酸化炭素選択酸化器を燃料改質ガスの流れに沿って順に直列設置する構成にするとともに、前記第1段一酸化炭素変成器と前記第2段一酸化炭素変成器との間に一酸化炭素変成器用中間冷却器を備える一方、前記一酸化炭素選択酸化器の入口側と出口側とのそれぞれに一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器と一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器とを備えたものである。
【0017】
また、本発明に係る燃料電池発電装置は、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、第1段一酸化炭素変成器、第2段一酸化炭素変成器および一酸化炭素選択酸化器のうち、少なくとも一つ以上の反応器胴体内には、セル密度の異なるメタルモノリス触媒を担持させた複数の担持体を収容させたものである。
【0018】
また、本発明に係る燃料電池発電装置は、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、第1段一酸化炭素変成器、第2段一酸化炭素変成器および一酸化炭素選択酸化器のうち、少なくとも一つ以上の反応器胴体内には、触媒活性成分の担持量の異なる複数のメタルモノリス触媒を収容させたものである。
【0019】
また、本発明に係る燃料電池発電装置は、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、第1段一酸化炭素変成器、第2段一酸化炭素変成器および一酸化炭素選択酸化器のうち、少なくとも一つ以上の反応器胴体内には、複数のメタルモノリス触媒を収容させるとともに、前記複数のメタルモノリス触媒間、およびその入口側および出口側のそれぞれに空間領域を形成したものである。
【0020】
また、本発明に係る燃料電池発電装置は、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、前記一酸化炭素処理系は、第1段一酸化炭素変成器、一酸化炭素変成器用中間冷却器、第2段一酸化炭素変成器を一つのブロック体として一体集合させ、一体集合させたブロック体に断熱材で被覆させる構成にしたものである。
【0021】
また、本発明に係る燃料電池発電装置は、上述の目的を達成するために、請求項7に記載したように、一酸化炭素変成器用中間冷却器は、第1段一酸化炭素変成器出口の改質ガスを冷却して第2段一酸化炭素変成器へ供給するとともに、改質用水蒸気を確保するため、燃料改質系に設けた蒸気発生器で加熱された水を、さらに加熱するものである。
【0022】
また、本発明に係る燃料電池発電装置は、上述の目的を達成するために、請求項8に記載したように、前記一酸化炭素処理系は、第1段一酸化炭素変成器、一酸化炭素変成器用中間冷却器、第2段一酸化炭素変成器、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器を一つのブロック体として一体集合させ、一体集合させたブロック体に断熱材で被覆させる構成にしたものである。
【0023】
また、本発明に係る燃料電池発電装置は、上述の目的を達成するために、請求項9に記載したように、一酸化炭素選択酸化器前置冷却器を、第2段一酸化炭素変成器の出口改質ガスを冷却して一酸化炭素選択酸化器へ供給するとともに、改質用水蒸気を確保するため、蒸気発生器および一酸化炭素変成器用中間冷却器で加熱された水を、さらに加熱するものである。
【0024】
また、本発明に係る燃料電池発電装置は、上述の目的を達成するために、請求項10に記載したように、前記一酸化炭素処理系は、第1段一酸化炭素変成器、一酸化炭素変成器用中間冷却器、第2段一酸化炭素変成器、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器、一酸化炭素選択酸化器、一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器を一つのブロック体として一体集合させ、一体集合させたブロック体に断熱材で被覆させる構成にするものである。
【0025】
また、本発明に係る燃料電池発電装置は、上述の目的を達成するために、請求項11に記載したように、一酸化炭素選択酸化器後置冷却器は、一酸化炭素選択酸化器出口の改質ガスを冷却して発電系の燃料電池アノードに供給し、改質用水蒸気を確保するため燃料改質系の蒸気発生器への供給水を予熱するものである。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池発電装置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。
【0027】
図1は、本発明に係る燃料電池発電装置の実施形態を示す概略系統図である。
【0028】
本実施形態に係る燃料電池発電装置は、原燃料Fを水素リッチな燃料ガスに改質させる燃料改質系1と、この燃料改質系1で改質された燃料改質ガスに含まれている一酸化炭素(CO)の濃度を低減化させる一酸化炭素処理系2と、この一酸化炭素処理系2からの燃料改質ガス中の水素と空気中の酸素を反応させ、その際、発生する電気を取り出す発電系3とで構成されている。
【0029】
燃料改質系1は、脱硫器4、予熱器5、改質器6、蒸気発生器7、空気供給装置8を備え、起動運転時、脱硫器4で炭化水素系の原燃料Fの硫黄を脱硫後、その一部を起動用燃料供給系9を介して改質器6の起動用バーナ10に供給し、ここで、空気供給装置8の起動用空気を混合させて燃焼ガスを生成し、改質器6内を加熱させる一方、脱硫後の残りの原燃料Fに水蒸気供給系11からの水蒸気を加えて、予熱器5で加熱させた後、改質器6の改質触媒12に供給し、ここで水蒸気改質させて水素リッチな燃料改質ガスを生成し、生成した燃料改質ガスは予熱器5に供給され、上述水蒸気を加えた燃料ガスと熱交換され、一酸化炭素処理系2に供給する構成になっている。
【0030】
なお、改質器6内を加熱させた燃焼ガスは、排ガス系13を介して蒸気発生器7に熱源として供給され、給水供給系14からの水を水蒸気にした後、大気に排ガスとして放出される。
【0031】
また、一酸化炭素処理系2は、第1段一酸化炭素変成器15、一酸化炭素変成器用中間冷却器16、第2段一酸化炭素変成器17、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器18、一酸化炭素選択酸化器19、一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器20を燃料改質ガスの流れに沿って順に直列設置し、予熱器5で原燃料Fと熱交換した改質器6の改質触媒12からの水素リッチな燃料改質ガスのうち、燃料改質ガスに含まれる一酸化炭素を第1段一酸化炭素変成器15の貴金属系または銅亜鉛系の触媒の下、一酸化炭素濃度を2%程度に低減させる。
【0032】
第1段一酸化炭素変成器15で一酸化炭素濃度を2%程度に低減された燃料改質ガスは、一酸化炭素変成器用中間冷却器16で蒸気発生器7からの水蒸気で冷却され、温度約200℃程度にして第2段一酸化炭素変成器17に供給され、ここで貴金属系等の触媒の下、一酸化炭素濃度1%以下に低減される。
【0033】
第2段一酸化炭素変成器17で一酸化炭素濃度を1%以下に低減された燃料改質ガスは、例えばブロアで大気から吸込んだ空気が空気供給系21を介して加えられ、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器18で上述一酸化炭素変成器用中間冷却器16から供給される水蒸気により温度120℃程度に冷却された後、一酸化炭素選択酸化器19で一酸化炭素濃度が数ppm程度に低減される。
【0034】
一酸化炭素選択酸化器19で一酸化炭素濃度を数ppm程度に低減された燃料改質ガスは、例えば一般の市水または発電系3からポンプ32を介して一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器20に供給される冷却水で冷却される。燃料改質ガスを冷却させた冷却水は、給水供給系14を介して燃料改質系1の蒸気発生器7に供給される。
【0035】
なお、第1段一酸化炭素変成器15、第2段一酸化炭素変成器17および一酸化炭素選択酸化器19のそれぞれは、触媒の下、発熱反応により一酸化炭素濃度を低減させている。
【0036】
また、発電系3は、燃料電池本体23とアノードオフガス系24とを備え、一酸化炭素処理系2からの一酸化炭素濃度を低減させた水素リッチなガスを燃料電池本体23の燃料電池アノードへ供給し、燃料電池カソード(ともに図示せず)に流した空気中の酸素と化学反応させ、電気を発生させる一方、アノード極で未反応となった燃料改質ガス(アノードオフガス)を、アノードオフガス系24を介して改質器6のメインバーナ25に供給する。
【0037】
そして、メインバーナ25は、燃料電池本体3の発電が開始されると、燃料電池本体23での未反応の燃料改質ガス(アノードオフガス)に、空気供給装置8からの空気が加えられ、燃焼ガスを生成する。なお、アノードオフガスによる燃焼が開始された後、起動用燃料供給系9を介して改質器6の起動用バーナ10に供給されていた原燃料Fは停止される。
【0038】
このように、本実施形態は、一酸化炭素処理系2を第1段一酸化炭素変成器15、第2段一酸化炭素変成器17および一酸化炭素選択酸化器19に区分けし、各変成器15、17および選択酸化器19に直列設置して構成するとともに、各変成器15、17および選択酸化器19の中間および前後に一酸化炭素変成器用中間冷却器16、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器18、一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器20を設置し、各冷却器16、18、20で燃料改質ガスを冷却させ、各変成器15、17および選択酸化器19のそれぞれに収容する触媒が最も高い性能を発揮できるように反応器温度を維持させたので、燃料改質ガスに含まれている一酸化炭素の濃度をより一層低濃度化させることができる。
【0039】
図2は、本発明に係る燃料電池発電装置の一酸化炭素処理装置2に適用する第1段一酸化炭素変成器15、第2段一酸化炭素変成器17、一酸化炭素選択酸化器19を構成する一体成型された反応器胴体とメタルモノリス触媒層の概念図である。
【0040】
本実施形態に係る構造体は、ハニカム構造に形成され、ハニカム構造の壁面部に貴金属系触媒、例えば白金、ルテニウム等の触媒をコーティングした、いわゆるメタルモノリス触媒26である。
【0041】
このメタルモノリス触媒26は、筒状の反応器胴体27にハニカム構造の担持体を収容固定した後、ハニカム構造の壁面部に触媒活性成分が担持される。このとき、メタルモノリス触媒26は軸方向の長さ(燃料改質ガスの流れ方向)は170mm以下、セル密度600cpsi(セル数/平方インチ)以上においては、100mm以下にしてある。
【0042】
これは、ハニカム構造の担持体の壁面部に触媒活性成分をコーティングするとき、むらが出て均質に担持できなくなることを考慮したものである。
【0043】
第1段一酸化炭素変成器15、第2段一酸化炭素変成器17、一酸化炭素選択酸化器19は、このように形成されたメタルモノリス触媒26を、図3に示すように、円筒の両端を例えば溶接で接続し、長筒状の反応器胴体27に収容固定された構造とする。具体的には、長筒状の反応器胴体27は、予め別体で作製した複数のメタルハニカムに、第1反応器胴体27aおよび第2反応器胴体27bを巻き付け、例えばロウ付けで一体固設した後、触媒活性成分を担持し、それぞれの胴体の端面を例えば溶接部Eの線に沿って溶接接続して一体の反応器胴体27として形成する。なお、反応器胴体27には、第1メタルモノリス触媒26aの入口側に、燃料改質ガス入口ノズル29が、第2メタルモノリス触媒26bの出口側に、燃料改質ガス出口ノズル30がそれぞれ設けられている。
【0044】
そして、第1反応器胴体27aに、例えばロウ付けで一体固設した第1メタルモノリス触媒26aと第2反応器胴体27bに、例えばロウ付けで一体固設した第2メタルモノリス触媒26bとの間に空間領域28を形成するとともに、第1メタルモノリス触媒26aと第1反応器胴体27aの燃料改質ガス入口ノズル29との間、および第2メタルモノリス触媒26bと第2反応器胴体27bの燃料改質ガス出口ノズル30との間には、それぞれ空間領域31a、31bが形成される。
【0045】
なお、空間領域31a、31bを反応器胴体27に形成するのは、燃料改質ガスが各メタルモノリス触媒26a、26bを通過するとき、混合ができなくなるので、これらの領域31a、31bで燃料改質ガスを混合させて、流れに偏流をさせないようにするためである。
【0046】
また、第1メタルモノリス触媒26aと第2メタルモノリス触媒26bとの間に空間領域28を形成したのは、第1反応器胴体27aと第2反応器胴体27bとを溶接接続する際、溶接熱の第1メタルモノリス触媒26a、第2メタルモノリス触媒26bへの影響を与えないためでもある。
【0047】
このように、本実施形態は、触媒を担持する担持体をハニカム構造にし、ハニカム構造の壁面部に触媒をコーティングする、いわゆる第1および第2メタルモノリス触媒26a,26bとし、触媒の表面積をより大きく確保させたので、燃料改質ガスを触媒で効率よく反応させることができ、従来の粒状またはペレット状の触媒に較べて触媒体積を少なくして熱容量を小さくすることができ、これに伴って反応器胴体27から外部への放熱を少なくすることができるとともに起動に伴う昇温速度を速めることができ、起動時間をより一層短くすることができる。
【0048】
図4は、本発明に係る燃料電池発電装置の一酸化炭素処理装置2に適用する第1段一酸化炭素変成器15等の第2実施形態を示す概念図である。
【0049】
第1段一酸化炭素変成器15、第2段一酸化炭素変成器17、一酸化炭素選択酸化器19を備える一酸化炭素処理装置2は、反応器胴体27にメタルモノリス触媒26を収容固定させる際、空間領域28、31a、31bを形成して第1メタルモノリス触媒26aと第2メタルモノリス触媒26bとの複数に区分けして挿着する。
【0050】
この場合、第1メタルモノリス触媒26aと第2メタルモノリス触媒26bとは、ハニカム構造の担持体のセル密度またはコーティングする触媒の担持量を互いに異ならしめている。
【0051】
従来、一酸化炭素処理装置2は、燃料改質ガスを触媒に反応させる際、入口側で急激な触媒反応が起るため、触媒の温度が急上昇し、長年の使用の結果、性能劣化、損耗の要因になっていた。
【0052】
本実施形態は、このような点を考慮したもので、第1メタルモノリス触媒26aと第2メタルモノリス触媒26bの担持体としてのハニカムのセル密度またはハニカムにコーティングする触媒の担持量を変化させたもので、例えば第1メタルモノリス触媒26aの触媒反応を第2メタルモノリス触媒26bに較べて緩やかにし、触媒入口側の急激な温度上昇を抑制したものである。
【0053】
このように、本実施形態は、一酸化炭素処理装置2の反応器胴体27に収容する第1メタルモノリス触媒26aと第2メタルモノリス触媒26bの担持体としてのハニカムのセル密度またはハニカムにコーティングする触媒の担持量を異ならしめて触媒反応の際、温度上昇を抑制する構成にしたので、一酸化炭素処理装置2に寿命の長い安定した触媒反応を行わせることができる。なお、選択酸化反応の場合、一酸化炭素選択酸化器19は、触媒を低温にしておくと、一酸化炭素反応率が高くなるので、比較的少ない酸化剤で一酸化炭素を酸化することができ、ひいては酸化剤投入量を少なくして燃料電池効率を向上させることができる点で有効である。
【0054】
図5は、本発明に係る燃料電池発電装置の一酸化炭素処理装置の第1実施形態を示す概念図である。
【0055】
本実施形態に係る一酸化炭素処理装置2は、第1段一酸化炭素変成器15、一酸化炭素変成器用中間冷却器16、第2段一酸化炭素変成器17、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器18、一酸化炭素選択酸化器19、一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器20のうち、第1段一酸化炭素変成器15、一酸化炭素変成器用中間冷却器16、第2段一酸化炭素変成器17を適用対象にしている。
【0056】
本実施形態に係る一酸化炭素処理装置2は、第1段一酸化炭素変成器15、一酸化炭素変成器用中間冷却器16、第2段一酸化炭素変成器17を一つのブロック体32aとして一体集合させ、一体集合させたブロック体32aに、例えば分割したセラミックス等の断熱材33で被覆させたものである。なお、破線で示す符号FGは、燃料改質ガスの流れを示している。
【0057】
このように、本実施形態は、第1段一酸化炭素変成器15、一酸化炭素変成器用中間冷却器16、第2段一酸化炭素変成器17を一つのブロック体32aとして一体集合させ、一体集合させたブロック体32aに断熱材33で被覆させたので、一酸化炭素処理装置2の設置面積をより一層少なくさせることができ、各機器から発生する発熱反応に伴う外部への放熱をより一層少なくさせることができる。
【0058】
図6は、本発明に係る燃料電池発電装置の一酸化炭素処理装置の第2実施形態を示す概念図である。
【0059】
本実施形態に係る一酸化炭素処理装置2は、第1段一酸化炭素変成器15、一酸化炭素変成器用中間冷却器16、第2段一酸化炭素変成器17、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器18、一酸化炭素選択酸化器19、一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器20のうち、第1段一酸化炭素変成器15、一酸化炭素変成器用中間冷却器16、第2段一酸化炭素変成器17、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器18を適用対象にしている。
【0060】
本実施形態に係る一酸化炭素処理装置2は、第1段一酸化炭素変成器15、一酸化炭素変成器用中間冷却器16、第2段一酸化炭素変成器17、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器18を一つのブロック体32bとして一体集合させ、一体集合させたブロック体32bに、例えば分割したセラミックス等の断熱材33で被覆させたものである。なお、破線で示す符号FGは、燃料改質ガスの流れを示している。
【0061】
このように、本実施形態は、第1段一酸化炭素変成器15、一酸化炭素変成器用中間冷却器16、第2段一酸化炭素変成器17、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器18を一つのブロック体32bとして一体集合させ、一体集合させたブロック体32bに断熱材33で被覆させたので、一酸化炭素処理装置2の設置面積をより一層少なくさせることができ、各機器から発生する発熱反応に伴う外部への放熱をより一層少なくさせることができる。
【0062】
図7は、本発明に係る燃料電池発電装置の一酸化炭素処理装置の第3実施形態を示す概念図である。
【0063】
本実施形態に係る一酸化炭素処理装置2は、第1段一酸化炭素変成器15、一酸化炭素変成器用中間冷却器16、第2段一酸化炭素変成器17、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器18、一酸化炭素選択酸化器19、一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器20で構成されたすべての機器を適用対象としている。
【0064】
本実施形態に係る一酸化炭素処理装置2は、第1段一酸化炭素変成器15、一酸化炭素変成器用中間冷却器16、第2段一酸化炭素変成器17、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器18、一酸化炭素選択酸化器19、一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器20を一つのブロック体32cとして一体集合させ、一体集合させたブロック体32cに、例えば分割したセラミックス等の断熱材33で被覆させたものである。なお、破線で示す符号FGは、燃料改質ガスの流れを示している。
【0065】
このように、本実施形態は、第1段一酸化炭素変成器15、一酸化炭素変成器用中間冷却器16、第2段一酸化炭素変成器17、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器18、一酸化炭素選択酸化器19、一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器20を一つのブロック体32aとして一体集合させ、一体集合させたブロック体32cに断熱材33で被覆させたので、一酸化炭素処理装置2の設置面積をより一層少なくさせることができ、各機器から発生する発熱反応に伴う外部への放熱をより一層少なくさせることができる。
【0066】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る燃料電池発電装置は、一酸化炭素処理装置を、第1段一酸化炭素変成器、一酸化炭素変成器用中間冷却器、第2段一酸化炭素変成器、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器、一酸化炭素選択酸化器、一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器で構成し、第1段一酸化炭素変成器、第2段一酸化炭素変成器、一酸化炭素選択酸化器のそれぞれに収容する少なくとも一つ以上のメタルモノリス触媒をハニカム構造の担持体として構成するとともに、各担持体のセル密度や触媒担持量を異ならしめたので、燃料改質ガスとの反応温度を低く抑えて反応温度の急激な上昇を抑制することができると同時に、燃料改質ガスとの反応面積をより広く確保することができるため触媒容積を小さくすることができる。
【0067】
また、各機器を一体集合させ、一体集合させた一酸化炭素処理装置を断熱材で被覆させたので、設置面積をより一層少なくさせることができ、一酸化炭素処理装置の触媒の反熱反応に伴う熱の外部への放熱がより一層少なくなるので、燃料電池の発電効率を高めることができるとともに、起動時間も短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃料電池発電装置の実施形態を示す概略系統図。
【図2】本発明に係る燃料電池発電装置の一酸化炭素処理装置のうち、容器にメタルモノリス触媒を収容したことを示す概念図。
【図3】本発明に係る燃料電池発電装置の一酸化炭素処理装置に含まれる反応器の第1実施形態を示す概念図。
【図4】本発明に係る燃料電池発電装置の一酸化炭素処理装置に含まれる反応器の第2実施形態を示す概念図。
【図5】本発明に係る燃料電池発電装置の一酸化炭素処理装置の第1実施形態を示す概念図。
【図6】本発明に係る燃料電池発電装置の一酸化炭素処理装置の第2実施形態を示す概念図。
【図7】本発明に係る燃料電池発電装置の一酸化炭素処理装置の第3実施形態を示す概念図。
【符号の説明】
1 燃料改質系
2 一酸化炭素処理系
3 発電系
4 脱硫器
5 予熱器
6 改質器
7 蒸気発生器
8 空気供給装置
9 起動用燃料供給系
10 起動用バーナ
11 水蒸気供給系
12 改質触媒
13 排ガス系
14 給水供給系
15 第1段一酸化炭素変成器
16 一酸化炭素変成器用中間冷却器
17 第2段一酸化炭素変成器
18 一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器
19 一酸化炭素選択酸化器
20 一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器
21 空気供給系
22 ポンプ
23 燃料電池本体
24 アノードオフガス系
25 メインバーナ
26 メタルモノリス触媒
26a 第1メタルモノリス触媒
26b 第2メタルモノリス触媒
27 反応器胴体
27a 第1反応器胴体
27b 第2反応器胴体
28 空間領域
29 燃料改質ガス入口ノズル
30 燃料改質ガス出口ノズル
31a,31b 空間領域
32a,32b,32c ブロック体
33 断熱材[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell power generator including a carbon monoxide processing device that processes carbon monoxide (CO) contained in a hydrogen-rich fuel generated from a reformer of a fuel reforming system.
[0002]
[Prior art]
In a fuel cell power generator which is being developed as a household power source, a vehicle power source, a commercial power source, etc., for example, a hydrocarbon fuel is used as a raw fuel, and the hydrocarbon fuel is subjected to steam reforming, partial oxidation or The fuel is reformed into a hydrogen-rich fuel reformed gas using a method such as autothermal.
[0003]
The hydrogen-rich fuel reformed gas generated by such a method contains a large amount of carbon monoxide (CO), which is a poisoning component of the anode of the fuel cell, and the power generation in the fuel cell itself is performed. In this case, it is a factor that lowers battery performance.
[0004]
For this reason, a fuel cell power generator, for example, a polymer electrolyte fuel cell power generator, uses a carbon monoxide treatment device, specifically, a carbon monoxide converter and a carbon monoxide selective oxidizer, and uses a carbon monoxide converter. Under a catalyst, the carbon monoxide concentration is reduced to 1% or less by a shift reaction with carbon monoxide and water vapor, and the carbon dioxide is selectively oxidized with an oxidizing agent such as air under a catalyst in a carbon monoxide selective oxidizer. After generating carbon and reducing the concentration of carbon monoxide to a level of several ppm, it is supplied to the fuel cell main body, where a hydrogen-rich gas and oxygen are reacted under a catalyst to generate electricity.
[0005]
Meanwhile, in the carbon monoxide converter and the carbon monoxide selective oxidizer, a granular catalyst such as a spherical or columnar catalyst is generally used in order to reduce the concentration of carbon monoxide by a catalyst.
[0006]
However, these granular catalysts have a limit in increasing the surface area that controls their activity, and the volume of the reaction vessel itself tends to increase inevitably.
[0007]
Further, inorganic materials such as alumina and silica, which are mainly used as catalyst carriers, have low heat transfer characteristics and therefore have a low temperature rising rate, and thus have disadvantages and disadvantages such as a relatively long startup time.
[0008]
On the other hand, for automotive exhaust gas purification, a metal monolith catalyst in which a catalyst as an active component is supported on a metal honeycomb has been developed.
[0009]
However, in this metal monolith catalyst, the length of the metal honeycomb carrier capable of supporting the active component (the length in the flow direction of the fuel gas) is, for example, 170 mm or more, which makes it difficult to uniformly support the catalyst. Had the problem.
[0010]
Further, in the fuel cell power generation device, instead of the granular catalyst conventionally used, for example, as an invention in which the catalyst is carried on a carrier having a honeycomb structure, a foam structure, or a corrugated structure, for example, JP JP-A-2000-264603 is disclosed, but no specific structure is described.
[0011]
For this reason, a fuel cell power generator is required to realize a carbon monoxide treatment apparatus having a compact structure, a small amount of heat radiation, and excellent start-up characteristics.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, for example, a fuel cell power generation device applied for home use is not a continuous operation on a weekly or monthly basis, but is frequently started and stopped on a daily basis such as in the morning, started, at night, or stopped. Since the repeated operation is assumed, the start-up characteristic is extremely important. For example, when a switch is turned on, power generation is started immediately, and there is a strong demand for quick response.
[0013]
In addition, compared with industrial fuel cells, household fuel cell power generators have a smaller electric output, so the amount of heat released from the carbon monoxide converter and the carbon monoxide selective oxidizer is relatively large. It causes the efficiency to decrease. From this point as well, it is necessary to improve the power generation efficiency by securing a wider contact surface area of the catalyst while reducing the heat release amount by making the reactor compact.
[0014]
The present invention has been made in view of such background art, and has a catalyst surface area of a carbon monoxide treatment device represented by a carbon monoxide converter and a carbon monoxide selective oxidizer that is assured to be wider, and the entire device has been improved. It is an object of the present invention to provide a fuel cell power generation device which is compact in size, reduces the amount of heat radiation, and further shortens the startup time.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a fuel cell power generation apparatus according to the present invention includes a fuel reforming system for reforming a hydrocarbon-based raw fuel into a hydrogen-rich gas, A carbon monoxide treatment system consisting of a carbon monoxide converter and a carbon monoxide selective oxidizer that reduces the concentration of carbon monoxide contained in the fuel reformed gas from the reforming system, Wherein the hydrogen in the discharged fuel reformed gas and the oxygen in the air electrochemically react with each other, and a power generation system for taking out the electric power generated at that time. Among the carbon oxide selective oxidizers, at least one of the reactor bodies is provided with a plurality of structures each having a metal honeycomb carrying a catalytically active component disposed therein, and a plurality of structures are connected, and a space region is provided between the metal honeycombs. What A.
[0016]
Further, in order to achieve the above object, the fuel cell power generation device according to the present invention, as described in
[0017]
According to a third aspect of the present invention, a fuel cell power generator according to the present invention includes a first-stage carbon monoxide converter, a second-stage carbon monoxide converter, Among the carbon selective oxidizers, at least one or more reactor bodies accommodate a plurality of carriers carrying metal monolith catalysts having different cell densities.
[0018]
Further, in order to achieve the above object, the fuel cell power generator according to the present invention has a first-stage carbon monoxide converter, a second-stage carbon monoxide converter and Among the carbon selective oxidizers, at least one or more reactor bodies accommodate a plurality of metal monolith catalysts having different amounts of catalytically active components.
[0019]
According to a fifth aspect of the present invention, a fuel cell power generator according to the present invention includes a first-stage carbon monoxide converter, a second-stage carbon monoxide converter, and a fuel cell. Among the carbon selective oxidizers, at least one or more reactor bodies accommodate a plurality of metal monolith catalysts, and a space region is provided between the plurality of metal monolith catalysts, and on the inlet side and the outlet side, respectively. It was formed.
[0020]
Further, in order to achieve the above object, the fuel cell power generation device according to the present invention, as described in
[0021]
Further, in order to achieve the above object, the fuel cell power generator according to the present invention is configured such that the intercooler for the carbon monoxide converter is provided at the outlet of the first stage carbon monoxide converter. Cooling the reformed gas and supplying it to the second-stage carbon monoxide converter, and further heating the water heated by the steam generator provided in the fuel reforming system to secure the reforming steam It is.
[0022]
Further, in order to achieve the above object, in the fuel cell power generator according to the present invention, as described in
[0023]
Further, in order to achieve the above object, the fuel cell power generator according to the present invention includes a carbon monoxide selective oxidizer pre-cooler, a second-stage carbon monoxide converter, as described in
[0024]
Further, in order to achieve the above object, the fuel cell power generation device according to the present invention, as described in
[0025]
Further, in order to achieve the above object, the fuel cell power generator according to the present invention is configured such that the carbon monoxide selective oxidizer post-cooler is provided with a carbon monoxide selective oxidizer outlet. The reformed gas is cooled and supplied to the fuel cell anode of the power generation system, and the water supplied to the steam generator of the fuel reforming system is preheated in order to secure the steam for reforming.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a fuel cell power generator according to the present invention will be described with reference to the drawings and reference numerals attached to the drawings.
[0027]
FIG. 1 is a schematic system diagram showing an embodiment of a fuel cell power generator according to the present invention.
[0028]
The fuel cell power generation device according to the present embodiment includes a
[0029]
The
[0030]
The combustion gas that has heated the inside of the
[0031]
The carbon
[0032]
The fuel reformed gas whose carbon monoxide concentration has been reduced to about 2% in the first-stage
[0033]
The fuel reformed gas whose carbon monoxide concentration has been reduced to 1% or less in the second-stage
[0034]
The fuel reformed gas whose carbon monoxide concentration has been reduced to about several ppm by the carbon monoxide
[0035]
Each of the first-stage
[0036]
The power generation system 3 includes a fuel cell
[0037]
Then, when the power generation of the fuel cell main body 3 is started, the main burner 25 adds air from the
[0038]
As described above, in the present embodiment, the carbon
[0039]
FIG. 2 shows a first-stage
[0040]
The structure according to the present embodiment is a so-called
[0041]
In the
[0042]
This is in consideration of the fact that when the catalytically active component is coated on the wall surface of the carrier having the honeycomb structure, unevenness occurs and the carrier cannot be uniformly supported.
[0043]
The first-stage
[0044]
Then, a first
[0045]
The
[0046]
Further, the
[0047]
As described above, in the present embodiment, the so-called first and second
[0048]
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a second embodiment of the first-stage
[0049]
The carbon
[0050]
In this case, the first
[0051]
Conventionally, in the carbon
[0052]
In the present embodiment, in consideration of such a point, the cell density of the honeycomb as the carrier of the first
[0053]
As described above, in the present embodiment, the cell density or the honeycomb of the honeycomb as the carrier of the first
[0054]
FIG. 5 is a conceptual diagram showing a first embodiment of a carbon monoxide treatment device according to the present invention.
[0055]
The carbon
[0056]
The carbon
[0057]
As described above, in the present embodiment, the first-stage
[0058]
FIG. 6 is a conceptual diagram showing a second embodiment of the carbon monoxide treatment device according to the present invention.
[0059]
The carbon
[0060]
The carbon
[0061]
As described above, in the present embodiment, the first-stage
[0062]
FIG. 7 is a conceptual diagram showing a third embodiment of the carbon monoxide treatment device according to the present invention.
[0063]
The carbon
[0064]
The carbon
[0065]
As described above, in the present embodiment, the first-stage
[0066]
【The invention's effect】
As described above, the fuel cell power generation device according to the present invention includes a carbon monoxide treatment device including a first-stage carbon monoxide converter, an intercooler for a carbon monoxide converter, a second-stage carbon monoxide converter, A pre-cooler for carbon monoxide selective oxidizer, a carbon monoxide selective oxidizer, a post-cooler for carbon monoxide selective oxidizer, a first-stage carbon monoxide converter, a second-stage carbon monoxide converter, At least one or more metal monolith catalysts housed in each of the carbon monoxide selective oxidizers were configured as carriers having a honeycomb structure, and the cell density and the amount of catalyst carried on each carrier were varied. At the same time, it is possible to suppress a rapid rise in the reaction temperature by suppressing the reaction temperature with the fuel gas, and to secure a wider reaction area with the fuel reformed gas, thereby making it possible to reduce the catalyst volume.
[0067]
In addition, since each device is integrated and the integrated carbon monoxide treatment device is covered with a heat insulating material, the installation area can be further reduced, and the reaction of the catalyst of the carbon monoxide treatment device can be reduced. Since the accompanying heat radiation to the outside is further reduced, the power generation efficiency of the fuel cell can be increased, and the startup time can be shortened.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic system diagram showing an embodiment of a fuel cell power generator according to the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing that a metal monolith catalyst is housed in a container in the carbon monoxide treatment device of the fuel cell power generation device according to the present invention.
FIG. 3 is a conceptual diagram showing a first embodiment of a reactor included in the carbon monoxide treatment device of the fuel cell power generator according to the present invention.
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a second embodiment of the reactor included in the carbon monoxide processing device of the fuel cell power generator according to the present invention.
FIG. 5 is a conceptual diagram showing a first embodiment of a carbon monoxide treatment device according to the present invention.
FIG. 6 is a conceptual diagram showing a second embodiment of a carbon monoxide treatment device according to the present invention.
FIG. 7 is a conceptual diagram showing a third embodiment of the carbon monoxide treatment device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Fuel reforming system
2 Carbon monoxide treatment system
3 Power generation system
4 desulfurizer
5 Preheater
6 Reformer
7 Steam generator
8 Air supply device
9 Startup fuel supply system
10 Burner for starting
11 Steam supply system
12 Reforming catalyst
13 Exhaust gas system
14 Water supply system
15 First stage carbon monoxide converter
16 Intercooler for carbon monoxide transformer
17 2nd stage carbon monoxide transformer
18 Precooler for carbon monoxide selective oxidizer
19 Carbon monoxide selective oxidizer
20 Post-cooler for carbon monoxide selective oxidizer
21 Air supply system
22 pump
23 Fuel cell body
24 Anode off-gas system
25 Main burner
26 Metal monolith catalyst
26a 1st metal monolith catalyst
26b Second metal monolith catalyst
27 Reactor fuselage
27a First reactor body
27b second reactor body
28 spatial domain
29 Fuel reformed gas inlet nozzle
30 Fuel reformed gas outlet nozzle
31a, 31b Space area
32a, 32b, 32c Block body
33 Insulation
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Country | Link |
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JP (1) | JP2004193013A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7736784B2 (en) | 2005-03-04 | 2010-06-15 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Injection nozzle assembly and fuel cell system having the same |
US7833496B2 (en) | 2007-01-09 | 2010-11-16 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Plate type preferential oxidation reactor |
US7842260B2 (en) | 2007-03-29 | 2010-11-30 | Samsung Sdi Co. Ltd. | Reaction vessel and reaction device |
US8439992B2 (en) | 2009-02-05 | 2013-05-14 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Auto ignition type autothermal reformer and fuel cell system having the same |
-
2002
- 2002-12-12 JP JP2002361148A patent/JP2004193013A/en active Pending
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