JP2005104802A - 一酸化炭素除去装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒の温度が均一な一酸化炭素除去装置を提供する。
【解決手段】改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置において、渦巻き形状の上流側流路１と、上流側流路１と直列に接続する渦巻き形状の下流側流路２と、を備え、改質ガスと空気が流れるそれぞれ流路には触媒を担持させ、上流側流路１の流路間を下流側流路２が通り、かつ隣り合う流路間で改質ガスの流れ方向が逆となる構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は一酸化炭素除去効率の良い一酸化炭素除去装置に関するものであり、特に触媒温度が均一になる一酸化炭素除去装置に関するものである。

一酸化炭素の濃度が問題になる燃料電池に、原料を改質して燃料を供給する場合、一酸化炭素除去装置で一酸化炭素を除去する。一酸化炭素除去装置は触媒反応器であるが、触媒には化学反応を促進する最適な温度範囲が存在するため、反応温度制御が重要である。或る温度範囲を上回ると、改質ガス中の水素を酸化する副反応が起こり、下回ると一酸化炭素を十分に除去できないといった問題が起きる。

従来、反応器の上流部と下流部とを伝熱剤で接触させ、低温流体と高温流体を熱交換させることによって、一酸化炭素除去反応温度を反応器全体で一定に保つものが、特許文献１に開示されている。
特開２０００−３３５９０４号公報

しかし、上記の発明では、伝熱面積が小さいために熱の移動が不十分となり、触媒温度が均一になりにくく、そのため高温部では副反応の水素酸化反応が起こり、低温部では一酸化炭素除去反応が不十分となるといった問題点がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、一酸化炭素除去装置の触媒温度均一とすることを目的とする。

本発明では、改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置において、渦巻き形状の第１流路と、第１流路と直列に接続する第２流路と、を備え、２つの流路内には触媒を担持し、第１流路の流路間を第２流路が通り、かつ隣り合う流路間で改質ガスの流れる方向が逆になる構成とする。

本発明によると、一酸化炭素を除去するための触媒を担持した流路を渦巻き形状とし、かつ隣り合う流路での改質ガスの流れ向きが逆となり、常に触媒温度の高温部と低温部とが接しており、特に渦巻き形状の中心部付近では単位容積あたりの伝熱面積が大きくでき、熱伝達が良くなり、温度を均一にすることができる。

本発明の第１実施形態について図１、図２の構成図を用いて説明する。

一酸化炭素除去装置は、一酸化炭素除去装置の上流で図示しない改質器によって改質され、一酸化炭素を含んだ改質ガスが空気と共に流入する上流側流路１と、上流側流路１と連通し一酸化炭素を除去した燃料ガスを燃料電池の燃料極に供給する下流側流路２と、を一組の一酸化炭素除去層６とし、この一酸化炭素除去層６と一酸化炭素除去層６を冷却する冷却部５とを積層して構成する。

図１は第１実施形態の一酸化炭素除去層６の構成図である。

上流側流路１は、長い流路が同一方向に略９０度の角度で連続して曲がり、中心部に近くなると次第に辺の長さが短くなる渦巻き形状の流路であり、隣り合う流路は或る一定の隙間を保って中心部（中央接続部７）へ向かって延び、中央接続部７において下流側流路２と通連している。上流側流路１には外周導入部３より改質器から供給される改質ガスと空気が流入し、流路に沿って中央接続部７に向かって流れる。上流側流路１内部には触媒が担持されており、改質ガス中の一酸化炭素を除去する。

下流側流路２は、長い流路が同一方向に略９０度の角度で連続して曲がり、中心部に近いほど次第に辺の長さが短くなる渦巻き形状の流路であり、上流側流路１と中央接続部７で接続し、中央接続部７より上流側流路１の外壁の間を接しながら外周へ向け流路が延びている。上流側流路１より導入された改質ガスは中央接続部７より下流側流路２内を通り、下流側流路２の外周排出部４より燃料電池へ供給される。下流側流路２内部には触媒が担持されており、上流側流路１で除去される一酸化炭素を更に除去する。上流側流路１と下流側流路２は互いに熱交換可能であり、一酸化炭素除去装置の温度を平準化している。

図２は本発明の第１実施形態の改質ガス流入方向正面図である。一つの上流側流路１と一つの下流側流路２は一組の水平な一酸化炭素除去層６を形成し、一つの一酸化炭素除去層６の上に冷却部５を重ね、更にその上に一酸化炭素除去層６を重ね、これら繰り返すことによって一酸化炭素除去層６と冷却部５を積層し、一酸化炭素除去装置を形成する。冷却部５の流路には積層方向と直交する方向より冷媒が導入され、冷媒は一酸化炭素除去層６の触媒における一酸化炭素除去反応によって発生する熱を回収し、触媒の温度を一酸化炭素除去に適した温度となるようにする。冷却部５は導入部から排出部までを冷媒が直線的に流れるようになっていればよい。

次に本発明の第１実施形態の一酸化炭素除去層６の温度分布について図３を用いて説明する。

上流側流路１では改質ガスと空気が導入される外周導入部３付近において一酸化炭素の濃度が高く、空気中の酸素濃度も高いため一酸化炭素除去反応が激しい、つまり反応率が高いので、発熱量が多くなり触媒の温度が高くなる。そして中央接続部７へ進むにつれて改質ガス中の未反応の一酸化炭素が減少し、一酸化炭素除去反応が少なくなるので触媒の温度は低くなる。下流側流路２の触媒は、中央接続部７で未反応の一酸化炭素が比較的濃度が高く、外周排出部４へ進むにつれ未反応の一酸化炭素がさらに少なくなるので、外周排出部４へ進むにつれ触媒による発熱量はさらに減少する。また、外部への放熱量が増えるので触媒温度は低くなる。しかし、上流側流路１と隣り合う下流側流路２とでは改質ガスは逆向きに流れるので、上流側流路１内で高温の流路と下流側流路２内で低温の流路、上流側流路１内で低温の流路と下流側流路２内で高温の流路とがそれぞれ接することとなり、上流側流路１と下流側流路２とは熱交換を行い、その結果一酸化炭素除去層６の触媒温度は、その位置によらず全流路域でほぼ一定した温度分布となる。

図４に上流側流路１と下流側流路２とに担持する触媒の担持量と、それに伴う残留Ｏ２濃度と、反応熱器外への放熱量を示す。

本発明の第１実施形態の上流側流路１では改質ガス中の一酸化炭素と空気中の酸素が反応し、空気中の酸素濃度が徐々に薄くなる。また、中央接続部７へ近くなるにつれ、一酸化炭素除去層６から外部への放熱が減少する。一酸化炭素除去反応は中央接続部７に近くなるにつれ小さくなり、その発熱量も減少するが、外部への放熱が減少するので触媒の温度は比較的安定した温度となるので、一酸化炭素除去反応による発熱量を増加しなくてもよく、上流側流路１の触媒担持量は一定でよい。ここで触媒温度が高くなり過ぎると水素を酸化する副反応が起こるので、触媒担持量は比較的少なくする。

一方、下流側流路２では外周排出部４へ近くなると一酸化炭素除去反応により、空気中の酸素濃度が徐々に薄くなる。また、外周排出部４へ近くなるにつれ、一酸化炭素除去層６から外部への放熱が増加する。一酸化炭素除去反応による発熱量が減少し、外部への放熱が増加するので、下流側流路２は触媒温度が下がる。触媒温度が下がり過ぎると一酸化炭素を除去できなくなるので、外周排出部４に近くなるにつれ触媒担時量を増加し、改質ガス中の一酸化炭素除去反応による反応熱を増やすことによって、下流側流路２の触媒温度が下がり過ぎるのを抑えることができる。上流側流路１と下流側流路２との触媒温度の変化領域を狭くすることで、一酸化炭素除去層６の温度調整を容易に行うことができる。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

第１実施形態では、渦巻き形状の上流側流路１と渦巻き形状の下流側流路２とを中央接続部７において連通し、一本の流路である一酸化炭素除去層６とすることで流路に流れる改質ガスと空気の流速を速くすることができる。また、下流側流路２は、上流側流路１の流路間を上流側流路１と接し、かつ流れの向きが逆向きとなるように設けられているので、上流側流路１と下流側流路２とは効率的に熱交換を行え、その熱伝達率が高められる。特に、中央接続部７付近では単位容積あたりの伝熱面積を広くすることができる。

上流側流路１は外周導入部３から中央接続部７になるにつれ触媒温度が低くなり、下流側流路２は中央接続部７から外周排出部４になるにつれ触媒温度は低くなる。最も温度の高い外周導入部３と最も温度の低い外周排出部４とが接しており、中央接続部７では上流側流路１と下流側流路２との触媒温度の差は小さいので、上流側流路１と下流側流路２とが熱交換を行うと、一酸化除去層６の全体温度を中心接続部７付近の温度にすることができる。

一酸化炭素除去層６と冷却部５を交互に積層することで、一酸化炭素除去層６の全体を一酸化炭素除去に適した温度に保つことができる。

上流側流路１の触媒担持量を一定とし、下流側流路２の触媒担持量を中央接続部７側に少なく担持させ、外周排出部４側に多く担持させることにより、各流路における一酸化炭素除去反応の反応熱を制御し、触媒温度の高いときに起きる副反応や、低いときに起きる一酸化炭素除去不足を防止でき、一酸化炭素除去装置を正確に均一な温度にすることができる。

次に本発明の第２実形態について図５、図６の構成図を用いて説明する。

第２実施形態については第１実施形態と異なる部分を説明する。図５は第２実施形態の一酸化炭素除去層６の構成図である。第２実施形態では渦巻き形状の上流側流路１の中央部に改質ガスを導入する中央導入部８と、渦巻き形状の下流側流路２が中央部に燃料電池へ燃料ガスを排出する中央排出部９と、を設け、上流側流路１と下流側流路２とは外周接続部１０によって連通している。

中央導入部８より導入された改質ガスは上流側流路内に担持された触媒によって改質ガス中の一酸化炭素を除去し、流路に沿って流れ、外周接続部１０から下流側流路内に担持された触媒によって更に一酸化炭素を除去する。

図６は第２実施形態の積層方向側面図である。冷却部５と交互に積層された一酸化炭素除去層６によって一酸化炭素除去装置を形成し、積層方向に垂直な方向より冷媒を導入する。中央導入部８は積層方向に延びており、積層された各一酸化炭素除去層６に改質ガスと空気を供給する。また、中央排出部９も積層方向に延びており、各一酸化炭素除去層６から一酸化炭素が除去された燃料ガスを燃料電池６に供給する。

図７に上流側流路１と下流側流路２とに充填する触媒の担持量と、それに伴う残留Ｏ２濃度と、反応熱器外への放熱量を示す。

本発明の第２実施形態では、上流側流路１では改質ガス中の一酸化炭素と空気中の酸素が反応し空気中の酸素濃度が徐々に薄くなる。一酸化炭素除去反応は外周接続部１０に近くなるにつれ小さくなるので、その反応熱も小さくなる。また、外周接続部１０へ近くなるにつれ、一酸化炭素除去層６から外部への放熱が増加する。一酸化炭素除去反応による反応熱が少なくなり、外部への放熱が増加するので下流側流路２の触媒温度が下がる。触媒温度が下がりすぎると一酸化炭素を除去できなくなるので、外周接続部１０に近くなるにつれ触媒担持量を増加し、改質ガス中の一酸化炭素除去反応による反応熱を増やすことによって、上流側流路１の触媒温度が下がりすぎるのを防止することができる。ここで触媒担持量は中央導入部８付近で触媒温度が高くならないように少量とする。

一方、下流側流路２では中央排出部９へ近くなると一酸化炭素除去反応により、空気中の酸素濃度が徐々に薄くなる。また、中央排出部９へ近くなると、一酸化炭素除去層６から外部への放熱が減少する。一酸化炭素除去反応による反応熱が少なくなり、外部への放熱も減少するので、下流側流路２の触媒温度は比較的安定し他温度となるので、一酸化炭素除去反応による発熱量を増加しなくてもよく、触媒担持量はほぼ一定でよい。ここで一酸化炭素を十分に除去するために触媒担持量は比較的多くする。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

第２実施形態では渦巻き形状の上流側流路１と下流側流路２とを外周接続部１０で連通し、改質ガスと空気を中央導入部８から導入し、中央排出部９から排出する構成としたので、温度差の大きい中央導入部８と中央排出部９が、単位容積あたりの伝熱面積が大きい中央部で熱交換を行い、熱伝達効率を向上させることができる。

上流側流路１内の触媒担持量を中央導入部８側で少なく、外周接続部１０側で多くし、また下流側流路２内で一定とすることで触媒での発熱量を制御し、触媒の温度が高いときに起こる副反応や、低いときに起きる一酸化炭素除去不足を防ぐことができ、一酸化炭素除去装置を均一な温度にすることができる。

本発明の第３実施形態について図８、９を用いて説明する。

第３実施形態については第１実施形態と異なる部分を説明する。

図８は第３実施形態の一酸化炭素除去層６の構成図である。図９は第３実施形態の改質ガス流入方向正面図である。第３実施形態では第１実施形態の一酸化炭素除去装置において中央接続部７付近において、図示しないブロアなどから積層した各一酸化炭素除去層６に空気を供給する中間空気導入部１１を設け、中間空気導入部１１には各一酸化炭素除去層６に空気を導入する空気導出孔１２を設ける。空気導出孔１２から導入された空気は下流側流路２で未反応の一酸化炭素を酸化する。

第３実施形態の効果について説明する。

第３実施形態によると、流路途中で空気（酸素）を供給することで、一酸化炭素濃度が高い場合などに上流側流路１の中央接続部付近、下流側流路２で起こる空気中の酸素の欠乏が原因の一酸化炭素除去不足を防止でき、一酸化炭素除去効率を向上することができる。

本発明の第４実施形態について図１０を用いて説明する。

第３実施形態については第１実施形態と異なる部分を説明する。

図１０は第４実施形態の一酸化炭素除去層６の構成図である。第４実施形態では上流側流路１、下流側流路２の形状を略円形の渦巻き形状とする。また、積層する冷却部５の形状は一酸化炭素除去層６と同様に略円形とすることが望ましい。

第４実施形態の効果について説明する。

第４実施形態では、各流路を略円形とすることで各流路を流れる改質ガスや空気が、滑らかに流れるので流路中の圧力損失を低減することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

原料改質型の燃料電池システムに利用することができる。

本発明の第１実施形態の一酸化炭素除去層の構成図である。 本発明の第１実施形態の一酸化炭素除去装置の改質ガス流入方向正面図である。 本発明の第１実施形態の一酸化炭素除去層の温度分布図である。 本発明の第１実施形態の一酸化炭素除去装置の流路における触媒担持量、残留Ｏ２濃度、放熱量のグラフである。 本発明の第２実施形態の一酸化炭素除去層の構成図である。 本発明の第２実施形態の一酸化炭素除去層の積層方向側面図である。 本発明の第２実施形態の一酸化炭素除去装置の流路における触媒担持量、残留Ｏ２濃度、放熱量のグラフである。 本発明の第３実施形態の一酸化炭素除去層の構成図である。 本発明の第３実施形態の一酸化炭素除去装置の改質ガス流入方向正面図である。 本発明の第４実施形態の一酸化炭素除去層の構成図である。

符号の説明

１ 上流側流路
２ 下流側流路
３ 外周導入部
４ 外周排出部
５ 冷却部
６ 一酸化炭素除去層
７ 中央接続部
８ 中央導入部
９ 中央排出部
１０ 外周接続部
１１ 中間空気導入部
１２ 空気導出孔

Claims (11)

1. 水素リッチな改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置において、
   前記改質ガスが流れる渦巻き形状の第１流路と、
   前記第１流路と直列に接続し、前記改質ガスが流れる渦巻き形状の第２流路と、を備え、
   前記２つの流路内には一酸化炭素を除去するための触媒を担持し、前記第１流路の流路間を前記第２流路が前記第１流路と接しながら通り、かつ隣り合う流路間で前記改質ガスの流れる方向が逆向きとなるように配置したことを特徴とする一酸化炭素除去装置。
2. 前記２つの流路内の触媒担持量を変化させることを特徴とする請求項１に記載の一酸化炭素除去装置。
3. 前記第１流路と前記第２流路とが前記渦巻きの中心部で接続し、前記改質ガスは前記第１流路の外周側より導入され、前記第２流路の外周側より排出されることを特徴とする請求項２に記載の一酸化炭素除去装置。
4. 前記第１流路内の触媒担持量は一定であり、前記第２流路内の触媒担持量は上流側から下流側になるにつれ増加することを特徴とする請求項３に記載の一酸化炭素除去装置。
5. 前記第１流路と前記第２流路とが外周部で接続し、前記改質ガスは前記第１流路の渦巻きの中心部より導入され、前記第２流路の渦巻きの中心部より排出することを特徴とする請求項２に記載の一酸化炭素除去装置。
6. 前記第１流路内の触媒担持量は上流から下流になるにつれ増加し、前記第２流路内の触媒担持量を一定とすることを特徴とする請求項５に記載の一酸化炭素除去装置。
7. 前記２つの流路が一つの流路層を形成し、前記流路層と熱交換を行う冷却部が、前記流路層と隔壁を介して設けられることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の一酸化炭素除去装置。
8. 前記２つの流路の前記改質ガス導入口から排出口の間に少なくとも１つの空気導入部を設けることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の一酸化炭素除去装置。
9. 前記流路層と前記冷却部とを前記隔壁を介して、交互に複数積層することを特徴とする請求項７に記載の一酸化炭素除去装置。
10. 前記空気導入部が複数積層された前記それぞれの流路層に空気を導入することを特徴とする請求項９に記載の一酸化炭素除去装置。
11. 前記２つの流路が略円形渦巻き形状であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一つに記載の一酸化炭素除去装置。

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