JP2005154189A

JP2005154189A - 一酸化炭素低減装置

Info

Publication number: JP2005154189A
Application number: JP2003393970A
Authority: JP
Inventors: Mitsutaka Abe; 光高阿部
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-11-25
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】従来の一酸化炭素低減装置は、ＣＯを含む処理ガスとＣＯをシフト反応あるいは選択酸化反応等により酸化するための反応ガスとの混合部が嵩ばることから装置全体が大型であり、部品点数が多く、製造工程が複雑であるという課題がある。
【解決手段】
一酸化炭素を含有する処理ガスの流路に触媒を設けてなる触媒層１と、前記処理ガスとのあいだで熱交換可能な隔壁部４を介して前記触媒層に接する反応ガス層３とを設ける。前記反応ガス層には、反応ガスを前記触媒層の外部にて処理ガス中に供給する連通部１３を設けた構成とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、一酸化炭素を含有する処理ガスから一酸化炭素を除去する装置に関し、特に燃料電池に供給する水素リッチガスから一酸化炭素を除去する用途に好適な一酸化炭素低減装置に関する。

水素リッチガスから一酸化炭素を除去する手法として、触媒を用いてシフト反応または選択酸化反応を行わせるものが知られている。何れの反応においても触媒を適度な反応温度に維持する必要があるので、触媒反応器の構成は、触媒層の上流側に冷媒層を別体で設置するか、触媒層と冷媒層とを一体に積層した構成をとっている。例えば、特許文献１のものではシフト触媒層の上流側に熱交換器を設けている。また、特許文献２に開示のものでは選択酸化触媒層と冷媒層とを一体に積層している。

一方、一酸化炭素の低減反応に必要な反応物は、予め水素リッチガスに混合する必要がある。前記の反応物としては、シフト反応では水、選択酸化反応では酸化剤である。通常はシフト反応には水蒸気を、選択酸化反応には空気を用いる。水素リッチガスに前記の反応物を混合するためには、混合部を設ける必要がある。このための混合部を積層構造において一体的に設けるの難しいことから、触媒層を途中で屈曲し、該屈曲部を覆うように設けたチャンバ部にその外部から空気を供給する構成としている。
特開２０００−９５５０２号公報特開２００２−８３６２４号公報

前記構成を有する従来の一酸化炭素低減装置では、空気の混合部が嵩ばることから装置全体が大型化する。さらに、冷媒と反応物とを別系統で装置に導入するので、装置の構造が複雑化する。

本発明では、一酸化炭素を含有する処理ガスの流路に触媒を設けてなる触媒層と、前記処理ガスとのあいだで熱交換可能な隔壁部を介して前記触媒層に接する反応ガス層とを設ける。前記反応ガス層には、酸化剤ガスを前記触媒層の外部にて処理ガス中に供給する連通部を設けた構成とする。

本発明によれば、処理ガス中の一酸化炭素を除去するための触媒反応容器に反応ガスとの混合部を一体化することができるので装置全体を小型化することができる。さらに、装置を一体で製造できるため、部品点数や製造工程を低減することができる。

以下、本発明を改質型燃料電池システムの一酸化炭層低減装置に適用した実施の形態につき説明する。ガソリンまたはアルコール等の炭化水素系燃料を原料として改質器により生成される水素リッチガスには通常1〜10％程度の一酸化炭素（以下「ＣＯ」と表す。）が含まれており、燃料電池の劣化を防ぐためにはこれを10〜100ppm程度またはそれ以下に低減する必要がある。以下の実施形態は、基本的に処理ガスとして前記水素リッチガスを供給し、ＣＯ除去のための反応ガスとして空気または水蒸気を利用する構成を前提としている。
（第１の実施形態）
図１〜図３に本発明の第１の実施形態を示す。図１は構成概念、図２は内部構造、図３は積層構造をなす装置の各層の構成をそれぞれ概略で示している。

図１に示した一酸化炭素低減装置１０において、ＣＯを1％程度含んだ水素リッチガスは、混合部Ａにて空気を混合された後、触媒層Ｂに流入する。触媒層Ｂにはシフト反応（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２）を生じさせる触媒として、例えばＺｎＯ担体にＣｕを被覆したシフト反応触媒が設けられており、該触媒層Ｂにて前記シフト反応によりＣＯ含有量が所定値以下にまで低減される。

触媒層Ｂには熱交換可能に反応ガス層Ｃが設けられており、反応ガス層Ｃに温度調節用の冷媒を兼ねた水蒸気等の反応ガスを流通させることにより、触媒層Ｂの触媒温度を適温である400〜200℃に調節している。

反応ガス層Ｃには、その上流側端部に連通部Ｄが設けられており、水蒸気はこの連通部Ｄを通って触媒層Ｂの外部にある混合部Ａにて水素リッチガスと混合される。

反応ガス層Ｃへの水蒸気の一部は、途中に流量調節手段として介装されたバルブＶを介して流量調節されたうえで他の装置、例えば水蒸気を反応物とするＡＴＲなどに供給される。このときの前記バルブＶの開度は予め実験などで決められ、または流量計などを用いて目標とする流量となるように可変制御される。

前記一酸化炭素低減装置１０は、より具体的には図２および図３に示した構成を有している。図において１が触媒層であり、波形断面の壁材により多数の処理ガス流路２が並列的に形成され、その通路表面には前述したシフト触媒が被覆されている。３は熱交換面となる隔壁部４を挟んで前記触媒層１に積層される反応ガス層であり、前記処理ガス流路２と直交する方向に反応ガス流路５が形成されている。前記反応ガス流路５はこの実施形態では熱交換効率を確保するために多数のフィンを交互に配置した構成となっている。反応ガス流路５を形成する構造としては前記フィン構造の他に、例えば多孔質構造を適用することもできる。

触媒層１と反応ガス層３の両側部には積層状態で一連の反応ガス供給通路または排出通路を形成する反応ガスマニホールド６，７が形成されている。前記反応ガスマニホールド６，７は反応ガス層３内では前記反応ガス流路５にのみ連通しており、入口側のマニホールド６から供給された反応ガスは反応ガス流路５を通って出口側のマニホールド７から排出され、反応ガス通路５を通過する間に隔壁部４を介して触媒層１と熱交換を行う。

また、図３に示したように、触媒層１と反応ガス層３の前後端部には積層状態で一連の処理ガスの供給通路または排出通路を形成する処理ガスマニホールド８，９が形成されている。前記処理ガスマニホールド８，９は触媒層１の処理ガス流路２にのみ連通しており、入口側のマニホールド８から供給された処理ガスは処理ガス流路２を通って出口側のマニホールド７から排出され、処理ガス流路２を通過する間にシフト反応によるＣＯの浄化処理が行われる。

前記反応ガスマニホールド６，７と処理ガスマニホールド８，９は各層１，３に一体形成される構成として説明してあるが、それぞれ別体に形成して触媒層１と反応ガス層３からなる積層体に組み付ける態様で設けるようにしてもよい。

この一酸化炭素低減装置１０は、前述のように複数の触媒層１と反応ガス層３を層間に隔壁部４を介して交互に積層し、その周囲に冷媒マニホールド６，７および処理ガスマニホールド８，９を設けた構成により全体として容器状をなしている。触媒層１および反応ガス層３の通路部分の断面積または積層数は、通過させる処理ガスまたは反応ガスの流量、処理ガス中に含有されるＣＯの濃度等に応じて適宜に設定される。

この実施形態の特徴は、前記反応ガス層３の前縁部（図３の下方）に、前記処理ガスマニホールド８内に臨むように開口する多孔状あるいはスリット状の連通部１３が形成されている点にある。この連通部１３を介して、反応ガス層３に供給された水蒸気の一部がマニホールド８内へと供給され、触媒層１の入口側外部にて処理ガスである水素リッチガスと混合し、触媒層１に流れ込んでゆく。水蒸気と共に触媒層１に流れ込んだ水素リッチガスは、出口側の処理ガスマニホールド９に達するまでの間に前述したシフト反応によりＣＯが除去される。

この実施形態の構成においては、シフト反応器として作用する触媒層１に水蒸気混合部を一体的に設け、かつ反応ガスである水蒸気が流れる反応ガス層により熱交換させる構成となっているので、一酸化炭素低減装置の全体を小型化することができると共に、部品点数や製造工程を低減することができる。
（第２の実施形態）
図４〜図６に本発明の第２の実施形態を示す。図４は構成概念、図５は内部構造、図６は積層構造をなす装置の各層の構成をそれぞれ概略で示している。この実施形態の一酸化炭層低減装置１０は、下流側に別個にシフト反応器１４を設ける構成を前提として、当該下流側のシフト反応器１４での反応を補助するために出口部分で反応ガスを混合するようにした点にある。前出の実施形態と対応する部分には同一の符号を付して示してある。

図４に示した一酸化炭素低減装置１０において、触媒層Ｂにはあらかじめ水蒸気が混合された水素リッチガスが流入する。ここで供給される水素リッチガスは10％程度のＣＯが含まれている。触媒層Ｂにはシフト反応を生じさせる触媒が設けられており、該触媒層Ｂにて前記シフト反応によりＣＯ含有量が所定値以下にまで低減される。

触媒層Ｂには熱交換可能に反応ガス層Ｃが設けられており、反応ガス層Ｃに水蒸気を流通させることにより、触媒層Ｂの触媒温度を適温に調節している。

反応ガス層Ｃには、その下流側端部に連通部Ｄが設けられており、反応ガスとしての水蒸気はここを通って触媒層Ｂの外部にある混合部Ａにて、触媒層Ｂを通過してきた水素リッチガスと混合される。

一酸化炭素低減装置１０を通過した処理ガスは下流側のシフト反応器１４に流入し、混合部Ａにて混合された水蒸気を反応ガスとしてさらにＣＯが低減される。

前記一酸化炭素低減装置１０は、より具体的には図５および図６に示した構成を有している。この一酸化炭層低減装置１０は、図示したように構造的には第１の実施形態と同一であり、ただし触媒層１に対して処理ガスである水素リッチガスと水蒸気との混合気を流す方向が異なる。これにより、連通１３は触媒層１の出口部分にて処理ガス中に水蒸気を混合する構成となる。触媒層１の出口部にて連通部１３からの水蒸気と混合した処理ガスは、前述したようにさらに下流側に位置するシフト反応器１４によりＣＯ低減が行われる。

この実施形態では一酸化炭素低減装置１０内の触媒層１では水素リッチガスに予め混合された水蒸気によりシフト反応が行われ、反応ガス層３に供給される水蒸気は触媒を適温に保つための冷媒として作用する。触媒層１に供給される水素リッチガスはＣＯ濃度が10％程度であれば予め混合された水蒸気により活発にシフト反応を生じ出口部分ではＣＯ濃度が3％程度にまで低下する。下流側のシフト反応器１４では、この低濃度化した水素リッチガスと反応ガス層３から供給される水素との混合ガスを反応させることでＣＯ濃度を十分に低下させる。

この実施形態では複数の反応器により多段階的に反応を行わせることで高濃度のＣＯを含む水素リッチガスから効率よくＣＯを除去することができる。またこのように多段階的に反応器を設けても、一酸化炭素低減装置１０が十分に小型であるところから、装置全体としても小型にまとめることができる。
（第３の実施形態）
図７〜図９に本発明の第３の実施形態を示す。図７は構成概念、図８は内部構造、図９は積層構造をなす装置の各層の構成をそれぞれ概略で示している。この実施形態の一酸化炭層低減装置１０は、基本的には前記第２の実施形態と同一であり、ただし反応ガスである水蒸気の供給を触媒層の上下流にて行うようにした点を特徴としている。

図７に示した一酸化炭素低減装置１０において、触媒層Ｂにはあらかじめ水蒸気が混合された水素リッチガスが流入する。ここで供給される水素リッチガスは10％程度のＣＯが含まれている。触媒層Ｂにはシフト反応を生じさせる触媒が設けられており、該触媒層Ｂにて前記シフト反応によりＣＯ含有量が所定値以下にまで低減される。

反応ガス層Ｃには、その上下流側端部にそれぞれ連通部Ｄが設けられており、反応ガスとしての水蒸気はここを通って触媒層Ｂの外部にある混合部Ａにて、触媒層Ｂを通過してきた水素リッチガスと混合される。

前記一酸化炭素低減装置１０は、より具体的には図８および図９に示した構成を有している。この一酸化炭層低減装置１０は、図示したように構造的には第２の実施形態とほぼ同一であり、ただし反応ガス層３には触媒層１の入口部付近と出口部付近のそれぞれに水蒸気を供給するための連通部１３を設けている点で異なる。

この実施形態では一酸化炭素低減装置１０内の触媒層１では水素リッチガスに予め混合された水蒸気によりシフト反応が行われ、反応ガス層３に供給される水蒸気は触媒を適温に保つための冷媒として作用すると共にその一部が触媒層１の上流側にて水素リッチガスと混合し、シフト反応を補助する。触媒層１に供給される水素リッチガスが10％程度のＣＯ濃度とすれば、シフト反応により出口部分ではＣＯ濃度が3％程度にまで低下する。下流側のシフト反応器１４では、この低濃度化した水素リッチガスと反応ガス層３から供給される水素との混合ガスを反応させることでＣＯ濃度を十分に低下させる。

この実施形態においても、複数の反応器により多段階的に反応を行わせることで高濃度のＣＯを含む水素リッチガスから効率よくＣＯを除去することができる。またこのように多段階的に反応器を設けても、一酸化炭素低減装置１０が十分に小型であるところから、装置全体としても小型にまとめることができる。

前記各実施形態は触媒層１にシフト反応触媒を設けシフト反応器として作用する一酸化炭素低減装置の例を示したものであるが、触媒としてはこれに限らず選択酸化反応（２ＣＯ＋Ｏ_２→２ＣＯ_２）によりＣＯを低減するもの、たとえばＡｌ_２Ｏ_３からなる担体層の表面にＰｔ、Ｒｕ等の触媒金属を担持させた触媒を適用することもできる。この場合、反応ガスとして空気を供給し、空気中の酸素を酸化剤ガスとして選択酸化反応を行わせる。反応ガス層３に供給する空気量は、触媒層１が選択酸化反応の適温である150〜100℃となるようにその流量または反応ガス層３の仕様を決定する。

本発明の第１の実施形態の構成概念図。第１の実施形態の概略構成を示す斜視図。第１の実施形態の各層の構成を分割状態で示した平面図。本発明の第２の実施形態の構成概念図。第２の実施形態の概略構成を示す斜視図。第２の実施形態の各層の構成を分割状態で示した平面図。本発明の第３の実施形態の構成概念図。第３の実施形態の概略構成を示す斜視図。第３の実施形態の各層の構成を分割状態で示した平面図。

符号の説明

１触媒層
２処理ガス流路
３冷媒層
４隔壁部
５冷媒流路
６，７冷媒マニホールド
８，９処理ガスマニホールド
１０一酸化炭素低減装置
１３連通部
１４シフト反応器

Claims

一酸化炭素を含有する処理ガスと反応ガスとを触媒下で反応させて前記処理ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減装置において、
前記処理ガスの流路に触媒を設けてなる触媒層と、
前記反応ガスの流路を有し、熱交換可能な隔壁部を介して前記触媒層に接する反応ガス層と、を備え、
前記触媒層と反応ガス層との間に、反応ガスを前記触媒層の外部にて処理ガス中に供給する連通部を設けたことを特徴とする一酸化炭素低減装置。
前記連通部を、前記触媒層の処理ガス入口部近傍に設けた請求項１に記載の一酸化炭素低減装置。
前記連通部を、前記触媒層の処理ガス出口部近傍に設けた請求項１に記載の一酸化炭素低減装置。
前記連通部を、前記触媒層の処理ガス出口部近傍と入口部近傍の双方に設けた請求項１に記載の一酸化炭素低減装置。
前記触媒層には、触媒としてシフト触媒を保持させると共に、前記反応ガス層には水分を含む反応ガスを供給する請求項１から請求項４の何れかに記載の一酸化炭素低減装置。
前記触媒層には、触媒として選択酸化触媒を保持させると共に、前記反応ガス層には酸素を含む処理ガスを供給する請求項１から請求項４の何れかに記載の一酸化炭素低減装置。
前記反応ガス層には、該反応ガスの流量を調節する流量調節手段を接続した請求項５または請求項６に記載の一酸化炭素低減装置。
前記触媒層と反応ガス層とを交互に複数積層してなる請求項１から請求項７の何れかに記載の一酸化炭素低減装置。
前記触媒層は、燃料電池の燃料ガスとして改質により生成された水素リッチガスを処理ガスとして該処理ガス中の一酸化炭素を触媒反応により除去する請求項１に記載の一酸化炭素低減装置。