JP2009298605A

JP2009298605A - Ｃｏ選択酸化器

Info

Publication number: JP2009298605A
Application number: JP2008151697A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Yoshino; 靖吉野
Original assignee: T Rad Co Ltd
Current assignee: T Rad Co Ltd
Priority date: 2008-06-10
Filing date: 2008-06-10
Publication date: 2009-12-24

Abstract

【課題】水素リッチな改質ガスに含まれるＣＯ（一酸化炭素）を効率よく低減できるＣＯ選択酸化器の提供。
【解決手段】ＣＯを含む水素リッチな改質ガスのＣＯを酸化して低減するＣＯ選択酸化器は、本体２と、本体２の一方の端部に設けられた改質ガスと酸化用空気を供給する供給部３と、本体２の他方の端部に設けられたＣＯ低減後の改質ガスを排出する排出部４と、本体２の内部に配置された選択酸化触媒層を備え、選択酸化触媒層は供給部３側に配置されたＰｔ触媒層１０と排出部４側に配置されたＲｕ触媒層１１により構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は水素リッチな改質ガスに含まれるＣＯ（一酸化炭素）を酸化して低減するためのＣＯ選択酸化器に関する。

水蒸気と燃料ガスの混合物から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、改質器で生成した水素リッチな改質ガスを燃料として発電する燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。燃料電池には種々の形式のものが存在するが、その中でも固体高分子型の燃料電池（ＰＥＦＣ）が有望視されている。

水素リッチな改質ガスを生成する改質装置は、燃料を燃焼して水蒸気を発生する水蒸気発生手段と、水蒸気発生手段で発生した水蒸気と原料ガスを混合した原料―水蒸気混合物を改質触媒の存在下に水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器を備えている。なお原料ガスとしては都市ガス、天然ガス、メタンガスなどが使用される。

例えば固体高分子型の燃料電池に改質ガスを供給する場合、改質ガスにＣＯが含まれていると燃料電池の寿命等を損な恐れがあるので、改質ガスに残留するＣＯをｐｐｍオーダの低レベルまで低減する必要がある。そこで従来から、改質器の出口側にＣＯを低減するためのＣＯ選択酸化器が設けられている。

一般的なＣＯ選択酸化器は、筒状の本体と、本体の一方の端部に設けられた改質ガスと酸化用空気を供給する供給部と、本体の他方の端部に設けられたＣＯ低減後の改質ガスを排出する排出部と、本体の内部に配置された選択酸化触媒層を備えている。選択酸化触媒はＰｔ（白金）やＲｕ（ルテニウム）などの貴金属触媒が用いられる。

貴金属触媒は選択酸化性に優れているが、温度依存性が高いという問題がある。そこで従来からＣＯ選択酸化器の内部温度を高い精度で制御することが行われているが、高精度な温度制御を行うには制御系が複雑になり、信頼性に劣るという問題がある。そこでこの問題を解決するため、特殊な選択酸化触媒を用いたＣＯ選択酸化器が特許文献１に提案されている。

特開２００３−２７５５８７号公報

特許文献１のＣＯ選択酸化器は、改質ガスの供給側に酸素を含有する酸化ガスを混入するための供給部と、ＰｔとＲｕの合金粒子と、Ｐｔ粒子との混合物からなる触媒層を配置し、改質ガスの排出部側にＰｔとＲｕの合金粒子と、Ｒｕ粒子との混合物からなる触媒層を配置している。しかしこのような合金触媒は製造コストが高く、運転により消耗される触媒に要する運転コストも高いという問題がある。そこで本発明はこのような従来のＣＯ選択酸化器の触媒に関する問題を解決することを課題とし、そのための新しいＣＯ選択酸化器を提供することを目的とする。

前記課題を解決する本発明のＣＯ選択酸化器は、ＣＯを含む水素リッチな改質ガスのＣＯを酸化して低減するＣＯ選択酸化器であって、本体と、本体の一方の端部に設けられた改質ガスと酸化用空気を供給する供給部と、本体の他方の端部に設けられたＣＯ低減後の改質ガスを排出する排出部と、本体の内部に配置された選択酸化触媒層を備え、前記選択酸化触媒層は前記供給部側に配置されたＰｔ触媒層と前記排出部側に配置されたＲｕ触媒層により構成されることを特徴とする。

改質器からＣＯ選択酸化器に流入する改質ガスの温度は、通常１００℃〜１５０℃程度の範囲であるが、ＣＯ選択酸化器内には酸化反応を確実に行わせるため、空気が幾分過剰に供給されるので、改質ガス中の水素の一部も酸化して燃焼する。そのため改質ガスの供給部側から排出部側に向かって次第に内部温度が上昇する。一般に触媒の機能としては反応効率と反応選択率が重要になるが、Ｐｔ触媒は低温領域では選択反応率が高いが反応効率が幾分低下する。一方、Ｒｕ触媒は低温領域での反応効率はＰｔ触媒より低いが、高温領域でもメタネーション反応でＣＯを低減できるため、高温領域における実質的な反応効率は比較的高くなる。

本発明のＣＯ選択酸化器における選択酸化触媒層は、上記のように供給部側に配置されたＰｔ触媒層と前記排出部側に配置されたＲｕ触媒層により構成される。そのため比較的低い温度領域にＰｔ触媒層が配置され、それより高い温度領域にＲｕ触媒層が配置されることになり、Ｐｔ触媒層の触媒機能とＲｕ触媒層の触媒機能を共に最大限発揮させることができる。その結果、簡単でコストの低い触媒を用いているにもかかわらず、改質ガスに含まれるＣＯを高い効率で低減することができる。また、ＣＯ選択酸化器が停止状態の低温から起動する場合においても、供給部側に配置した低温活性の高いＰｔ触媒層が迅速に反応を開始するために起動性が良くなる。

図１は本発明のＣＯ選択酸化器を含むプロセスフロー図である。ＣＯ選択酸化器１は細長い筒状の本体２と、本体２の一方の端部に設けられた改質ガスと酸化用空気を供給する供給部３と、本体２の他方の端部に設けられたＣＯ低減後の改質ガスを排出する排出部４を備えている。供給部３には改質器６から改質ガスを供給する配管７が接続され、配管７の途中に酸化用の空気を供給する配管８が合流する。

配管７，８を直接合流させる代わりに、配管７の途中にエジェクターを設け、流入する改質ガスの吸引力により酸化用の空気を吸入し、所定比率の改質ガスと空気の混合物を供給部に供給することもできる。一方、本体２の他方の端部に設けられる排出部４には配管９が接続され、配管９からＣＯ低減後の改質ガスを燃料電池などの負荷設備に供給することができる。

本体２の供給部３側に金網等の支持部５が固定され、その支持部５の上にＰｔ触媒層１０が配置され、さらに排出部４側にＲｕ触媒層１１が配置されている。Ｐｔ触媒層１０やＲｕ触媒層１１は、例えばアルミナなどの担体にＰｔやＲｕを担持させたものを充填することにより形成することができる。なお場合によっては、Ｐｔ触媒層１０とＲｕ触媒層１１の間に空間部を設けることもできる。

（参考実験）
ＣＯ選択酸化器の触媒層を全てＰｔ触媒層とした場合と全てＲｕ触媒層とした場合のそれぞれについて、定常運転状態での温度とＣＯ低減性能の関係を実験した。全てＰｔ触媒層とした場合は、ＣＯ選択酸化器の最高温度が１５０℃〜１８０℃においてＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下に低減された。一方、全てＲｕ触媒層とした場合は、ＣＯ選択酸化器の最高温度が２３０℃から２８０℃を超える温度までＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下に低減された。

これらの結果から、本発明のようにＣＯ選択酸化器の供給部側にＰｔ触媒層を配置し、排出部側にＲｕ触媒層を配置した場合であっても、それぞれの触媒層の触媒機能を共に最大限発揮させてＣＯ濃度を高効率で低減できることが確認された。

さらに、ＣＯ選択酸化器の触媒層を全てＰｔ触媒層とした場合と全てＲｕ触媒層とした場合のそれぞれについて、ＣＯ選択酸化器を低温からの起動実験を行った。全てＰｔ触媒層とした場合は、図２に示すように、１０分程度で触媒層の温度が酸化反応開始温度まで上昇した。一方、全てＲｕ触媒層とした場合は、図３に示すように、３０分程度で触媒層の温度が酸化反応開始温度まで上昇した。これらの結果から、ＣＯ選択酸化器の供給部側にＰｔ触媒層を配置することにより、ＣＯ選択酸化器の起動性が良くなることが確認された。

本発明のＣＯ選択酸化器は、原料ガスと水蒸気から改質器で生成する水素リッチな改質ガスに含まれるＣＯを低減するために利用できる。

本発明のＣＯ選択酸化器を含むプロセスフロー図。触媒層を全てＰｔ層にしたときの装置稼働時間当たりの触媒層の温度変化を示す図。触媒層を全てＲｕ層にしたときの装置稼働時間当たりの触媒層の温度変化を示す図。

符号の説明

１ＣＯ選択酸化器
２本体
３供給部
４排出部
５支持部
６改質器
７〜９配管
１０Ｐｔ触媒層
１１Ｒｕ触媒層

Claims

ＣＯを含む水素リッチな改質ガスのＣＯを酸化して低減するＣＯ選択酸化器において、
本体２と、本体２の一方の端部に設けられた改質ガスと酸化用空気を供給する供給部３と、本体２の他方の端部に設けられたＣＯ低減後の改質ガスを排出する排出部４と、本体２の内部に配置された選択酸化触媒層を備え、
前記選択酸化触媒層は前記供給部３側に配置されたＰｔ触媒層１０と前記排出部４側に配置されたＲｕ触媒層１１により構成されることを特徴とするＣＯ選択酸化器。