JP3588184B2

JP3588184B2 - 一酸化炭素除去装置

Info

Publication number: JP3588184B2
Application number: JP04180796A
Authority: JP
Inventors: 勝也小田; 龍次畑山; 泰夫三宅
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1996-02-28
Filing date: 1996-02-28
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2016-02-28
Also published as: JPH09235572A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改質ガス中に含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置に関し、特に、燃料電池に使用するために改質器で水素リッチに改質された改質ガス中に含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、一般的に電解質層を介してアノードとカソードが配されたセルと、アノード及びカソードにアノードガス（水素リッチな改質ガス）及びカソードガス（空気等の酸化剤ガス）をそれぞれ供給するチャネルが形成されたセパレータ板とが交互に所定枚数積層されて組み立てられており、アノードガス中の水素とカソードガス中の酸素とが電気化学反応する際に、その化学エネルギーを電気エネルギーとして取り出すことにより、燃料電池外部へ電力を供給するようになっている。
【０００３】
そして、このような燃料電池を備えた燃料電池システムにおいては、通常の場合、アノードガス原料として比較的容易かつ安価に入手することができるメタンガス（天然ガス）やナフサ等の軽質炭化水素、あるいはメタノール等のアルコール類が用いられており、これらのアノードガス原料を水素リッチな改質ガスに改質する改質装置や、アノードガス原料の改質反応に伴って生成する一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置等が別途設けられた構成となっている。
【０００４】
従来の一酸化炭素除去装置としては、例えば特開平７−１９６３０２号公報に記載されたものが知られている（図５を参照）。従来、一酸化炭素除去装置においては、供給された改質ガスに対して、所定の比率（例えば３％）で空気を混合させる必要があるため、送風機および前記所定の比率にて空気を混合するための送風機の制御機構が設けられていた。図５に示す一酸化炭素除去装置においても、改質反応後の改質ガスを空気と共にガスマニホールド５０１内に滞留させた後、改質ガスと空気の混合ガスを選択酸化触媒層５０２に通して混合ガス中の一酸化炭素を選択的に二酸化炭素に酸化除去することが可能となっており、改質ガス及び空気をそれぞれガスマニホールド５０１内に導入させるためのコンプレッサー５０３，５０４、改質ガス及び空気の各流量を計測するためのフローメータ５０５，５０６、並びに各流量を制御するためのコントローラやバルブ（いずれも図示していない）等の機器類が設置された構成となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような従来例の一酸化炭素除去装置においては、コンプレッサー５０３，５０４、フローメータ５０５，５０６、並びにコントローラやバルブ等の機器類を設置することから、一酸化炭素除去装置の構成部材数が多くなる。したがって、一酸化炭素除去装置が大型化、重量化してしまう上、装置の形状、構成等についても複雑なものとなってしまい、製造工程の複雑化や高コスト化等をもたらす原因となっていた。
【０００６】
その上、コンプレッサー５０３，５０４やコントローラ等の機器類が燃料電池システムにおける内部負荷となるため、燃料電池起動時及び運転時において、燃料電池の発電電力がいくらか犠牲となり、燃料電池システムの発電効率の向上を図る上でも支障となっていた。
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、装置の小型化、軽量化を図ることができると共に、容易かつ安価に製造することができ、しかも燃料電池システムに用いた場合に、燃料電池システムの内部負荷量の低減を図り、発電効率を増大させることが可能な一酸化炭素除去装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る一酸化炭素除去装置は、改質ガスの供給を受けて、外部から取り込む空気と前記改質ガスとを混合する空気混合部と、前記空気混合部で混合された混合ガスを通過させて、改質ガス中に含有する一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させる酸化触媒層とを有する一酸化炭素除去装置において、前記空気混合部は、前記改質ガスの流通路を形成すると共に、当該改質ガスの流通方向下流側端部が当該改質ガスを吹き出すノズル部となっている内管と、前記内管の外周に設けられ、当該内管との間に前記空気の流通路を形成する外管とを有する二重管構造であって、前記ノズル部からの改質ガスの噴射によって、前記空気の流通路を通じて外管内部に空気を吸い込むエゼクタ機構を備えるものであることを特徴としている。
【０００８】
したがって、本発明に係る一酸化炭素除去装置によれば、改質ガスが内管のノズル部から噴射される際に発生する負圧により空気吸引作用が生じるので、コンプレッサーやファン、エアポンプ等の送風機を設けなくても、供給される改質ガスに対してほぼ一定の比率で空気混合部に空気を導入することができるので、一酸化炭素除去装置の簡略化、小型化を図ることが可能となる。
【０００９】
また、空気が内管と外管との間を通って前記ノズル部周辺に流入するため、均一的に混合させることができる。
また、前記一酸化炭素除去装置においては、前記空気混合部から前記酸化触媒層に至る混合ガスの流通路内に、前記混合ガスが通過する貫通孔を有し、前記混合ガスが衝突混合するように設けられた仕切板を備えることも可能である。
【００１０】
この場合、空気混合部から出た混合ガスは、直接、酸化触媒層に導入されるのではなく、仕切板に衝突した後、仕切板に形成された貫通孔を通って酸化触媒層に導入される。したがって、混合ガスは仕切板に衝突する際あるいは貫通孔を通過する際に、改質ガスと空気の混合を十分にすることができるので、酸化触媒層に、より均一に混合された混合ガスを導入させることが可能となる。
【００１１】
さらに、前記一酸化炭素除去装置において、前記空気混合部の内管に、前記改質ガスと、前記外管により形成された流通路に存在する空気との間の熱交換を促進する熱交換促進部を設けることも可能である。
ここで、空気混合部の改質ガス流通方向入口側における改質ガスの温度は約２００〜２３０℃であるのに対し、空気の温度は常温（約２５℃）である。しかしながら、前記熱交換促進部を設けることにより、改質ガス及び空気がそれぞれ流通する間に、低温の空気は熱交換促進部において効率よく高温の改質ガスと熱交換されるので、混合がより効率的に行われると共に、空気混合部からの混合ガスの温度分布を均一化することができる。したがって、酸化触媒層の温度が部分的に低温となったりすることがなく、選択酸化反応をより効率的におこなうことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る一酸化炭素除去装置における実施形態の一例を、図面を参照しながら具体的に説明する。図１は一酸化炭素除去装置の斜視図であり、図２は図１における断面図である。説明上、図１における下方向を前方ということとする。
【００１３】
図２に示されるように、本実施形態の一酸化炭素除去装置は、改質ガスを取り込みこれを噴出する内管１１と、内管１１の外周外側に空気の流通路を形成する外管１２と、外管１２の後方に接続された取付部１５と、取付部１５の後方に接続され混合ガスの通路となる混合ガス管１６と、混合ガス管１６の後方に接続され一酸化炭素選択触媒層２０を装着した触媒管１８から構成される。
【００１４】
内管１１は、例えば防錆、耐熱性並びに熱伝導性の良い金属からなる円筒体であり、その前方端１０１側が図示しない燃料改質装置に接続され、同装置から一酸化炭素及び水蒸気を含む改質ガスが内管１１内に送り込まれる。
内管１１は、後端開口部が、改質ガス噴射口１０４として小径の開口を有したノズル状に形成されている。
【００１５】
外管１２は、内管１１より管径の大きな円筒体で、図示のように前方端１０２がさらに拡径され大気開放されており、外管１２と内管１１との間には空気が流通する流通路が形成されるようになっている。
取付部１５には、前方端側からくり抜いた空間部１５ａが形成され、円筒形状となっている。空間部１５ａの内径は外管１２の内径と等しく、外管１２と、空間部１５ａとは連続するように接続されている。この接続は、外管１２の後方端に溶着されたフランジ１４を、パッキンを介してボルト（図示せず）で締め付けることによってなされている。
【００１６】
混合ガス管１６は、内管１１と略々同径の円筒体であって、その内壁は、前端部１６ａおよび後端部１６ｂでは、端寄りの方が内径が大きくなるように傾斜がつけられており、中央部１６ｃでは、内径が小さく一定となっている。
この混合ガス管１６は、その前端が取付部１５の後方端側から空間部１５ａに貫通するよう挿入された状態で、取付部１５に溶着されている。
【００１７】
さらに上記の内管１１は、取付部１５の空間部１５ａの内奥まで挿入され、改質ガス噴射口１０４と、混合ガス管１６の前方端部１６ａの内壁との間には隙間１０３が設けられるよう取り付けられている。ここで、隙間１０３の幅を調整することにより、改質ガスと空気との混合比率を調整することが可能となる。
内管１１において外管１２との対向部位には、一定距離に渡って波形の熱交換用フィン１３が形成されている。この熱交換用フィン１３は、内管１１内を流れる高温の改質ガスと、内管１１と外管１２との間を流れる室温程度の空気との間で熱交換を促進するために設けられている。
【００１８】
このような構成により、内管１１内を流通し、改質ガス噴射口１０４から噴出する改質ガスにより生じる空気吸引作用によって、混合ガス管１６の前方端部１６ａの内壁と内管１１との間の隙間１０３を通って空気が所定の比率で引き込まれ、改質ガスと混合される。
これに伴って外管１２の前方端１０２側から空気が導入されるが、その空気は、熱交換用フィン１３の作用により熱交換されて加熱された後に、改質ガスと混合されることになる。
【００１９】
また、混合ガス管１６の前端部（１６ａの部分）では、混合ガスの流通に従ってに内径が縮小され、後端部（１６ｂの部分）では、混合ガスの流通に従って徐々に内径が拡大していく。これは、内管１１から噴射された改質ガスと前述の隙間１０３から引き込まれた空気との混合ガスが、触媒管１８に導入される前に、より均一に混合されるようにしたものであって、エゼクタ機構におけるディフューザ部に相当する。
【００２０】
触媒管１８は、混合ガス管１６とほぼ同径の円筒体であって、その前方端から一定距離奥入したところまで一酸化炭素選択触媒層２０が装着されている。なお、一酸化炭素選択触媒層２０としては、具体的には、アルミナ多孔体からなる成型体に白金などの貴金属性の触媒を担持させたものなどが用いられ、この一酸化炭素選択触媒層２０に、混合ガスを２００℃程度の温度で通過させることによって、混合ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化させることができる。
【００２１】
この触媒管１８は、その前方端に溶着されたフランジ１９が、混合ガス管１６の後方端に溶着されたフランジ１７と、ボルト（図示せず）にて接続されており、混合ガス管１６を通過した混合ガスが一酸化炭素選択触媒層２０へと導入されるように構成されている。
なお、外管１２、取付部１５、混合ガス管１６、触媒管１８は内管１１と同じ金属材料で構成される。但し、外管１２については空気と接触するだけであるので、防錆、耐熱性はあまり問題とならず、従って材料選択の自由度は高い。
【００２２】
以上のように構成された一酸化炭素除去装置について、以下、その具体的な使用方法の一例を説明する。
図３は、本実施の形態の一酸化炭素除去装置を組み入れた燃料電池システムの全体概略構成を示す図である。
同図の燃料電池システムは、燃料改質装置３１、一酸化炭素除去装置３２、燃料電池３３から構成される。
【００２３】
燃料改質装置３１は、メタンガス（天然ガス）、メタノール等の燃料ガスと水蒸気、空気を反応させ水素リッチな改質ガスを生成する装置である。この装置の詳細な構成については説明を省略するが、メタノールを原料とする場合であれば、ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ_２の反応式による、またメタンガスを原料とする場合であれば、ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２の反応式による水蒸気改質反応により水素リッチな改質ガスが生成される。
【００２４】
しかしながら、燃料改質装置３１により改質された改質ガスは約１％（１０，０００ｐｐｍ）の一酸化炭素を含有するため、さらに一酸化炭素を除去するべく本実施の形態の一酸化炭素除去装置３２に改質ガスを導入する。
ここで、図２に戻って、燃料改質装置３１により生成された改質ガスは内管１１の前方端１０１から導入され改質ガス噴射口１０４から噴射される。前述のとおり、本実施の形態の一酸化炭素除去装置では、改質ガスが噴射する際に改質ガス噴射口１０４周辺に発生する空気吸引作用により、内管１１と混合ガス管１６の前方端部１６ａ内壁との隙間１０３から空気が流入するエゼクタ構造を有している。このような構造をとることにより、コンプレッサーやファン、エアポンプ等の装置を備えることなく、改質ガスの流通路中に一定の割合にて空気を送り込むことが可能となる。
【００２５】
ここで、燃料改質装置３１から送り込まれる改質ガスの温度は約２００〜２３０℃となっているのに対し、導入される空気の温度は常温（約２５℃）である。しかしながら、熱交換用フィン１３の作用により、改質ガス及び空気がそれぞれ流通する間に、低温の空気が効率よく高温の改質ガスと熱交換されるため、隙間１０３から流入する空気と改質ガスとの温度差はかなりの程度解消され、混合ガス管１６を流れる混合ガスの温度分布を均一化することができる。従って、触媒管１８の内部の温度が部分的に低温となったりすることがなく、選択酸化反応の効率を向上を図ることが可能となる。
【００２６】
さらに、前述のとおり混合ガス管１６は中央部１６ｃから後方端部１６ｂにかけて徐々に内径が拡大する構造となっており、これにより混合ガスの成分分布も均一化されるため、一酸化炭素選択触媒層２０による一酸化炭素の選択酸化反応の効率の向上を図ることが可能となっている。
以上のように、本実施の形態の一酸化炭素除去装置にて一酸化炭素を除去された改質ガスは、触媒管１８を通過して燃料電池３３のアノード部に供給される。このとき、改質ガスの一酸化炭素含有量は約１００ｐｐｍとなっている。
【００２７】
なお、燃料電池のアノードから排出される未反応の改質ガスは、燃料改質装置３１に備えられたバーナーにて燃焼される。
以上のように、本発明に係る一酸化炭素除去装置ではコンプレッサーやファン、エアポンプ等の装置を用いることなく改質ガスの流通路に空気を導入することができるため、装置が大型化、重量化することがなく、燃料電池システムの内部不可量の低減を図ることができる。また、本発明に係る一酸化炭素除去装置は、容易かつ安価に製造することが可能である。
【００２８】
なお、本実施の形態では、混合ガス管１６の後方端側において内径を漸次拡張するといった構造を採用することにより、混合ガスの成分分布の均一化を図ったが、混合ガス管１６内に、図４に示すように、貫通孔を有し、前記混合ガスが衝突するように設けられた仕切板２１を備えることにより、改質ガスと空気の混合を促進することも可能である。仕切板２１としては、例えば、金網を数枚積層させたものを用いることができる。この場合には、混合ガス管の長さを短縮することも可能となる。
【００２９】
また、本実施の形態では、空気と改質ガスとの間の熱交換を促進するために、波形の熱交換用フィン１３を用いたが、熱交換を促進するための方法としては、当該方法に限定されるものではなく、内管１１の外周に空気流通方向に溝を設けたり、又は内管１１の外周に円盤状のフィンを設けるなど様々な方法が考えられる。また、内管１１と外管１２との二重管構造となる部分を十分に長くすれば、特に熱交換促進手段を設けることなく目的を達することも可能である。
【００３０】
次に、本発明の一具体例について説明する。
本具体例の一酸化炭素除去装置は、図２において混合ガス管１６の右端から取付部１５の中心までの長さＡを７１ｍｍ、取付部１５の中心から外管１２の左端近くまでの長さＢを１６８ｍｍとした。なお、外管１２の内径は５２．９ｍｍ、内管１１の内径は２１．６ｍｍである。
【００３１】
燃料電池３３として用いたのは３ｋＷ級のものであり、同規模の燃料電池において用いられる燃料改質装置３１から供給される改質ガスの組成は流量にして、水素２．９５２Ｎｍ^３／Ｈ、一酸化炭素０．０２１Ｎｍ^３／Ｈ、二酸化炭素０．７５５Ｎｍ^３／Ｈ、メタン０．００２Ｎｍ^３／Ｈ（メタンガスを原料とする場合）である。この一酸化炭素０．０２１Ｎｍ^３／Ｈを選択酸化反応させるために必要な酸素の流量は、反応式ＣＯ＋１／２Ｏ_２→ＣＯ_２から、０．０２１／２＝０．０１０５Ｎｍ^３／Ｈ（体積比＝モル比であるため）であり、これを空気の量に換算すると、０．０１０５＊（１００／２１）＝０．０５０Ｎｍ^３／Ｈとなる。
【００３２】
一般的には、実際の作動には理論量の２〜３倍の空気量が必要とされているため、約０．１５Ｎｍ^３／Ｈの空気を取り入れることができるように隙間１０３の間隔を設計した。
即ち、燃料改質装置３１から送られて来る改質ガスの温度が２００℃、圧力０．５ｋｇ／ｃｍ^２Ｇで、流量を５．２Ｎｍ^３／Ｈとし、空気の温度が常温で圧力０ｋｇ／ｃｍ^２Ｇ（常圧）、流量を０．１５Ｎｍ^３／Ｈとすることにより、一酸化炭素の濃度量が１００ｐｐｍ程度にまで低減された改質ガスを圧力０．１ｋｇ／ｃｍ^２Ｇにて得ることが可能であった。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る一酸化炭素除去装置は、改質ガスの流通路を形成すると共に、当該改質ガスの流通方向下流側端部が当該改質ガスを吹き出すノズル部となっている内管と、前記内管の外周に設けられ、当該内管との間に前記空気の流通路を形成する外管とを有する二重管構造であって、前記ノズル部からの改質ガスの噴射によって、前記空気の流通路を通じて外管内部に空気を吸い込むエゼクタ機構を備えるため、改質ガスが内管のノズル部から噴射される際に発生する負圧により空気吸引作用が生じ、空気が内管と外管との間を通って前記ノズル部周辺に流入する。したがって、コンプレッサーやファン、エアポンプ等の送風機を設けなくても、供給される改質ガスに対して所定の割合にて空気を導入、混合させることができ、一酸化炭素除去装置の小型化、軽量化を図ることが可能となると共に、当該一酸化炭素除去装置を容易かつ安価に提供することが可能となるという効果がある。また、送風機を駆動するための電力が不要となるため、燃料電池システムに用いた場合に、燃料電池システムの内部負荷量の低減を図ることができ、発電効率を増大させることが可能になるという効果がある。
【００３４】
また、前記空気混合部から前記酸化触媒層に至る混合ガスの流通路内に、前記混合ガスが通過する貫通孔を有し、前記混合ガスが衝突するように設けられた仕切板を備えた場合には、混合ガスが直接酸化触媒層に導入されるのではなく、仕切板に衝突した後、仕切板に形成された貫通孔を通って酸化触媒層に導入される。したがって、混合ガスが仕切板に衝突する際あるいは貫通孔を通過する際に、改質ガスと空気の混合を十分にすることができるので、酸化触媒層に、より均一に混合された混合ガスを導入させることができるという効果がある。
【００３５】
さらに、前記空気混合部の内管に、前記改質ガスと、前記外管により形成された流通路に存在する空気との間の熱交換を促進する熱交換促進部を設けた場合には、改質ガス及び空気がそれぞれ流通する間に、低温の空気は熱交換促進部において効率よく高温の改質ガスと熱交換されるので、混合がより効率的に行われると共に、空気混合部からの混合ガスの温度分布を均一化することができる。したがって、酸化触媒層の温度が部分的に低温となったりすることがなく、選択酸化反応をより効率的に行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る一酸化炭素除去装置の斜視図である。
【図２】本発明に係る一酸化炭素除去装置の断面図である。
【図３】本発明に係る一酸化炭素除去装置を組み入れた燃料電池システムの全体概略構成を示す図である。
【図４】本発明に係る一酸化炭素除去装置において、混合ガス管内部に仕切板を設けた場合の構成を示す断面図である。
【図５】従来の一酸化炭素除去装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１１内管
１２外管
１３熱交換用フィン
１４フランジ
１５取付部
１５ａ空間部
１６混合ガス管
１６ａ前方端部
１６ｂ後方端部
１６ｃ中央部
１７フランジ
１８触媒管
１９フランジ
２０一酸化炭素選択触媒層
２１仕切板
３１燃料改質装置
３２一酸化炭素除去装置
３３燃料電池
１０１内管前方端開口部
１０２外管前方端開口部
１０３隙間
１０４改質ガス噴射口

Claims

改質ガスの供給を受けて、外部から取り込む空気と前記改質ガスとを混合する空気混合部と、前記空気混合部で混合された混合ガスを通過させて、改質ガス中に含有する一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させる酸化触媒層とを有する一酸化炭素除去装置において、
前記空気混合部は、
前記改質ガスの流通路を形成すると共に、当該改質ガスの流通方向下流側端部が当該改質ガスを吹き出すノズル部となっている内管と、
前記内管の外周に設けられ、当該内管との間に前記空気の流通路を形成する外管とを有する二重管構造であって、
前記ノズル部からの改質ガスの噴射によって、前記空気の流通路を通じて外管内部に空気を吸い込むエゼクタ機構を備えるものである
ことを特徴とする一酸化炭素除去装置。
前記一酸化炭素除去装置は、
前記空気混合部から前記酸化触媒層に至る混合ガスの流通路内に、
前記混合ガスが通過する貫通孔を有し、前記混合ガスが衝突するように設けられた仕切板を備えること
を特徴とする請求項１記載の一酸化炭素除去装置。
前記一酸化炭素除去装置は、
前記空気混合部の内管に、
前記改質ガスと、前記外管により形成された流通路に存在する空気との間の熱交換を促進する熱交換促進部が設けられている
ことを特徴とする請求項１又は２記載の一酸化炭素除去装置。