JP3695304B2 - 一酸化炭素除去装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池システムに設けられる、炭化水素等の燃料を含む改質燃料を改質した改質ガスに含有される一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
改質ガス中の一酸化炭素を除去する技術として、特開平８−１００１８４号公報や特開平７−１８５３０３号公報に記載のものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特開平８−１００１８４号公報の技術は、触媒層と冷媒層とを積層し、反応熱が触媒層から冷媒層へ伝熱されることにより、触媒温度の上昇を抑制するものである。この種の一酸化炭素除去装置では改質ガスに酸化剤を予混合する混合器を一酸化炭素除去装置と別に設ける必要があり、部品点数の増加や製造工程の増加により、製造コストが高くなる問題がある。
【０００４】
また特開平７−１８５３０３号公報に記載の技術は、触媒層と冷却層とが交互に配される触媒積層体と選択酸化触媒が充填された触媒充填体とがメッシュ板を介して接合された一酸化炭素除去装置を用いてＣＯを除去するものである。しかしこの装置では、改質ガスが触媒層に導入される直前に酸化剤が改質ガスに混合される場合には混合が十分行われないため、触媒層から十分離れた位置で酸化剤を導入する必要があり、十分な混合を行うためには一酸化炭素除去装置が大型化する問題がある。
【０００５】
そこで本発明は、このような問題を解決する一酸化炭素除去装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応を用いて除去する一酸化炭素除去装置において、改質ガスを導入する入口から所定距離離れて一酸化炭素を反応させる触媒が充填される触媒層と、前記触媒層と熱交換する冷媒層とを隔壁を介して積層構成し、前記隔壁に設けた複数の孔を介して前記触媒層の改質ガスの導入領域に酸化剤を供給する酸化剤流路を前記冷媒層の前方に区画形成する。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、前記触媒層と冷媒層とが複数段積層される。
【０００８】
第３の発明は、第１または２の発明において、前記触媒層と前記冷媒層と前記隔壁と前記酸化剤流路とを改質ガスの流れ方向に直列に複数設け、これらを一体的に形成する。
【０００９】
第４の発明は、第１から３のいずれかの発明において、前記触媒層には、その表面に触媒を付着させた波型のフィンが配置され、改質ガスを上流から下流へと流通させる。
【００１０】
第５の発明は、第１から４のいずれかの発明において、前記隔壁に設けた孔の大きさは酸化材の流れ方向で下流側ほど大きく設定される。
【００１１】
第６の発明は、第１から５のいずれかの発明において、前記隔壁に設けた孔の配置は酸化材の流れ方向で下流側ほど隣り合った孔同士の間隔が狭く設定される。
【００１２】
【発明の効果】
第１、第４の発明では、一酸化炭素除去装置において、触媒層と冷媒層とを隔壁を介して改質ガスの流れと直交する方向に積層し、触媒を改質ガス導入口から所定距離離れて充填するとともに、隔壁に設けた孔を介して酸化剤を供給するようにしたので、改質ガスと酸化剤との混合を短時間に効率的に行うことができ、省スペースを可能とし、従来の一酸化炭素除去装置に混合器を接合したものに比して製造コストを低減することができ、かつ触媒層は積層した冷媒層からの適度な冷却を受け、適正な活性温度を維持する。
【００１３】
第３の発明では、前記触媒層と前記冷媒層と前記隔壁と前記酸化剤流路とを改質ガスの流れ方向に直列に複数設け、これらを一体的に形成したので、前記第１の発明の作用効果に加えて、一酸化炭素除去能力を向上することができる
第５、６の発明では、酸化剤を供給する孔の大きさや配置を酸化材の流れに沿って変化させたので、改質ガス中の酸化剤濃度の偏りが減少し、均一な反応を生じることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の一酸化炭素除去装置の基本概念図を示す。
【００１５】
一酸化炭素除去装置２５は、改質ガスに酸化剤を導入する酸化剤混合部２６と、酸化剤が混合した改質ガス中の一酸化炭素（以下、ＣＯと示す）を選択酸化反応によって除去する触媒部２７と、触媒部２７と熱交換し、触媒部２７の温度を調節する熱交換部２８とを備える。
【００１６】
触媒部２７には選択酸化触媒、例えばＲｕ／Ａｌ₂Ｏ₃がコーティングされたコルゲート型フィンが充填され、酸化剤が混合した改質ガスとの間で以下の酸化反応を発生させて、ＣＯを所定濃度以下に除去する。
【００１７】
２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂ （１）
この反応は発熱反応であるため、触媒部２７の温度が上昇する。選択酸化触媒は反応選択性が高くなる温度領域を有し、この温度領域を越えると下式に示す副反応が活発となる。
【００１８】
２Ｈ₂＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏ （２）
ＣＯ₂＋Ｈ₂→ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ （３）
（２）式の副反応は燃料電池スタックの燃料であるＨ₂を消費し、（３）式の副反応はＣＯを生成するので、これらの副反応は燃料電池システムとしての効率を低下させる。
【００１９】
そこで触媒部２７を冷却するための熱交換部２８を設け、触媒部２７の触媒温度を調整する。なお、熱交換部２８の冷媒としては例えば、オイルが用いられる。
【００２０】
このようにしてＣＯを所定濃度（例えば１００ｐｐｍ）以下に除去した改質ガスを図示しない燃料電池スタックに供給する。
【００２１】
図２から図５を用いて本発明の一酸化炭素除去装置の詳細を説明する。
【００２２】
図２は一酸化炭素除去装置の組立状態を示しており、図３に示すように触媒層１と冷媒層３とを隔壁６を介して結合したボックス１０Ａから１０Ｃを上下に積み重ねた構造となっている。本実施形態では３段構造であるが、１つのボックスそれぞれが一酸化炭素除去装置としての機能を有するので、改質ガスの流量や改質ガス中の一酸化炭素濃度によって段数を変更すればよい。
【００２３】
図３を用いて１つのボックスの構成について説明すると、上部の触媒層１は改質ガスの流れ方向にボックスを貫通しており、触媒層１の内部には選択酸化触媒としての、例えばＲｕ／Ａｌ₂Ｏ₃がコーティングされた触媒フィン２が触媒層１の改質ガスの入口２０Ａより所定寸法下流側の位置に設置される。本実施形態において触媒フィン２の形状はコルゲート型であるがこれに限ったものではない。
【００２４】
触媒層１に導入された改質ガスは、触媒フィン２との間で酸化反応を生じ、改質ガス中のＣＯを消費する。この反応によって所定濃度以下にＣＯ濃度を低減した改質ガスが出口２０Ｂより排出される。
【００２５】
触媒層１には、改質ガスの流れ方向に触媒フィン２の両側に位置して、冷媒を流通させるための冷媒流路用区画１Ａ、１Ｂが設けられる。冷媒流路用区画１Ａ、１Ｂは冷媒が触媒層１に漏れないように触媒層１と独立して設けられる一方、隔壁６に対応する位置に開口した冷媒流路用開口６Ａ、６Ｂを介して触媒層１の下方に位置する冷媒層３の冷媒流路３Ｂに接続し、触媒層１を横切るように冷媒層３に冷媒を導入する。このように構成されて冷媒は、例えば図４に示すように、一方の冷媒流路用区画１Ａより導入されて、下方の冷媒層３の冷媒流路３Ｂを水平に通過し、通過の際に触媒層１との間で熱交換を行い触媒層１の熱を吸収し、加熱された冷媒が冷媒流路用区画１Ｂから排出される。なお、冷媒流路３Ｂには触媒層１との熱交換を促進するの波板状のフィン８が設けられ、改質ガスと直交して冷媒を流す。
【００２６】
このようにしてＣＯ除去時の酸化反応時に生じた反応熱によって触媒層１は加熱されるが、各触媒層１の下方に設けた冷媒層３を流通する冷媒によって触媒フィン２の温度は選択酸化触媒の活性温度に調整される。なお、冷媒としてはオイル等が用いられる。
【００２７】
触媒層１には図３に示すように、一方の冷媒流路用区画１Ａの上流側に酸化剤を流通する酸化剤流路用区画１Ｃが設けられる。一方、冷媒層３の前側には冷媒流路３Ｂと平行に酸化剤流路３Ａが区画されており、酸化剤流路用区画１Ｃと酸化剤流路３Ａとは隔壁６に設けた酸化剤流通用開口６Ｃを介して連通しており、図５に示すように酸化剤流路用区画１Ｃに導入された酸化剤は酸化剤流路３Ａに供給される。そして触媒層１と冷媒層３とを隔てる隔壁６の酸化剤流路３Ａの上部に設けられた複数の酸化剤噴出孔７より酸化剤を触媒層１の改質ガスを導入する入口２０Ａ側、すなわち触媒フィン２の上流側に供給する。前述したように触媒層１の入口２０Ａと触媒フィン２までは所定の距離が置かれており、酸化剤はこの触媒フィン２の設置されていない導入スペース１５に噴出される。
【００２８】
なお、本実施形態において、一酸化炭素除去装置を構成するために、各ボックス１０Ａから１０Ｃは隔壁６によって触媒層１と冷媒層３が上下方向を遮蔽され、かつその上下面を蓋４、下蓋５によってによって遮蔽されているが、これら３つのボックス１０Ａから１０Ｃを積層するために、これら蓋４、隔壁６には上述した酸化剤と冷媒の流れを可能とする開口部が設けられている。すなわち蓋４には、酸化剤導入用開口４Ｃ、冷媒導入用開口４Ａと冷媒排出用開口４Ｂが設けられている。なお下蓋５については最下段のボックス１０Ｃのみに設けられ、他のボックス１０Ａ、１０Ｂは蓋４が兼用する。
【００２９】
このような構成とすることによって、改質ガスと酸化剤との混合を短時間で行うことができ、省スペースを可能とし、また式（１）、（２）に示した発熱反応の反応熱によって加熱された選択酸化触媒としての触媒フィン２の上下をサンドウィッチ状に取り囲むように配置した冷媒によって適度に冷却し活性温度に維持することができ、式（２）、（３）に示す副反応による燃料電池システムの効率低下を抑制できる。
【００３０】
さらには本実施形態の一酸化炭素除去装置は、改質ガスと酸化剤の混合部（具体的には触媒層１の触媒フィン２の設置されていない入口近傍のスペース１５）と酸化反応を行う触媒部（触媒層１）とその冷却を司る冷媒が流通する冷媒層（冷媒流路）とを一体構造とすることができるので、従来の一酸化炭素除去装置に混合器を接合したものに比して小型化でき、製造コストを低減することができる。
【００３１】
次に第２の実施形態を図６から図９に示す。このうち、図７から図９には、触媒層１、隔壁６、冷媒層３の斜視図を示す。
【００３２】
これは第１の実施形態の一酸化炭素除去装置を改質ガスの流れ方向に沿って直列に複数繋げて構成される。すなわち上流の３０Ａとその下流の３０Ｂとを直列に接続する。このように構成することでユニット化ができ、全体の製造コストを低減することができる。
【００３３】
ところで第１、第２実施形態において、図１０に示すように隔壁６に設ける酸化剤噴出孔７の穴径を、酸化剤導入上流側の酸化剤流通用開口６Ｃから遠くなるほど大きく形成すると、酸化剤の分布を均等化することができる。これは酸化剤流通用開口６Ｃから遠い位置の酸化剤噴出孔７になるほど静圧が低下することによって、酸化剤の噴出量が少なくなるのを穴径を大きくすることで補い、噴出量の偏りを防止するものである。これにより改質ガス中の酸化材濃度の偏りが減少し、反応効率が向上する。
【００３４】
同じく図１１に示すものは、酸化剤噴出孔７の配置を酸化剤流通用開口６Ｃから遠くなるほど隣り合った孔同士の間隔が狭く、密になるようにしたものである。酸化剤流通用開口６Ｃから遠い酸化剤噴出孔７になるほど静圧が低下することによって、酸化材の噴出量が少なくなるのを酸化剤噴出孔７の配置を密にすることによって補い、噴出量の偏りを防止することができる。なお合わせて、酸化剤噴出孔７の孔径を図１０と同様に変更することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の基本構成を示す概念図である。
【図２】 第１の実施形態を示す斜視図である。
【図３】 同じく各構成部材を示す分解斜視図である。
【図４】 同じく冷媒の流れを説明する、図２のＩ−Ｉ線断面図である。
【図５】 同じく酸化材の流れを説明する、図２のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図６】 第２の実施形態を示す斜視図である。
【図７】 同じく触媒層の構成を示す斜視図である。
【図８】 同じく隔壁の構成を示す斜視図である。
【図９】 同じく冷媒層の構成を示す斜視図である。
【図１０】 第３の実施形態を示す隔壁の斜視図である。
【図１１】 第４の実施形態を示す隔壁の斜視図である。
【符号の説明】
１ 触媒層
２ 触媒フィン
３ 冷媒層
４ 蓋
５ 下蓋
６ 隔壁
７ 酸化剤噴出孔
８ フィン

Claims (6)

1. 改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応を用いて除去する一酸化炭素除去装置において、
   改質ガスを導入する入口から所定距離離れて一酸化炭素を反応させる触媒が充填される触媒層と、
   前記触媒層と熱交換する冷媒層とを隔壁を介して積層構成し、
   前記隔壁に設けた複数の孔を介して前記触媒層の改質ガスの導入領域に酸化剤を供給する酸化剤流路を前記冷媒層の前方に区画形成したことを特徴とする一酸化炭素除去装置。
2. 前記触媒層と冷媒層とが複数段積層されてい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. 前記触媒層と前記冷媒層と前記隔壁と前記酸化剤流路とを改質ガスの流れ方向に直列に複数設け、これらを一体的に形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の一酸化炭素除去装置。
4. 前記触媒層には、その表面に触媒を付着させた波型のフィンが配置され、改質ガスを上流から下流へと流通させるように構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の一酸化炭素除去装置。
5. 前記隔壁に設けた孔の大きさは酸化材の流れ方向で下流側ほど大きく設定されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の一酸化炭素除去装置。
6. 前記隔壁に設けた孔の配置は酸化材の流れ方向で下流側ほど隣り合った孔同士の間隔が狭く設定されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の一酸化炭素除去装置。

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