JP3729137B2 - Carbon monoxide removal equipment - Google Patents

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JP3729137B2 JP2002032401A JP2002032401A JP3729137B2 JP 3729137 B2 JP3729137 B2 JP 3729137B2 JP 2002032401 A JP2002032401 A JP 2002032401A JP 2002032401 A JP2002032401 A JP 2002032401A JP 3729137 B2 JP3729137 B2 JP 3729137B2
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  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池車両等に用いられる一酸化炭素除去装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の燃料極に供給する水素ガスを生成する方法として、メタノール、ガソリン等の燃料を触媒の作用により水蒸気及び空気と反応させ、水素リッチガスを生成する方法がある。この方法においては、一酸化炭素、水蒸気、二酸化炭素と水素との化学平衡から水素リッチガス中に一酸化炭素が残り、この一酸化炭素の濃度が高い場合には、燃料極の触媒（白金）粒子が被毒し性能が低下することが知られている。水素リッチガス中の一酸化炭素濃度は、一般に１０ｐｐｍ程度まで下げることが必要である。
【０００３】
水素リッチガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置として、一酸化炭素と酸化剤（例えば酸素、空気、オゾン等）とを触媒上で選択的に反応させる装置が挙げられる。このような装置において、一酸化炭素の酸化反応には、有害な副反応を併発する場合がある。特に、一酸化炭素が低濃度であり、かつ酸化剤が低濃度である場合には、化学平衡上、二酸化炭素と水素から一酸化炭素が生成する逆シフト反応（ＣＯ2＋Ｈ2→ＣＯ＋Ｈ2Ｏ）が活発化する。この逆シフト反応は、一酸化炭素の除去効率を低下させるので、抑制する方策が採られている。
【０００４】
特開２０００−１６９１０６号では、上流側に位置する触媒層には高活性なＰｔ触媒を、下流側に位置する触媒層には低活性なＲｕ触媒を担持している一酸化炭素除去装置を開示している。この装置では、下流側、すなわち一酸化炭素が低濃度となる触媒層で生じる逆シフト反応を、触媒活性を迎えることにより抑制している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、触媒層の能力は定格の水素リッチガス流量に対応できるよう設計されるので、水素リッチガス流量が定格値（一酸化炭素除去装置が燃料電池に適用される場合には燃料電池の定格運転負荷に相当する）よりも低いときには、下流側の能力が反応物の量に対して過剰となる。従って、この状態においては、下流側の触媒層に活性を抑制した触媒を用いても、酸化反応の進行、すなわち酸化剤の消費が早期に完了する。そして、酸化剤が存在しない触媒層領域（上流・下流側に共に存在し得る）においては、逆シフト反応により一酸化炭素が生成してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような問題を鑑み、水素リッチガスの流量が定格より小さい場合に、酸化触媒層における一酸化炭素の生成を抑制することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、第１の発明は、一酸化炭素を含有する水素リッチガスを酸化剤と混合した後に酸化触媒層へ導入することにより、一酸化炭素を酸化除去する一酸化炭素除去装置において、前記水素リッチガスの流量が定格値以下の場合に、酸化触媒層に導入される水素リッチガスの水分濃度を増加させ、かつ酸化触媒層に導入される水素リッチガスの水分濃度が水素リッチガス流量の減少とともに増加することを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明に係わる一酸化炭素除去装置が、前記水素リッチガスを発生する水素発生装置に結合し、かつ前記酸化触媒層に導入される水素リッチガスの水分濃度を前記水素発生装置から発生した水素リッチガスの水分濃度よりも増加させることを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は、第２の発明に係わる一酸化炭素除去装置において、酸化触媒層の上流側に、水素リッチガスに水分を導入する水分導入手段を設け、水分流量の水素リッチガス流量に対する比率を大きくすることにより、水素リッチガスの水分濃度を増加させることを特徴とする。
【００１０】
第４の発明は、第１又は第２の発明に係わる一酸化炭素除去装置において、酸化触媒層の上流側に配置された、シフト反応により一酸化炭素を除去するシフト触媒層と、シフト触媒層の上流側に配置された、水素リッチガスに水分を導入する水分導入手段とを備え、前記シフト触媒層上流の前記水分導入手段から導入する水分流量の水素リッチガス流量に対する比率を大きくすることにより、水素リッチガスの水分濃度を増加させることを特徴とする。
【００１１】
第５の発明は、第３の発明に係わる一酸化炭素除去装置において、水蒸気発生手段を備え、前記水蒸気発生手段から生成した水蒸気は前記水素発生装置に炭化水素の改質原料として分岐される一方、水分導入手段にも供給されることを特徴とする。
【００１２】
第６の発明は、第１の発明に係わる一酸化炭素除去装置において、酸化触媒層の上流側に、水素リッチガスに水分を導入する水分導入手段を設け、水分流量の水素リッチガス流量に対する比率を大きくすることにより、水素リッチガスの水分濃度を増加させることを特徴とする。第７の発明は、第３、第４、又は第６の発明に係わる一酸化炭素除去装置において、前記水分導入手段から導入する水分流量を水素リッチガス流量によらず一定として、水素リッチガスの水分濃度を増加させることを特徴とする。第８の発明は、第６の発明に係わる一酸化炭素除去装置において、前記水素リッチガスを発生する水素発生装置に結合し、水蒸気発生手段を備え、前記水蒸気発生手段から生成した水蒸気は前記水素発生装置に炭化水素の改質原料として分岐される一方、水分導入手段にも供給されることを特徴とする。
【００１３】
【発明の効果】
第１又は第２の発明においては、水素リッチガスの流量が定格よりも低い場合には、水素リッチガス中の水分濃度が大きくなる。ここで、水分の存在は、酸化触媒上での一酸化炭素の酸化反応を抑制する、すなわち酸化触媒層の能力を下げることに相当する。このため、運転負荷が定格よりも低い場合にも、酸化触媒層の能力が反応物の量に対して過剰となることがないので、逆シフト反応による一酸化炭素の生成を抑制することができる。また、前記酸化触媒層に導入される水素リッチガスの水分濃度が水素リッチガス流量の減少とともに増加し、適切に酸化触媒層の能力を抑制することができる。
【００１４】
第３の発明においては、酸化触媒層の上流側に水素リッチガスに水分を導入する手段を設けることにより、第１の発明の効果を生じさせる。これにより、水素リッチガス流量の変化に合わせて、きめ細かい水分調整を行うことができる。
【００１５】
第４の発明においては、酸化触媒層とシフト触媒層との組み合わせた構成の一酸化炭素除去装置においては、シフト触媒層へ水分を導入する手段と、酸化触媒層へ水分を導入する手段とを兼用することができる。これにより既存の装置構成のままで、第１の発明の効果を生じさせることができる。
【００１６】
第５の発明においては、酸化触媒層へ導入する水分を水蒸気とする場合に、酸化触媒層へ導入する水蒸気を発生する手段と、炭化水素改質システムに対する水蒸気発生手段とを一体化することができる。これにより、水素発生手段が炭化水素改質システムである場合に、炭化水素改質システムを簡素化することができる。
【００１７】
第６の発明においては、酸化触媒層の上流側に水素リッチガスに水分を導入する手段を設けることにより、第１の発明の効果を生じさせる。これにより、水素リッチガス流量の変化に合わせて、きめ細かい水分調整を行うことができる。第７の発明においては、酸化触媒層への水分導入手段が流量調整機能を備えなくても、水分濃度が変わる。これにより、第３、第４、及び第６の発明の効果を有しながら、装置を簡素化することができる。第８の発明においては、酸化触媒層へ導入する水分を水蒸気とする場合に、酸化触媒層へ導入する水蒸気を発生する手段と、炭化水素改質システムに対する水蒸気発生手段とを一体化することができる。これにより、水素発生手段が炭化水素改質システムである場合に、炭化水素改質システムを簡素化することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一酸化炭素除去装置を燃料電池に適用する場合の実施形態を説明する。まず、図1を参照して、本発明の第一の実施形態に係る一酸化炭素除去装置について説明する。
【００１９】
一酸化炭素除去装置１の上流側には、一酸化炭素を含有する水素リッチガスを発生する水素発生装置２が配置されている。本発明の実施形態では、この水素発生装置の例として改質器を採り上げる。改質器２は、炭化水素燃料（例えばメタノールやガソリン）と空気と水蒸気との反応から、水素リッチガスを生成する。この水素リッチガスには、一酸化炭素が含有されており、例えばメタノールを改質する場合には１．５％程度となる。
【００２０】
一方、一酸化炭素除去装置１の下流側には、燃料電池３が配置されている。燃料電池３は、例えば、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）である。燃料電池３は、前記水素ガスと空気との反応から、電気を生成する。この反応を効率的に進行させるためには、水素リッチガスに含有される一酸化炭素の濃度を、一酸化炭素除去装置１において、１０ｐｐｍ程度まで除去しておく必要がある。
【００２１】
入口配管４において、一酸化炭素を含有する水素リッチガスは、配管、電磁バルブ等からなる空気導入手段５から酸化剤としての低濃度の空気を混合され、その後、酸化触媒層６に導かれる。酸化触媒層６には、一酸化炭素を選択的に酸化する特性を有する触媒、例えばＰｔ／Ａｌ2Ｏ3が担持されている。そして、一酸化炭素が十分に除去された水素リッチガスは、出口配管７から排出される。
【００２２】
さらに、入口配管４には水噴射弁等の水分導入手段８が設置され、水素リッチガスに水分が混合される。水分の導入方法を次に説明する。
【００２３】
まず、ポンプ９から吐出された水は、圧力調節手段（調整弁）１０により内圧を調整されながら、水分導入手段８に導かれる。そして、水分導入手段８から水素リッチガスに噴霧された水は、水素リッチガスの熱エネルギーにより気化することにより、水蒸気として水素リッチガスに混合される。
【００２４】
一酸化炭素の酸化反応には、反応条件によっては、効率低下に結びつく好ましくない副反応が伴う。一酸化炭素の酸化反応は、次の化学反応式に示す通りである。
【００２５】
２ＣＯ＋Ｏ2→２ＣＯ2 （１）
副反応は、例えばＰｔ／Ａｌ2Ｏ3触媒を用いた場合には、次の化学反応式に示すような逆シフト反応であり、一酸化炭素を生成すると同時に水素を消費する好ましくない反応である。
【００２６】
ＣＯ2＋Ｈ2→ＣＯ＋Ｈ2Ｏ （２）
これらの反応は、水素リッチガス中に酸素が存在している条件においては、化学平衡的に反応（１）が優先的に進行する。しかし、反応（１）が十分に進行すると水素リッチガス中の酸素が不足し、反応（２）が活発化するようになる。ここで、触媒層の能力は、通常、定格の水素リッチガス流量（燃料電池の定格運転負荷に相当する）に対応できるよう設計されるので、水素リッチガス流量が定格よりも小さくなる場合には、反応（１）が早期に完了し、それ以降の触媒層領域においては反応（２）が活性化するために、一酸化炭素の除去効率が悪くなるという問題が生じる。
【００２７】
一方、水素リッチガス中の水分の濃度が大きくなると、極性を有する水分子が触媒に接触する頻度が大きくなるため、反応（１）の進行が阻害される好ましくない現象がある。しかし、本発明では、水素リッチガスの流量、つまり運転負荷が定格より小さくなる場合に、酸化触媒層に導入される水素リッチガスの水分濃度を、改質器２から発生した状態の水分濃度よりも増加させて、反応（１）の進行を遅く、すなわち反応（２）が活発化する触媒層の領域を小さくする作用を生じさせる。
【００２８】
また、この作用に加え、水素リッチガス中の水分濃度が大きくなると、化学平衡により反応（２）を抑制する作用も付随的に生じる。
【００２９】
酸化触媒層６において、反応（２）の抑制に要求される水分濃度Ｃ（＝ＦH2O／ＦH2）は、図２ａの実線に示すように、水素リッチガス流量ＦH2の減少とともに増加する。ここで、ＦH2Oは酸化触媒層６に流入する水素リッチガス中の水分流量である。要求水分濃度Ｃは、改質器２の出口の水分濃度Ｃ0に対して水分導入手段８からの水の噴霧による供給水分濃度Ｃ1（＝ｔＦH2O／ＦH2）を追加することにより実現される。（ここでｔＦH2Oは、噴霧される水の供給水流量である）。つまり、Ｃ＝Ｃ0＋Ｃ1である。なお、本実施形態では、要求水分濃度Ｃは水素リッチガス流量ＦH2に対して直線的に減少するが、水素リッチガス流量ＦH2に対して単調減少する曲線であっても構わない。
【００３０】
要求水分濃度Ｃを達成するために、コントロールユニット１１は、運転負荷の情報、すなわち水素リッチガスの流量ＦH2に基づき、水分導入手段８から噴霧される供給水流量ｔＦH2O（＝Ｃ1ＦH2）を制御する。なお、燃料電池の運転負荷の情報として、燃料電池３の出力値を使用することも可能であり、燃料電池車両であれば、アクセルの踏み込み量を検出して運転負荷の情報として使用する構成とすることもできる。
【００３１】
コントロールユニット１１が実行する水分濃度の制御を図３のフローチャートに基づいて説明する。コントロールユニット１１は、中央処理装置（ＣＰＵ）とランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、入出力インターフェイスを具備しており、図３の制御ルーチンを所定時間間隔、例えば１０ｍｓおきに実行する。
【００３２】
まず、ステップＳ１において、コントロールユニット１１は、運転負荷の情報として流量センサ（図示せず）で検出される水素リッチガス流量ＦH2を読み込む。コントロールユニット１１は、水素リッチガス流量ＦH2に応じた供給水流量ｔＦH2Oを図２ｂのマップとしてＲＯＭに記憶しており、ステップＳ２において、図２ｂのマップを参照し水素リッチガス流量ＦH2に基づいて、供給水流量ｔＦH2Oを決定する。次に、ステップＳ３において、決定された供給水流量ｔＦH2Oを実現するための指令信号を水分導入手段８に送出し、水分導入手段８の開度を制御する。
【００３３】
なお、図２ｂのように、噴霧される水の水流量ｔＦH2Oは、酸化触媒層６に流入する水素リッチガスの水分濃度Ｃが反応（２）の抑制に最適な濃度となるように、予め設定されており、水素リッチガス流量の定格において、零の値をとる。例えば、供給水分濃度Ｃ1が水素リッチガス流量ＦH2に対して直線的に減少する場合には、水流量ｔＦH2Oは、水素リッチガス流量ＦH2に対して二次関数的に変化する。
【００３４】
以上に述べてきた作用から得られる効果を図４に示す。従来のように水分濃度を調整しない場合は、水素リッチガス流量が小さくなると、逆シフト反応の活性化により、一酸化炭素除去装置の出口でのＣＯ濃度は増加し、一酸化炭素の除去効率が低下している。しかし、本実施形態では、水分濃度の調整によって逆シフト反応を抑制することにより、水素リッチガス流量が小さい場合も出口でのＣＯ濃度はほとんど増加せず、一酸化炭素の除去効率を維持することができた。
【００３５】
次に、第二の実施形態について説明する。
【００３６】
図５に示すように、本実施形態は、第一実施形態の構成において、改質器２と酸化触媒６との間にシフト触媒層１２を設置したものである。水分導入手段８は、シフト触媒層１２の入口配管１３に設置されている。
【００３７】
この構成では、改質器２で生成した水素リッチガスに含有される一酸化炭素は、まずシフト触媒層１２において、次の化学反応式で示すシフト反応によって除去される。
【００３８】
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2 （３）
シフト触媒層１２には反応（３）の活性を有する触媒、例えばＣｕ／ＺｎＯが担持されている。シフト触媒層１２で一酸化炭素を除去された水素リッチガスは、さらに酸化触媒層６で一酸化炭素を除去された後、燃料電池３に供給される。
【００３９】
ここで、反応（３）は、水分濃度が高い方が、化学平衡によって促進される。よって、通常、シフト触媒層１２を使用する場合には、一酸化炭素の除去効率を高めるため、シフト触媒層１２の上流に水分導入手段８を備えた構成となっている。本実施形態では、水素リッチガス流量が定格よりも低い場合には、シフト触媒層１２における反応（３）の促進のために導入する水分を酸化触媒層６における反応（１）の抑制、つまり好ましくない副反応である反応（２）の抑制に流用する。
【００４０】
これを行うための、水分濃度の制御方法を説明する。図６ａの実線に示すように、一酸化炭素除去装置６における反応（２）の抑制に必要な要求水分濃度Ｃは、第一の実施形態と同様に、改質器２の出口の水分濃度Ｃ0に対して、水分導入手段８からの水の噴霧による供給水分濃度Ｃ1（＝ｔＦH2O／ＦH2）を追加することにより実現される。ただし、本実施形態での供給水分濃度Ｃ1には、シフト触媒層１２における反応（３）の促進のために追加が必要となる水分濃度Ｃ2が含まれている。
【００４１】
次に、コントロールユニット１１が実行する水分濃度の制御を図７のフローチャートに基づいて説明する。
【００４２】
コントロールユニット１１は、まず、ステップＳ１１において、水素リッチガス流量ＦH2を読み込む。コントロールユニット１１のＲＯＭは、水素リッチガス流量ＦH2と水分導入手段８からの供給水流量ｔＦH2Oとの関係を図６ｂのマップとして記憶しており、ステップＳ１２において、図６ｂのマップを参照し水素リッチガス流量ＦH2に基づいて、供給水流量ｔＦH2Oが決定される。次に、ステップ１３において、コントロールユニット１１はステップＳ１２で決定された供給水流量ｔＦH2Oを実現するよう指令信号を水分導入手段８に送出し、水分導入手段８の開度を制御する。
【００４３】
図６ｂのように、噴霧される水の水流量ｔＦH2Oは、水分を噴霧された後の水素リッチガスの水分濃度Ｃがシフト触媒層１２における反応（３）の促進と反応（２）の抑制に最適な濃度となるように、水素リッチガス流量ＦH2の増加に応じて変化する特性に設定されている。
【００４４】
第二の実施形態による酸化触媒層６とシフト触媒層１２とを組み合わせた構成においては、シフト触媒層１２へ水分を導入する手段と、酸化触媒層６へ水分を導入する手段とを兼用する既存構成の水分導入手段８を用いて、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４５】
次に第三の実施形態について説明する。
【００４６】
本発明の第三の実施形態に係る一酸化炭素除去装置を図８に示す。
【００４７】
本実施形態は、第一の実施形態の構成において、噴霧した水を水素リッチガスの熱エネルギーで気化するのでなく、水蒸気を水分導入手段８から直接導入するものである。この構成は、水素リッチガスの熱エネルギーが水の気化に十分なほど大きくない場合に有効である。そして、導入する水蒸気を改質器２に原料として供給する水蒸気として分岐すれば、改質器２に水蒸気を導入する手段を別途設ける必要がなくなる。
【００４８】
本実施の形態において、ポンプ９から吐出された水は、流量調整手段（例えば電磁バルブ）１４に導かれた後、熱交換機１５に導入される。熱交換器１５では、水と高温の燃焼ガスとが熱交換することにより、水蒸気が生成する。ここで、高温の燃焼ガスは、燃焼器１６で生成される。燃焼器１６には、酸化触媒、例えばＰｔ／Ａｌ2Ｏ3が担持されている。燃焼反応物は、燃料電池３から余剰分として排出される水素と空気である。
【００４９】
水蒸気発生手段としての熱交換機１５で生成した水蒸気は、改質器２に導入される一方、水素リッチガス流量に応じて水分導入手段８にも分岐され、酸化触媒層６の入口配管４に導入される。
【００５０】
次に、水分濃度の制御方法を説明する。図９ａの実線に示すように、酸化触媒層６における反応（２）の抑制のため要求される水分濃度Ｃは、第一の実施形態と同様に、改質器２の出口の水分濃度Ｃ0と水分導入手段８からの水の噴霧による供給水分濃度Ｃ1を足し合わせることにより得られる。
【００５１】
第三実施形態において、コントロールユニット１１が実行する水分流量の制御を図１０のフローチャートに基づいて説明する。コントロールユニット１１は、まずのステップＳ２１において、水素リッチガス流量ＦH2を読み込む。コントロールユニット１１のＲＯＭは、水素リッチガス流量ＦH2に応じた改質器２に供給する水蒸気流量（水流量）ｒＦH2Oと、改質器２と酸化触媒層６との間で水分導入手段８により供給される水蒸気流量ｐＦH2Oとを、図９ｂのようなマップとして記憶している。ｒＦH2OとｐＦH2Oの合計が、流量調整手段１４に制御される全供給水蒸気流量ａＦH2O（＝ｒＦH2O＋ｐＦH2O）となる。なお、改質器２に供給する水蒸気流量ｒＦH2Oは、改質器２の出口の水分濃度Ｃ0を実現するよう設定され、改質器２と酸化触媒層６との間で供給される水蒸気流量ｐＦH2Oは、水分濃度Ｃが酸化触媒層６における反応（２）の制御に最適な値となるよう設定されている。
【００５２】
ステップＳ２２において、図９ｂのマップを参照し水素リッチガス流量ＦH2に基づいて、水蒸気流量ｒＦH2OとｐＦH2Oが決定される。次に、ステップＳ２３において、コントロールユニット１１は、酸化触媒層に供給する水蒸気流量ｐＦH2Oを実現するよう指令信号を水分導入手段８に送出する。ステップＳ２４において、コントロールユニット１１は、全水蒸気流量ａＦH2Oを実現するよう指令信号を流量調整手段１４に送出する。
【００５３】
第三の実施形態では、水素リッチガスの熱エネルギーが水の気化に十分なほど大きくない場合にも、既存構成への追加要素を最小限としながら、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５４】
さらに、第一から第三の実施形態において、構成を簡素にする手段として、改質器２より下流で加えられる水流量を一定流量とする、すなわち、水分導入手段８から導入する水分流量を水素リッチガス流量によらず一定として、水分導入手段８の制御を簡略化しても良い。改質器２より下流で加えられる水流量を一定流量とすると、水素リッチガス流量ＦH2の減少に従って相対的に水分濃度Ｃが大きくなるので、第一から第三までの実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５５】
この発明は上記実施の形態に限定されない。そして、その技術的な思想の範囲において種々の変更がなしうることは明白である。例えば、本発明の実施形態では、水素発生装置の例として改質器を採り上げたが、発生する水素リッチガスに一酸化炭素が含まれるなら改質器に限定されず、本発明の一酸化炭素除去装置を適用可能である。また、本発明の実施形態において、水素リッチガスの供給先として燃料電池を採り上げたが、純度の高い水素ガスを必要とする装置であれば、本発明を適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一実施形態による一酸化炭素除去装置を適用した燃料電池システムを示す概略構成図。
【図２】（ａ）第一実施形態における運転負荷と要求される水分濃度との関係を示すグラフ。（ｂ）第一実施形態による運転負荷と水分導入量（供給水流量）との関係を示すグラフ。
【図３】第一実施形態における水分濃度制御を表すフローチャート。
【図４】第一実施形態の一酸化炭素除去の効果を示す構成図。
【図５】第二実施形態による一酸化炭素除去装置を適用した燃料電池システムを示す概略構成図。
【図６】（ａ）第二実施形態における運転負荷と要求される水分濃度との関係を示すグラフ。（ｂ）第二実施形態による運転負荷と水分導入量との関係を示すグラフ。
【図７】第二実施形態における水分濃度制御を表すフローチャート。
【図８】第三実施形態による一酸化炭素除去装置を適用した燃料電池システムを示す概略構成図。
【図９】（ａ）第三実施形態における運転負荷と要求される水分濃度との関係を示すグラフ。（ｂ）第三実施形態による運転負荷と水分導入量（供給水流量）との関係を示すグラフ。
【図１０】第三実施形態における水分濃度制御を表すフローチャート。
【符号の説明】
１ 一酸化炭素除去装置
２ 改質器
３ 燃料電池
６ 酸化触媒層
８ 水分導入手段
１１ コントロールユニット
１２ シフト触媒層
１４ 流量調整手段
１５ 熱交換機[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a carbon monoxide removing device used for a fuel cell vehicle or the like.
[0002]
[Prior art]
As a method of generating hydrogen gas to be supplied to the fuel electrode of a fuel cell, there is a method of generating hydrogen rich gas by reacting fuel such as methanol or gasoline with water vapor and air by the action of a catalyst. In this method, carbon monoxide remains in the hydrogen-rich gas due to the chemical equilibrium of carbon monoxide, water vapor, carbon dioxide and hydrogen, and when the concentration of this carbon monoxide is high, catalyst (platinum) particles on the fuel electrode Is poisoned and its performance is known to deteriorate. In general, the carbon monoxide concentration in the hydrogen-rich gas needs to be lowered to about 10 ppm.
[0003]
Examples of the carbon monoxide removing device that removes carbon monoxide contained in the hydrogen-rich gas include a device that selectively reacts carbon monoxide and an oxidizing agent (for example, oxygen, air, ozone, etc.) on a catalyst. In such an apparatus, a harmful side reaction may occur simultaneously with the oxidation reaction of carbon monoxide. In particular, when the concentration of carbon monoxide is low and the concentration of the oxidizing agent is low, a reverse shift reaction (CO 2 + H 2 → CO + H 2 O in which carbon monoxide is generated from carbon dioxide and hydrogen due to chemical equilibrium. ) Is activated. Since this reverse shift reaction reduces the removal efficiency of carbon monoxide, measures to suppress it have been taken.
[0004]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-169106 discloses a carbon monoxide removal device in which a catalyst layer located upstream is loaded with a highly active Pt catalyst and a catalyst layer located downstream is loaded with a low activity Ru catalyst. are doing. In this apparatus, the reverse shift reaction that occurs in the downstream side, that is, the catalyst layer in which the concentration of carbon monoxide is low, is suppressed by reaching catalytic activity.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the capacity of the catalyst layer is designed to support the rated hydrogen rich gas flow rate, the hydrogen rich gas flow rate is rated (if the carbon monoxide removal device is applied to a fuel cell, Lower), the downstream capacity is excessive relative to the amount of reactants. Therefore, in this state, even if a catalyst whose activity is suppressed is used for the downstream catalyst layer, the progress of the oxidation reaction, that is, the consumption of the oxidant is completed at an early stage. And in the catalyst layer area | region (it can exist in both upstream and downstream) in which an oxidizing agent does not exist, there existed a problem that carbon monoxide will produce | generate by a reverse shift reaction.
[0006]
In view of such a problem, an object of the present invention is to suppress the generation of carbon monoxide in an oxidation catalyst layer when the flow rate of the hydrogen-rich gas is smaller than the rating.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, according to a first aspect of the present invention, there is provided a carbon monoxide removal apparatus that oxidizes and removes carbon monoxide by mixing a hydrogen rich gas containing carbon monoxide with an oxidant and then introducing the gas into the oxidation catalyst layer. When the flow rate of the gas is below the rated value, the water concentration of the hydrogen rich gas introduced into the oxidation catalyst layer is increased, and the water concentration of the hydrogen rich gas introduced into the oxidation catalyst layer increases with a decrease in the hydrogen rich gas flow rate. Features.
[0008]
According to a second aspect of the present invention, the carbon monoxide removing apparatus according to the first aspect of the present invention is coupled to the hydrogen generator that generates the hydrogen-rich gas, and the water concentration of the hydrogen-rich gas introduced into the oxidation catalyst layer is determined by the hydrogen generation. It is characterized by increasing the water concentration of the hydrogen-rich gas generated from the apparatus.
[0009]
According to a third aspect of the present invention , in the carbon monoxide removing apparatus according to the second aspect of the present invention, a water introduction means for introducing water into the hydrogen rich gas is provided upstream of the oxidation catalyst layer, and the ratio of the water flow rate to the hydrogen rich gas flow rate is increased. Thus, the water concentration of the hydrogen rich gas is increased.
[0010]
4th invention is the carbon monoxide removal apparatus concerning 1st or 2nd invention, The shift catalyst layer which removes carbon monoxide by the shift reaction arrange | positioned in the upstream of an oxidation catalyst layer, and a shift catalyst layer Water introduction means for introducing water into the hydrogen-rich gas disposed upstream of the gas, and by increasing the ratio of the water flow rate introduced from the moisture introduction means upstream of the shift catalyst layer to the hydrogen-rich gas flow rate, It is characterized by increasing the moisture concentration of the rich gas.
[0011]
According to a fifth aspect of the present invention, in the carbon monoxide removing apparatus according to the third aspect of the present invention, the apparatus includes a steam generating means, and the steam generated from the steam generating means is branched into the hydrogen generating apparatus as a hydrocarbon reforming raw material. Further, the water supply means is also supplied .
[0012]
According to a sixth aspect of the present invention, in the carbon monoxide removal apparatus according to the first aspect of the present invention, a water introduction means for introducing water into the hydrogen rich gas is provided upstream of the oxidation catalyst layer, and the ratio of the water flow rate to the hydrogen rich gas flow rate is increased. Thus, the water concentration of the hydrogen rich gas is increased . The seventh invention is the carbon monoxide removing apparatus according to the third, fourth, or sixth invention, wherein the moisture flow rate introduced from the moisture introduction means is constant regardless of the hydrogen rich gas flow rate, and the moisture concentration of the hydrogen rich gas is It is characterized by increasing. According to an eighth aspect of the present invention, there is provided the carbon monoxide removing apparatus according to the sixth aspect of the present invention, wherein the carbon monoxide removing apparatus is coupled to the hydrogen generating apparatus that generates the hydrogen-rich gas, and includes a water vapor generating means. While being branched to the apparatus as a reforming raw material for hydrocarbons, it is also supplied to moisture introduction means.
[0013]
【The invention's effect】
In the first or second invention, when the flow rate of the hydrogen-rich gas is lower than the rating, the moisture concentration in the hydrogen-rich gas increases. Here, the presence of moisture corresponds to suppressing the oxidation reaction of carbon monoxide on the oxidation catalyst, that is, reducing the ability of the oxidation catalyst layer. For this reason, even when the operating load is lower than the rated value, the ability of the oxidation catalyst layer does not become excessive with respect to the amount of the reactants, so that the generation of carbon monoxide by the reverse shift reaction can be suppressed. . Further, the water concentration of the hydrogen-rich gas introduced into the oxidation catalyst layer increases with a decrease in the hydrogen-rich gas flow rate, and the ability of the oxidation catalyst layer can be appropriately suppressed.
[0014]
In the third invention, the effect of the first invention is produced by providing means for introducing moisture into the hydrogen-rich gas upstream of the oxidation catalyst layer. Thereby, fine moisture adjustment can be performed in accordance with the change of the hydrogen rich gas flow rate.
[0015]
In a fourth aspect of the invention, in the carbon monoxide removing apparatus having a combination of the oxidation catalyst layer and the shift catalyst layer, means for introducing moisture into the shift catalyst layer and means for introducing moisture into the oxidation catalyst layer are provided. Can also be used. As a result, the effect of the first invention can be produced with the existing apparatus configuration.
[0016]
In the fifth invention, when the water introduced into the oxidation catalyst layer is steam, the means for generating water vapor to be introduced into the oxidation catalyst layer and the steam generation means for the hydrocarbon reforming system can be integrated. it can. Thereby, when the hydrogen generation means is a hydrocarbon reforming system, the hydrocarbon reforming system can be simplified.
[0017]
In the sixth invention, the effect of the first invention is produced by providing means for introducing moisture into the hydrogen-rich gas upstream of the oxidation catalyst layer. Thereby, fine moisture adjustment can be performed in accordance with the change of the hydrogen rich gas flow rate. In the seventh invention, the water concentration changes even if the water introduction means to the oxidation catalyst layer does not have a flow rate adjusting function. Thereby, the apparatus can be simplified while having the effects of the third, fourth, and sixth inventions. In the eighth invention, when the water introduced into the oxidation catalyst layer is steam, the means for generating steam introduced into the oxidation catalyst layer and the steam generation means for the hydrocarbon reforming system can be integrated. it can. Thereby, when the hydrogen generation means is a hydrocarbon reforming system, the hydrocarbon reforming system can be simplified.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment in which the carbon monoxide removing apparatus of the present invention is applied to a fuel cell will be described. First, a carbon monoxide removing apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0019]
A hydrogen generator 2 that generates a hydrogen-rich gas containing carbon monoxide is disposed upstream of the carbon monoxide removal device 1. In the embodiment of the present invention, a reformer is taken as an example of the hydrogen generator. The reformer 2 generates a hydrogen rich gas from the reaction between a hydrocarbon fuel (for example, methanol or gasoline), air, and water vapor. This hydrogen-rich gas contains carbon monoxide. For example, when reforming methanol, it becomes about 1.5%.
[0020]
On the other hand, a fuel cell 3 is disposed on the downstream side of the carbon monoxide removing device 1. The fuel cell 3 is, for example, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC). The fuel cell 3 generates electricity from the reaction between the hydrogen gas and air. In order to advance this reaction efficiently, it is necessary to remove the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen rich gas to about 10 ppm in the carbon monoxide removing apparatus 1.
[0021]
In the inlet pipe 4, the hydrogen-rich gas containing carbon monoxide is mixed with low-concentration air as an oxidant from an air introduction unit 5 including a pipe and an electromagnetic valve, and then guided to the oxidation catalyst layer 6. The oxidation catalyst layer 6 carries a catalyst having a characteristic of selectively oxidizing carbon monoxide, such as Pt / Al 2 O 3 . Then, the hydrogen rich gas from which carbon monoxide has been sufficiently removed is discharged from the outlet pipe 7.
[0022]
Further, the inlet pipe 4 is provided with water introduction means 8 such as a water injection valve, and water is mixed with the hydrogen rich gas. Next, a method for introducing moisture will be described.
[0023]
First, the water discharged from the pump 9 is guided to the water introduction means 8 while the internal pressure is adjusted by the pressure adjustment means (regulation valve) 10. Then, the water sprayed onto the hydrogen rich gas from the water introduction means 8 is mixed with the hydrogen rich gas as water vapor by being vaporized by the thermal energy of the hydrogen rich gas.
[0024]
The oxidation reaction of carbon monoxide is accompanied by an undesirable side reaction that leads to a reduction in efficiency depending on the reaction conditions. The oxidation reaction of carbon monoxide is as shown in the following chemical reaction formula.
[0025]
2CO + O 2 → 2CO 2 (1)
For example, when a Pt / Al 2 O 3 catalyst is used, the side reaction is a reverse shift reaction as shown in the following chemical reaction formula, which is an undesirable reaction that consumes hydrogen while generating carbon monoxide. .
[0026]
CO 2 + H 2 → CO + H 2 O (2)
In these reactions, the reaction (1) preferentially proceeds in a chemical equilibrium under conditions where oxygen is present in the hydrogen-rich gas. However, when reaction (1) proceeds sufficiently, oxygen in the hydrogen-rich gas becomes insufficient, and reaction (2) becomes active. Here, since the capacity of the catalyst layer is usually designed to correspond to the rated hydrogen rich gas flow rate (corresponding to the rated operating load of the fuel cell), if the hydrogen rich gas flow rate is smaller than the rated value, the reaction will occur. Since (1) is completed early and the reaction (2) is activated in the subsequent catalyst layer region, there arises a problem that the removal efficiency of carbon monoxide is deteriorated.
[0027]
On the other hand, when the concentration of water in the hydrogen-rich gas increases, the frequency with which polar water molecules come into contact with the catalyst increases, which is an undesirable phenomenon in which the progress of reaction (1) is hindered. However, in the present invention, when the flow rate of the hydrogen-rich gas, that is, when the operation load is smaller than the rated value, the water concentration of the hydrogen-rich gas introduced into the oxidation catalyst layer is increased from the water concentration generated from the reformer 2. Thus, the reaction (1) progresses slowly, that is, the region of the catalyst layer where the reaction (2) is activated is reduced.
[0028]
In addition to this action, when the water concentration in the hydrogen-rich gas increases, an action of suppressing the reaction (2) due to chemical equilibrium also occurs incidentally.
[0029]
In the oxidation catalyst layer 6, the water concentration C (= F H2O / F H2 ) required for suppressing the reaction (2) increases as the hydrogen rich gas flow rate F H2 decreases, as shown by the solid line in FIG. Here, F H2O is a moisture flow rate in the hydrogen rich gas flowing into the oxidation catalyst layer 6. The required water concentration C is realized by adding the supply water concentration C 1 (= tF H2O / F H2 ) by spraying water from the water introduction means 8 to the water concentration C 0 at the outlet of the reformer 2. The (Where tF H2O is the feed water flow rate of the sprayed water). That is, C = C 0 + C 1 . In the present embodiment, although the request moisture concentration C decreases linearly with respect to the hydrogen rich gas flow F H2, it may be a monotonically decreasing curve with respect to the hydrogen rich gas flow F H2.
[0030]
In order to achieve the required water concentration C, the control unit 11 determines the supply water flow rate tF H2O (= C 1 F H2 ) sprayed from the water introduction means 8 based on the operating load information, that is, the flow rate F H2 of the hydrogen rich gas. To control. It is possible to use the output value of the fuel cell 3 as information on the operating load of the fuel cell. If the vehicle is a fuel cell vehicle, the amount of depression of the accelerator is detected and used as information on the operating load. You can also
[0031]
The control of the water concentration performed by the control unit 11 will be described based on the flowchart of FIG. The control unit 11 includes a central processing unit (CPU), a random access memory (RAM), a read only memory (ROM), and an input / output interface, and executes the control routine of FIG. 3 at predetermined time intervals, for example, every 10 ms. To do.
[0032]
First, in step S1, the control unit 11 reads a hydrogen rich gas flow rate F H2 detected by a flow rate sensor (not shown) as operating load information. The control unit 11 stores the supply water flow rate tF H2O corresponding to the hydrogen rich gas flow rate F H2 in the ROM as a map of FIG. 2b, and in step S2, referring to the map of FIG. 2b, based on the hydrogen rich gas flow rate F H2. The supply water flow rate tF H2O is determined. Next, in step S3, a command signal for realizing the determined supply water flow rate tF H2O is sent to the moisture introduction means 8 to control the opening degree of the moisture introduction means 8.
[0033]
As shown in FIG. 2b, the water flow rate tF H2O of the sprayed water is set in advance so that the water concentration C of the hydrogen-rich gas flowing into the oxidation catalyst layer 6 becomes an optimum concentration for suppressing the reaction (2). It takes a zero value in the hydrogen rich gas flow rate rating. For example, when the supplied water concentration C 1 decreases linearly with respect to the hydrogen rich gas flow rate F H2 , the water flow rate tF H2O changes in a quadratic function with respect to the hydrogen rich gas flow rate F H2 .
[0034]
FIG. 4 shows the effects obtained from the operations described above. If the water concentration is not adjusted as in the conventional case, the CO concentration at the outlet of the carbon monoxide removal device increases due to the activation of the reverse shift reaction when the hydrogen-rich gas flow rate decreases, and the carbon monoxide removal efficiency decreases. are doing. However, in this embodiment, by suppressing the reverse shift reaction by adjusting the water concentration, the CO concentration at the outlet hardly increases even when the hydrogen-rich gas flow rate is small, and the carbon monoxide removal efficiency can be maintained. did it.
[0035]
Next, a second embodiment will be described.
[0036]
As shown in FIG. 5, in this embodiment, a shift catalyst layer 12 is installed between the reformer 2 and the oxidation catalyst 6 in the configuration of the first embodiment. The moisture introduction means 8 is installed in the inlet pipe 13 of the shift catalyst layer 12.
[0037]
In this configuration, carbon monoxide contained in the hydrogen-rich gas generated in the reformer 2 is first removed by the shift reaction shown by the following chemical reaction formula in the shift catalyst layer 12.
[0038]
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (3)
The shift catalyst layer 12 carries a catalyst having the activity of the reaction (3), for example, Cu / ZnO. The hydrogen-rich gas from which carbon monoxide has been removed by the shift catalyst layer 12 is further removed by the oxidation catalyst layer 6 and then supplied to the fuel cell 3.
[0039]
Here, reaction (3) is promoted by chemical equilibrium when the water concentration is higher. Therefore, in general, when the shift catalyst layer 12 is used, the water introduction means 8 is provided upstream of the shift catalyst layer 12 in order to increase the removal efficiency of carbon monoxide. In the present embodiment, when the hydrogen-rich gas flow rate is lower than the rated value, moisture introduced for promoting the reaction (3) in the shift catalyst layer 12 is suppressed, that is, not preferable for the reaction (1) in the oxidation catalyst layer 6. This is used to suppress reaction (2), which is a side reaction.
[0040]
A method for controlling the moisture concentration for this purpose will be described. As shown by the solid line in FIG. 6a, the required water concentration C necessary for the suppression of the reaction (2) in the carbon monoxide removing device 6 is the water concentration C at the outlet of the reformer 2, as in the first embodiment. This is realized by adding a supply water concentration C 1 (= tF H2O / F H2 ) by spraying water from the water introduction means 8 to 0 . However, the supplied water concentration C 1 in this embodiment includes a water concentration C 2 that needs to be added to promote the reaction (3) in the shift catalyst layer 12.
[0041]
Next, the control of the water concentration performed by the control unit 11 will be described based on the flowchart of FIG.
[0042]
The control unit 11 first reads the hydrogen rich gas flow rate F H2 in step S11. The ROM of the control unit 11 stores the relationship between the hydrogen-rich gas flow rate F H2 and the supply water flow rate tF H2O from the water introduction means 8 as a map of FIG. 6b. Based on the rich gas flow rate F H2 , the supply water flow rate tF H2O is determined. Next, in step 13, the control unit 11 sends a command signal to the water introduction means 8 so as to realize the supply water flow rate tF H2O determined in step S 12, and controls the opening degree of the water introduction means 8.
[0043]
As shown in FIG. 6b, the water flow rate tF H2O of the sprayed water is such that the water concentration C of the hydrogen-rich gas after the water is sprayed promotes the reaction (3) in the shift catalyst layer 12 and suppresses the reaction (2). The characteristic is set to change with an increase in the hydrogen rich gas flow rate F H2 so as to obtain an optimum concentration.
[0044]
In the configuration in which the oxidation catalyst layer 6 and the shift catalyst layer 12 according to the second embodiment are combined, the means for introducing moisture into the shift catalyst layer 12 and the means for introducing moisture into the oxidation catalyst layer 6 are combined. The effect similar to 1st embodiment can be acquired using the water introduction means 8 of a structure.
[0045]
Next, a third embodiment will be described.
[0046]
A carbon monoxide removing apparatus according to the third embodiment of the present invention is shown in FIG.
[0047]
In the present embodiment, in the configuration of the first embodiment, the sprayed water is not vaporized by the thermal energy of the hydrogen-rich gas, but the water vapor is directly introduced from the moisture introduction means 8. This configuration is effective when the heat energy of the hydrogen-rich gas is not large enough to vaporize water. Then, if the steam to be introduced is branched as the steam to be supplied to the reformer 2 as a raw material, it is not necessary to separately provide means for introducing the steam into the reformer 2.
[0048]
In the present embodiment, the water discharged from the pump 9 is introduced into the heat exchanger 15 after being led to the flow rate adjusting means (for example, an electromagnetic valve) 14. In the heat exchanger 15, water and high-temperature combustion gas exchange heat to generate water vapor. Here, the high-temperature combustion gas is generated in the combustor 16. The combustor 16 carries an oxidation catalyst such as Pt / Al 2 O 3 . Combustion reactants are hydrogen and air discharged from the fuel cell 3 as surplus.
[0049]
While the steam generated by the heat exchanger 15 as the steam generating means is introduced into the reformer 2, it is also branched into the moisture introducing means 8 according to the hydrogen rich gas flow rate and introduced into the inlet pipe 4 of the oxidation catalyst layer 6. The
[0050]
Next, a method for controlling the moisture concentration will be described. As shown by the solid line in FIG. 9a, the water concentration C required for suppressing the reaction (2) in the oxidation catalyst layer 6 is the water concentration C 0 at the outlet of the reformer 2 as in the first embodiment. And the supplied water concentration C 1 obtained by spraying water from the water introduction means 8 is added.
[0051]
In the third embodiment, the control of the water flow rate executed by the control unit 11 will be described based on the flowchart of FIG. In step S21, the control unit 11 reads the hydrogen rich gas flow rate F H2 . The ROM of the control unit 11 includes a water flow rate (water flow rate) rF H2O supplied to the reformer 2 corresponding to the hydrogen rich gas flow rate F H2 , and a moisture introduction means 8 between the reformer 2 and the oxidation catalyst layer 6. The supplied steam flow rate pF H2O is stored as a map as shown in FIG. 9b. The sum of rF H2O and pF H2O is the total supply water vapor flow rate aF H2O (= rF H2O + pF H2O ) controlled by the flow rate adjusting means 14. The steam flow rate rF H2O supplied to the reformer 2 is set so as to realize the moisture concentration C 0 at the outlet of the reformer 2, and the steam supplied between the reformer 2 and the oxidation catalyst layer 6. The flow rate pF H2O is set so that the water concentration C becomes an optimum value for controlling the reaction (2) in the oxidation catalyst layer 6.
[0052]
In step S22, the steam flow rates rF H2O and pF H2O are determined based on the hydrogen rich gas flow rate F H2 with reference to the map of FIG. Next, in step S23, the control unit 11 sends a command signal to the moisture introduction means 8 so as to realize the water vapor flow rate pF H2O supplied to the oxidation catalyst layer. In step S24, the control unit 11 sends a command signal to the flow rate adjusting means 14 so as to realize the total water vapor flow rate aF H2O .
[0053]
In the third embodiment, even when the thermal energy of the hydrogen-rich gas is not large enough to vaporize water, the same effect as the first embodiment can be obtained while minimizing the additional elements to the existing configuration. it can.
[0054]
Furthermore, in the first to third embodiments, as means for simplifying the configuration, the flow rate of water added downstream from the reformer 2 is set to a constant flow rate, that is, the moisture flow rate introduced from the moisture introduction unit 8 is changed to hydrogen. The control of the moisture introduction means 8 may be simplified by assuming that it is constant regardless of the rich gas flow rate. When the flow rate of water added downstream from the reformer 2 is a constant flow rate, the water concentration C is relatively increased as the hydrogen rich gas flow rate F H2 is decreased. Therefore, the same effect as the first to third embodiments can be obtained. Obtainable.
[0055]
The present invention is not limited to the above embodiment. It is obvious that various changes can be made within the scope of the technical idea. For example, in the embodiment of the present invention, the reformer is taken as an example of the hydrogen generator, but if the generated hydrogen rich gas contains carbon monoxide, the reformer is not limited to the reformer, and the carbon monoxide removal of the present invention is performed. The device is applicable. In the embodiment of the present invention, the fuel cell is used as the supply source of the hydrogen-rich gas. However, the present invention can be applied to any apparatus that requires high-purity hydrogen gas.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system to which a carbon monoxide removing apparatus according to a first embodiment is applied.
FIG. 2A is a graph showing a relationship between an operation load and a required water concentration in the first embodiment. (B) The graph which shows the relationship between the operation load by 1st embodiment, and a water | moisture-content introduction amount (feed water flow rate).
FIG. 3 is a flowchart showing moisture concentration control in the first embodiment.
FIG. 4 is a configuration diagram showing the effect of removing carbon monoxide in the first embodiment.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system to which a carbon monoxide removing apparatus according to a second embodiment is applied.
FIG. 6A is a graph showing the relationship between the operation load and the required water concentration in the second embodiment. (B) The graph which shows the relationship between the operation load by 2nd embodiment, and the moisture introduction amount.
FIG. 7 is a flowchart showing water concentration control in the second embodiment.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system to which a carbon monoxide removing apparatus according to a third embodiment is applied.
FIG. 9A is a graph showing the relationship between the operation load and the required water concentration in the third embodiment. (B) The graph which shows the relationship between the operation load by 3rd embodiment, and the water introduction amount (feed water flow rate).
FIG. 10 is a flowchart showing moisture concentration control in the third embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Carbon monoxide removal apparatus 2 Reformer 3 Fuel cell 6 Oxidation catalyst layer 8 Moisture introduction means 11 Control unit 12 Shift catalyst layer 14 Flow rate adjustment means 15 Heat exchanger

Claims (8)

一酸化炭素を含有する水素リッチガスを酸化剤と混合した後に酸化触媒層へ導入することにより、一酸化炭素を酸化除去する一酸化炭素除去装置において、
前記水素リッチガスの流量が定格値以下の場合に、前記酸化触媒層に導入される水素リッチガスの水分濃度を増加させ、かつ前記酸化触媒層に導入される水素リッチガスの水分濃度が水素リッチガス流量の減少とともに増加することを特徴とする一酸化炭素除去装置。In a carbon monoxide removing apparatus for oxidizing and removing carbon monoxide by introducing a hydrogen rich gas containing carbon monoxide into an oxidation catalyst layer after mixing with an oxidizing agent,
When the flow rate of the hydrogen rich gas is lower than the rated value, the water concentration of the hydrogen rich gas introduced into the oxidation catalyst layer is increased, and the water concentration of the hydrogen rich gas introduced into the oxidation catalyst layer is decreased. A carbon monoxide removing apparatus characterized by increasing with the increase. 前記水素リッチガスを発生する水素発生装置に結合し、かつ前記酸化触媒層に導入される水素リッチガスの水分濃度を前記水素発生装置から発生した水素リッチガスの水分濃度よりも増加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。  The hydrogen concentration of the hydrogen rich gas that is coupled to the hydrogen generation device that generates the hydrogen rich gas and is introduced into the oxidation catalyst layer is increased more than the water concentration of the hydrogen rich gas generated from the hydrogen generation device. Item 2. The carbon monoxide removing device according to Item 1. 酸化触媒層の上流側に、水素リッチガスに水分を導入する水分導入手段を設け、水分流量の水素リッチガス流量に対する比率を大きくすることにより、水素リッチガスの水分濃度を増加させ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。The upstream side of the oxidation catalyst layer, provided the water introduction means for introducing water into hydrogen-rich gas, by increasing the ratio of hydrogen-rich gas flow rate water flow, claims, characterized in that increasing the water concentration in the hydrogen-rich gas 2. The carbon monoxide removing apparatus according to 2. 酸化触媒層の上流側に配置された、シフト反応により一酸化炭素を除去するシフト触媒層と、シフト触媒層の上流側に配置された、水素リッチガスに水分を導入する水分導入手段とを備え、
前記シフト触媒層上流の前記水分導入手段から導入する水分流量の水素リッチガス流量に対する比率を大きくすることにより、水素リッチガスの水分濃度を増加させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の一酸化炭素除去装置。A shift catalyst layer disposed on the upstream side of the oxidation catalyst layer to remove carbon monoxide by a shift reaction; and a moisture introduction unit disposed on the upstream side of the shift catalyst layer to introduce moisture into the hydrogen-rich gas.
3. The water concentration of the hydrogen rich gas is increased by increasing a ratio of a water flow rate introduced from the moisture introduction unit upstream of the shift catalyst layer to a hydrogen rich gas flow rate. 4. Carbon monoxide removal device. 水蒸気発生手段を備え、前記水蒸気発生手段から生成した水蒸気は前記水素発生装置に炭化水素の改質原料として分岐される一方、前記水分導入手段にも供給され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。  The steam generation unit includes a steam generation unit, and the steam generated from the steam generation unit is branched into the hydrogen generation unit as a hydrocarbon reforming raw material, and is also supplied to the moisture introduction unit. The carbon monoxide removal apparatus as described. 酸化触媒層の上流側に、水素リッチガスに水分を導入する水分導入手段を設け、水分流量の水素リッチガス流量に対する比率を大きくすることにより、水素リッチガスの水分濃度を増加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。  The water content of the hydrogen rich gas is increased by providing a water introduction means for introducing water into the hydrogen rich gas upstream of the oxidation catalyst layer, and increasing the ratio of the water flow rate to the hydrogen rich gas flow rate. The carbon monoxide removing apparatus according to 1. 前記水分導入手段から導入する水分流量を水素リッチガス流量によらず一定として、水素リッチガスの水分濃度を増加させることを特徴とする請求項３、請求項４又は請求項６に記載の一酸化炭素除去装置。  7. The carbon monoxide removal according to claim 3, wherein the moisture concentration of the hydrogen-rich gas is increased by keeping the moisture flow rate introduced from the moisture introduction means constant regardless of the hydrogen-rich gas flow rate. apparatus. 前記水素リッチガスを発生する水素発生装置に結合し、  Coupled to a hydrogen generator for generating the hydrogen-rich gas;
水蒸気発生手段を備え、  Provided with water vapor generating means,
前記水蒸気発生手段から生成した水蒸気は前記水素発生装置に炭化水素の改質原料として分岐される一方、前記水分導入手段にも供給されることを特徴とする請求項６に記載の一酸化炭素除去装置。  7. The carbon monoxide removal according to claim 6, wherein the water vapor generated from the water vapor generating means is branched to the hydrogen generating device as a hydrocarbon reforming raw material, and is also supplied to the water introducing means. apparatus.
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