JP3905595B2 - 一酸化炭素除去装置 - Google Patents
一酸化炭素除去装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3905595B2 JP3905595B2 JP11241597A JP11241597A JP3905595B2 JP 3905595 B2 JP3905595 B2 JP 3905595B2 JP 11241597 A JP11241597 A JP 11241597A JP 11241597 A JP11241597 A JP 11241597A JP 3905595 B2 JP3905595 B2 JP 3905595B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- reactor
- oxidant
- carbon monoxide
- gas
- amount
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Exhaust Gas Treatment By Means Of Catalyst (AREA)
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
- Industrial Gases (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一酸化炭素除去装置に関し、特に、固体高分子電解質型の燃料電池に炭化水素系燃料改質ガスを燃料水素ガスとして供給する場合の供給システムに適用すると有効なものである。
【０００２】
【従来の技術】
（１）固体高分子電解質型燃料電池の発電原理
固体高分子電解質型燃料電池は、図９に示すように、固体高分子イオン交換膜（例えば、スルホン酸基を持つフッ素樹脂系イオン交換膜）を用いた電解質２０１の両側に触媒電極２０２，２０３（例えば、白金）層および多孔質なカーボン電極２０４，２０５を設けた電極接合体２０６構造をなしている。
【０００３】
このような固体高分子電解質型燃料電池において、アノード極側に供給された加湿燃料水素ガスは、触媒電極（アノード極）２０２上で水素イオン化され、その水素イオンは、電解質２０１中を水の介在のもと、Ｈ+ ・ｘＨ2 Ｏのかたちで、カソード極側へ水と共に移動し、触媒電極（カソード極）２０３上で酸化剤ガス中の酸素および外部回路２０７を流通してきた電子と反応して水を生成する。この生成水は、カソード極２０３，２０５より残存酸化剤ガスに搬送されて燃料電池外へ排出される。この時、外部回路２０７を流通した電子流れを直流の電気エネルギとして利用できる。
【０００４】
なお、固体高分子イオン交換膜を用いた上述したような電解質２０１では、水素イオン透過性を発現させるために十分な湿潤状態に常に保持しておく必要がある。このため、通常、燃料水素ガスや酸化剤ガスに電池の運転温度（常温〜１００℃程度）近辺相当の飽和水蒸気を含ませて、すなわち、燃料水素ガスまたは酸化剤ガスを加湿して、当該ガスを電極接合体１０６に供給することにより、電解質１０１の湿潤状態を保つようにしている。
【０００５】
（２）固体高分子電解質型燃料電池の特性
固体高分子電解質型燃料電池に供給する燃料水素ガスには、純水素ガスや、メタノールやメタンなどを改質した炭化水素系燃料改質ガスなどが挙げられる。このうち、炭化水素系燃料改質ガスなどは、通常、一酸化炭素（ＣＯ）を多量（０．１％程度から数％程度）に含んでいるため、固体高分子電解質型燃料電池に直接供給すると問題を生じてしまう。
【０００６】
具体的には、固体高分子電解質型燃料電池に供給する燃料水素ガス中のＣＯ濃度と固体高分子電解質型燃料電池の発電特性との関係（電流密度−単電池電圧特性）の一例を表す図１０に示すように、固体高分子電解質型燃料電池に供給する燃料水素ガス中のＣＯ濃度が２０ｐｐｍ、５０ｐｐｍ、１００ｐｐｍと高くなるほど、固体高分子電解質型燃料電池の発電特性が悪くなってしまうのである。
【０００７】
この理由は、供給する燃料水素ガスがＣＯを含んでいると、アノード極の触媒成分である白金がＣＯにより吸着被毒されて活性化機能の低下を引き起し、前述のような水素のイオン化機能の低下を引き起こしてしまうためと考えられる。よって、炭化水素系燃料改質ガスなどのようなＣＯを多量に含んだ燃料水素ガスを固体高分子電解質型燃料電池に供給する場合には、当該ガス中のＣＯを極力低濃度に減量処理してから当該ガスを供給する必要がある。
【０００８】
（３）固体高分子電解質型燃料電池への従来の燃料水素ガス供給システム
炭化水素系燃料の一つであるメタノールを改質したガスを燃料水素ガスとして固体高分子電解質型燃料電池に供給する場合の従来の供給システムの一例の概略構成を図８に示す。
【０００９】
図８に示すように、メタノールと水とを所定の割合で混合したメタノール水１を蒸発器１０１で蒸発させ、改質触媒（例えば、銅系）を充填された改質器１０２で改質（２５０〜３００℃前後）する。この時の改質反応は、下記の（１）式で表され、その反応過程で副生成物としてＣＯが生じる。
【００１０】
【化１】
ＣＨ3 ＯＨ ＋ Ｈ2 Ｏ → ３Ｈ2 ＋ ＣＯ2 （吸熱反応） （１）
【００１１】
改質器１０２で生じた改質ガス２は、ＣＯシフト触媒（例えば、銅−亜鉛系）を充填されたＣＯ変成器１０３に導入され、ＣＯ濃度が低減（一般に０．１vol.％前後から２〜３vol.％前後）される。この時のＣＯシフト反応は、下記の（２）式で表される。
【００１２】
【化２】
ＣＯ ＋ Ｈ2 Ｏ → Ｈ2 ＋ ＣＯ2 （発熱反応） （２）
【００１３】
ＣＯ変成器１０３でＣＯ濃度を低減された改質ガス２は、ＣＯを選択的に酸化する選択酸化触媒（例えば、貴金属系）を充填された一酸化炭素除去装置１１０の反応器１１１内に導入され、ＣＯ濃度がさらに低減（１００ｐｐｍ程度、できれば２０ｐｐｍ以下が望ましい。）される。この時の選択酸化反応は、下記の（３）式で表される。
【００１４】
【化３】
ＣＯ ＋ 1/2Ｏ2 → ＣＯ2 （発熱反応） （３）
【００１５】
この選択酸化反応においては、酸化剤として酸素が必要であるため、上記一酸化炭素除去装置１１０の反応器１１１に導入する前の改質ガス中に所定量の空気（酸素）３を導入する。なお、上記触媒により改質ガス２中の水素（Ｈ2 ）が一部酸化される場合もあるが、その量は極めて少ないので特に問題を生じることはない。
【００１６】
一酸化炭素除去装置１１０でＣＯ濃度をさらに低減された改質ガス２は、加湿器１０４で加湿された後、燃料水素ガスとして固体高分子電解質型燃料電池１０７のアノード極１０７ａ部分に供給され、カソード極１０７ｂ部分に供給された酸化剤ガス４中の酸素と前述したように反応して発電に供与された後、残存燃料水素ガス２ａとして系外へ送出される一方、酸化剤ガス４は、残存酸化剤ガス４ａとして系外へ送出される。
【００１７】
なお、図８中、１０５は酸化剤ガス４を加湿する加湿器、１０６は固体高分子電解質型燃料電池１０７を冷却水５で所定の温度に保持する冷却ライン、１０６ａはポンプ、１０８は外部電気出力である。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、前述したような一酸化炭素除去装置１１０において、ＣＯの選択酸化触媒としてＲｕ系を用いた場合の触媒温度（触媒の雰囲気となる改質ガスの温度）と触媒を通過した送出口付近の改質ガスのＣＯ濃度との関係の一例を図１１に示す。なお、改質ガス中の当初のＣＯ濃度は０．１％であり、Ｏ2 ／ＣＯ比（モル比）＝３に相当する空気を酸化剤として改質ガスに加えている。
【００１９】
図１１からわかるように、１１０〜１５０℃の温度範囲では、ＣＯ濃度が検出されないほど減量していることから、当該温度領域で処理すれば、選択酸化触媒のＣＯ酸化機能を最も効率よく発現させることができる。
【００２０】
ところで、上記一酸化炭素除去装置１１０における改質ガス２に導入する空気３の量は、ＣＯを完全に酸化除去するのに必要な理論酸素量（ＣＯに対するモル比で１／２）に相当する量よりもかなり多く（２〜１０倍、通常、６倍程度）している。なぜなら、空気３を過剰に導入しないと、ＣＯと酸素とがうまく混合せず、効率よく反応させることが困難となる、すなわち、酸素が理論量程度しかないと、改質ガス２中のすべてのＣＯに対して酸素が到達できず、すべてのＣＯを酸化することができなくなってしまう虞を生じるからである。
【００２１】
このため、上記一酸化炭素除去装置１１０では、改質ガス２中に導入された酸素（０．３％）のうち、ＣＯの酸化に消費された酸素（約０．０５％）を除いた酸素（約０．２５％）が改質ガス２中に残留（改質ガス中の水素（Ｈ2 ）の酸化にも一部消費されるが、その消費量はごくわずかである。）してしまい、当該残留酸素を改質ガス２と共に固体高分子電解質型燃料電池１０７のアノード極１０７ａ（例えば、白金）部分に送給してしまう。その結果、残留酸素が改質ガス２中の水素とアノード極１０７ａ上で急激に酸化反応を起こしてしまい、当該アノード極１０７ａの触媒活性機能の低下や異常昇温などを生じ、固体高分子電解質型燃料電池１０７の発電能力の低下や前記電極接合体の損傷などを引き起こしてしまう虞があった。
【００２２】
このようなことから、本発明は、供給する酸化剤の量をできるだけ抑えることができる一酸化炭素除去装置を提供することを目的とした。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決するための、本発明による一酸化炭素除去装置は、一酸化炭素を含有するガスに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記ガスを前記酸化剤と共に内部に流通させて当該ガス中の一酸化炭素を酸化して除去する反応器とを備えてなる一酸化炭素除去装置において、前記反応器が直列に複数に分割連結され、分割された当該反応器ごとに前記酸化剤供給手段がそれぞれ設けられると共に、前記各反応器内に流入する前記ガスの流量と各ＣＯ濃度と各酸素濃度とに基づいて、前記各酸化剤供給手段からの前記酸化剤の量をそれぞれ調整する酸化剤量調整手段を設けたことを特徴とする。
【００３０】
また、本発明による一酸化炭素除去装置は、一酸化炭素を含有するガスに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記ガスを前記酸化剤と共に内部に流通させて当該ガス中の一酸化炭素を酸化して除去する反応器とを備えてなる一酸化炭素除去装置において、前記反応器が並列に複数に分割連結され、分割された当該反応器ごとに前記酸化剤供給手段がそれぞれ設けられると共に、前記各反応器内に流入する前記ガスの各流量および各ＣＯ濃度に基づいて、前記各酸化剤供給手段からの前記酸化剤の量をそれぞれ調整する酸化剤量調整手段を設けたことを特徴とする。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第一番目の実施の形態を図１を用いて説明する。なお、図１は、その概略構成図である。
【００３２】
図１に示すように、メタノールと水とを所定の割合で混合したメタノール水１を蒸発させる蒸発器１０１の送出口は、内部に改質触媒（例えば、銅系）を充填された改質器１０２の受入口に連結されている。改質器１０２の送出口は、当該改質器１０２からの改質ガス２のＣＯ濃度を低減させるＣＯシフト触媒（例えば、銅−亜鉛系）を内部に充填されたＣＯ変成器１０３の受入口に連結されている。
【００３３】
前記ＣＯ変成器１０３の送出口は、ＣＯを選択的に酸化する選択酸化触媒（例えば、貴金属系）を内部に充填された第一反応器１１ａの受入口に連結されている。上記ＣＯ変成器１０３と第一反応器１１ａとの間には、当該第一反応器１１ａに流入する改質ガス２に酸化剤である空気（酸素）３を供給する酸化剤供給手段である第一注入器１２ａが連結されている。第一反応器１１ａの送出口は、当該第一反応器１１ａと同様な構造をなす第二反応器１１ｂの受入口に連結されている。第一反応器１１ａと第二反応器１１ｂとの間には、当該第二反応器１１ｂに流入する改質ガス２に空気（酸素）３を供給する酸化剤供給手段である第二注入器１１ｂが連結されている。第二反応器１０ｂの送出口は、加湿器１０４の受入口に連結されている。
【００３４】
つまり、従来の反応器の有していたＣＯ選択酸化反応機能を第一反応器１１ａと第二反応器１１ｂとに分割し、分割した当該反応器１１ａ，１１ｂごとに上記注入器１２ａ，１２ｂをそれぞれ設けたのである。このような第一反応器１１ａ、第二反応器１１ｂ、第一注入器１２ａ、第二注入器１２ｂなどにより、本実施の形態では一酸化炭素除去装置１０を構成している。
【００３５】
前記加湿器１０４の送出口は、固体高分子電解質型燃料電池１０７のアノード極１０７ａ部分に連結されている。一方、固体高分子電解質型燃料電池１０７のカソード極１０７ｂ部分には、酸化剤ガス４を加湿する加湿器１０５の送出口が連結されている。
なお、図１中、１０６は上記燃料電池１０７に冷却水５を流通させる冷却ライン、１０６ａは冷却水ポンプ、１０８は外部電気出力である。
【００３６】
このようにして構成された燃料水素ガスの供給システムでは、メタノール水１を蒸発器１０１で蒸発させ、改質器１０２で改質（２５０〜３００℃前後）し、改質ガス２をＣＯ変成器１０３に導入して、ＣＯ濃度を低減（一般に０．１vol.％前後から２〜３vol.％前後）した後、改質ガス２に第一注入器１２ａから所定量の空気（酸素）３を供給しながら当該改質ガス２を第一反応器１１ａに導入すると、当該改質ガス２は、前述した従来技術で説明した反応式（３）に基づいて内部に含まれているＣＯが選択的に酸化反応された後、第二注入器１２ｂから所定量の空気（酸素）３を再度供給されながら第二反応器１１ｂに導入され、内部に残留しているＣＯが再び酸化反応を受けて除去された後、加湿器１０４で加湿されて、燃料水素ガスとして固体高分子電解質型燃料電池１０７のアノード極１０７ａ部分に供給される。
【００３７】
つまり、第一反応器１１ａでＣＯと酸素とがうまく混ざらず、その結果、選択酸化を受けずに第一反応器１１ａをＣＯが漏れ通過してきても、第二反応器１１ｂに至るまでに酸素との混合作用を再度受けるため、第二反応器１１ｂで残存酸素との選択酸化を促進することができるのである。このため、従来は、改質ガス２に一括供給していた空気（酸素）３の供給量に対し、第二反応器１１ｂで選択酸化が促進される分、各反応器１１ａ，１１ｂの受入口部分で供給する空気の供給量を減らすことができ、全供給酸素量を抑えることができる。
【００３８】
したがって、上述したような一酸化炭素除去装置１０によれば、過剰に混入する空気（酸素）３の量を減らすことができるので、改質ガス２を燃料水素ガスとして固体高分子電解質型燃料電池１０７のアノード極１０７ａ部分に供給しても、残留酸素と改質ガス２中の水素とのアノード極１０７ａ上での急激な酸化反応を防止し、当該アノード極１０７ａの触媒活性の低下や異常昇温などの発生を大幅に抑えることができ、固体高分子電解質型燃料電池１０７の発電能力の低下や前記電極接合体の損傷などを抑えることができる。
【００３９】
本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第二番目の実施の形態を図２を用いて説明する。なお、図２は、その概略構成図である。ただし、前述した第一番目の実施の形態と同様な部分については、前述した第一番目の実施の形態と同様な符号を用いることにより、その説明を省略する。
【００４０】
図２に示すように、ＣＯ変成器１０３の送出口は、分岐して第一反応器１１ａの受入口および第二反応器１１ｂの受入口に連結されている。第一反応器１１ａの受入口近傍には、第一注入器１２ａが連結されている。第二反応器１１ｂの受入口近傍には、第二注入器１２ｂが連結されている。第一反応器１１ａの送出口および第二反応器１１ｂの送出口は、統合して加湿器１０４の受入口に連結されている。
【００４１】
つまり、前述した第一番目の実施の形態では、第一、二反応器１１ａ、１１ｂを直列的に連結したが、本実施の形態では、第一、二反応器１１ａ，１１ｂを並列的に連結したのである。
【００４２】
このため、前述した第一番目の実施の形態の場合よりも、上記反応器１１ａ，１１ｂのサイズをさらに小型化することができ、ＣＯと酸素とをさらに効率よく混合することができる。
【００４３】
したがって、このような一酸化炭素除去装置２０によれば、各反応器１１ａ，１１ｂの受入口部分で供給する空気量をさらに減らすことができるので、全供給酸素量をさらに抑えることができる。
【００４４】
本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第三番目の実施の形態を図３を用いて説明する。なお、図３は、その概略構成図である。ただし、前述した各実施の形態と同様な部分については、前述した各実施の形態と同様な符号を用いることにより、その説明を省略する。
【００４５】
図３に示すように、第一注入器１２ａの送出口部分には、第一流量制御弁３３ａが設けられている。第二注入器１２ｂの送出口部分には、第二流量制御弁３３ｂが設けられている。ＣＯ変成器１０３の送出口部分には、改質ガス２中のＣＯ濃度を検知する第一濃度センサ３４ａが設けられている。第一反応器１１ａの送出口部分には、上記第一濃度センサ３４ａと同様な第二濃度センサ３４ｂが設けられている。これら濃度センサ３４ａ，３４ｂは、制御装置３６の入力部にそれぞれ電気的に接続され、上記流量制御弁３３ａ，３３ｂは、制御装置３６の出力部にそれぞれ電気的に接続されており、当該制御装置３６は、第一濃度センサ３４ａからの信号に基づいて第一流量制御弁３３ａを調整すると同時に、第二濃度センサ３４ｂからの信号に基づいて第二流量制御弁３３ｂを調整するようになっている。このような上記流量制御弁３３ａ，３３ｂ、上記濃度センサ３４ａ，３４ｂ、制御装置３６などにより、本実施の形態では酸化剤量調整手段を構成している。
【００４６】
このような一酸化炭素除去装置３０では、ＣＯ変成器１０３の送出口からの改質ガス２中のＣＯ濃度を第一濃度センサ３４ａが検知すると、当該センサ３４ａからの信号に基づいて、当該改質ガス２に必要十分な量の空気（酸素）３を供給するように制御装置３６が第一流量制御弁３３ａを制御し、続いて、第一反応器１１ａで選択酸化反応された改質ガス２中のＣＯ濃度を第二濃度センサ３４ｂが検知し、当該センサ３４ｂからの信号に基づいて、当該改質ガス２に必要十分な量の空気（酸素）３を供給するように制御装置３６が第二流量制御弁３３ｂを制御する。
【００４７】
このため、前述した第一番目の実施の形態の場合よりも、改質ガス２に供給する過剰な空気３の量を常に適切に抑えることができる。
【００４８】
したがって、前述した第一番目の実施の形態の場合よりも、各反応器１１ａ，１１ｂの受入口部分で供給する空気量を常に適切に設定することができるので、全供給酸素量を常に適切に抑えることができる。
【００４９】
本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第四番目の実施の形態を図４を用いて説明する。なお、図４は、その概略構成図である。ただし、前述した各実施の形態と同様な部分については、前述した各実施の形態と同様な符号を用いることにより、その説明を省略する。
【００５０】
図４に示すように、本実施の形態は、第二番目の実施の形態の特徴と第三番目の実施の形態の特徴とを組み合わせたもの、すなわち、第一、二反応器１１ａ，１１ｂを並列的に連結すると共に、これら反応器１１ａ，１１ｂの受入口の直前に第一、二濃度センサ３４ａ，３４ｂをそれぞれ設けたのである。
【００５１】
このため、このような一酸化炭素除去装置４０では、前述した第一番目の実施の形態の場合よりも、上記反応器１１ａ，１１ｂのサイズをさらに小型化することができ、ＣＯと酸素とをさらに効果的に混合することができると共に、前述した第一番目の実施の形態の場合よりも、改質ガス２に供給する過剰な空気３の量をさらに適切に抑えることができる。
【００５２】
したがって、前述した実施の形態の場合よりも、各反応器１１ａ，１１ｂの受入口部分で供給する空気量をさらに適切に設定することができるので、全供給酸素量をさらに適切に抑えることができる。
【００５３】
本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第五番目の実施の形態を図５を用いて説明する。なお、図５は、その概略構成図である。ただし、前述した各実施の形態と同様な部分については、前述した各実施の形態と同様な符号を用いることにより、その説明を省略する。
【００５４】
図５に示すように、ＣＯ変成器１０３の送出口近傍には、当該部分を流通する改質ガス２の流量を検知するガス流量センサ５５が設けられている。ガス流量センサ５５は、制御装置５６の入力部に電気的に接続されている。この制御装置５６は、その入力部に第一，二濃度センサ３４ａ，３４ｂもそれぞれ電気的に接続され、その出力部に第一、二流量制御弁３３ａ，３３ｂがそれぞれ電気的に接続されており、上記ガス流量センサ５５および第一濃度センサ３４ａからの信号に基づいて第一流量制御弁３３ａを調整すると共に、当該ガス流量センサ５５および第二濃度センサ３４ｂからの信号に基づいて第二流量制御弁３３ｂを調整するようになっている。
【００５５】
つまり、前述した第三番目の実施の形態等では、改質ガス２中のＣＯ濃度のみに基づいて供給空気量を設定するようにしたが、本実施の形態では、改質ガス２中のＣＯ濃度および当該改質ガス２の流量の二因子に基づいて供給空気量を設定するようにしたのである。
【００５６】
このため、このような一酸化炭素除去装置５０では、前述した第三番目の実施の形態の場合よりも、改質ガス２に供給する過剰な空気３の量をさらに適切に抑えることができる。
【００５７】
したがって、前述した第三番目の実施の形態の場合よりも、各反応器１１ａ，１１ｂの受入口部分で供給する空気量をさらに適切に設定することができるので、全供給酸素量をさらに適切に抑えることができる。
【００５８】
本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第六番目の実施の形態を図６を用いて説明する。なお、図６は、その概略構成図である。ただし、前述した各実施の形態と同様な部分については、前述した各実施の形態と同様な符号を用いることにより、その説明を省略する。
【００５９】
図６に示すように、本実施の形態は、第四番目の実施の形態の特徴と第五番目の実施の形態の特徴とを組み合わせたもの、すなわち、第一、二反応器１１ａ，１１ｂを並列的に連結すると共に、これら反応器１１ａ，１１ｂの受入口の直前に第一、二濃度センサ３４ａ，３４ｂをそれぞれ設け、ＣＯ変成器１０３の送出口近傍にガス流量センサ５５を設けたのである。
【００６０】
このため、このような一酸化炭素除去装置６０では、前述した第五番目の実施の形態の場合よりも、上記反応器１１ａ，１１ｂのサイズをさらに小型化することができ、ＣＯと酸素とをさらに効果的に混合することができる。
【００６１】
したがって、前述した第五番目の実施の形態の場合よりも、各反応器１１ａ，１１ｂの受入口部分で供給する空気量をさらに減らすことができるので、全供給酸素量をさらに抑えることができる。
【００６２】
本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第七番目の実施の形態を図７を用いて説明する。なお、図７は、その概略構成図である。ただし、前述した各実施の形態と同様な部分については、前述した各実施の形態と同様な符号を用いることにより、その説明を省略する。
【００６３】
図７に示すように、ＣＯ変成器１０３の送出口から第一反応器１１ａの受入口と第二反応器１１ｂの受入口とに分岐する当該分岐部分の上記第一反応器１１ａ側には、当該第一反応器１１ａ側へ分岐して流通する改質ガス２の流量を検知する第一ガス流量センサ７５ａが設けられている。一方、上記分岐部分の上記第二反応器１１ｂ側には、当該第二反応器１１ｂ側へ分岐して流通する改質ガス２の流量を検知する第二ガス流量センサ７５ｂが設けられている。これらセンサ７５ａ，７５ｂは、制御装置７６の入力部に電気的に接続されている。この制御装置７６は、その入力部に第一，二濃度センサ３４ａ，３４ｂもそれぞれ電気的に接続され、その出力部に第一、二流量制御弁３３ａ，３３ｂがそれぞれ電気的に接続されており、上記第一ガス流量センサ７５ａおよび第一濃度センサ３４ａからの信号に基づいて第一流量制御弁３３ａを調整すると共に、上記第二ガス流量センサ７５ｂおよび第二濃度センサ３４ｂからの信号に基づいて第二流量制御弁３３ｂを調整するようになっている。
【００６４】
つまり、前述した第六番目の実施の形態では、第一、二反応器１１ａ，１１ｂの受入口側へ分岐する前の改質ガス２の流量、すなわち、全流量を制御因子に用いて、各反応器１１ａ，１１ｂにそれぞれ流入する改質ガス２に供給する空気（酸素）３の量をそれぞれ設定したが、本実施野形態では、第一、二反応器１１ａ，１１ｂの受入口側へ分岐した後の改質ガス２の流量、すなわち、各反応器１１ａ，１１ｂにそれぞれ流入する改質ガス２の流量を制御因子に用いて、各反応器１１ａ，１１ｂにそれぞれ流入する改質ガス２に供給する空気（酸素）３の量をそれぞれ設定するようにしたのである。
【００６５】
このため、このような一酸化炭素除去装置５０では、前述した第六番目の実施の形態の場合よりも、改質ガス２に供給する過剰な空気３の量をさらに正確に制御することができる。
【００６６】
したがって、前述した第六番目の実施の形態の場合よりも、各反応器１１ａ，１１ｂの受入口部分で供給する空気量をさらに正確に設定することができるので、全供給酸素量をさらに適切に設定することができる。
【００６７】
なお、前述した第三、五番目の実施の形態では、改質ガス２のＣＯ濃度や流量に基づいて、供給する空気３の量を設定したが、さらに、改質ガス２の酸素濃度にも基づいて上記空気３の量を設定するようにすれば、より正確な設定が可能となる。
【００６８】
前述した各実施の形態では、従来の反応器のＣＯ選択酸化反応機能を二分割して直列または並列に連結した第一反応器１１ａおよび第二反応器１１ｂを用いたが、例えば、三分割以上にわけて直列と並列とを混在させて連結することも可能である。
【００６９】
【発明の効果】
本発明による一酸化炭素除去装置では、一酸化炭素を含有するガスに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記ガスを前記酸化剤と共に内部に流通させて当該ガス中の一酸化炭素を酸化して除去する反応器とを備えてなる一酸化炭素除去装置において、前記反応器が直列に複数に分割連結され、分割された当該反応器ごとに前記酸化剤供給手段がそれぞれ設けられると共に、前記各反応器内に流入する前記ガスの流量と各ＣＯ濃度と各酸素濃度とに基づいて、前記各酸化剤供給手段からの前記酸化剤の量をそれぞれ調整する酸化剤量調整手段を設けたことから、前段の反応器でＣＯと酸素とがうまく混ざらず、その結果、選択酸化を受けずに前段の反応器をＣＯが漏れ通過してきても、後段の反応器に至るまでに酸素との混合作用を再度受け、後段の反応器で残存酸素との選択酸化が促進されるので、各反応器の受入口部分で供給する酸化剤の供給量を減らすことができ、全供給酸素量を抑えることができる。このため、当該一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用すれば、固体高分子電解質型燃料電池のアノード極部分に混入する酸素が低減されるようになるので、残留酸素と水素とのアノード極上での急激な酸化反応を防止し、当該アノード極の触媒活性の低下や異常昇温などの発生を大幅に抑えることができ、固体高分子電解質型燃料電池の発電能力の低下や電極接合体の損傷などを抑えることができる。また、ガスに供給する過剰な酸化剤の量をさらに適切に抑えることができるので、各反応器の受入口部分で供給する酸化剤量をさらに適切に設定することができ、全供給酸素量をさらに適切に抑えることができる。
【００７６】
また、本発明による一酸化炭素除去装置は、一酸化炭素を含有するガスに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記ガスを前記酸化剤と共に内部に流通させて当該ガス中の一酸化炭素を酸化して除去する反応器とを備えてなる一酸化炭素除去装置において、前記反応器が並列に複数に分割連結され、分割された当該反応器ごとに前記酸化剤供給手段がそれぞれ設けられると共に、前記各反応器内に流入する前記ガスの各流量および各ＣＯ濃度に基づいて、前記各酸化剤供給手段からの前記酸化剤の量をそれぞれ調整する酸化剤量調整手段を設けたことから、前段の反応器でＣＯと酸素とがうまく混ざらず、その結果、選択酸化を受けずに前段の反応器をＣＯが漏れ通過してきても、後段の反応器に至るまでに酸素との混合作用を再度受け、後段の反応器で残存酸素との選択酸化が促進されるので、各反応器の受入口部分で供給する酸化剤の供給量を減らすことができ、全供給酸素量を抑えることができる。このため、当該一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用すれば、固体高分子電解質型燃料電池のアノード極部分に混入する酸素が低減されるようになるので、残留酸素と水素とのアノード極上での急激な酸化反応を防止し、当該アノード極の触媒活性の低下や異常昇温などの発生を大幅に抑えることができ、固体高分子電解質型燃料電池の発電能力の低下や電極接合体の損傷などを抑えることができる。また、反応器のサイズをさらに小型化することができ、ＣＯと酸素とをさらに効果的に混合することができるので、各反応器の受入口部分で供給する酸化剤量をさらに減らすことができ、全供給酸素量をさらに抑えることができる。また、ガスに供給する過剰な酸化剤の量をより確実に抑えることができるので、各反応器の受入口部分で供給する酸化剤量をより正確に設定することができ、全供給酸素量をより正確に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第一番目の実施の形態の概略構成図である。
【図２】本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第二番目の実施の形態の概略構成図である。
【図３】本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第三番目の実施の形態の概略構成図である。
【図４】本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第四番目の実施の形態の概略構成図である。
【図５】本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第五番目の実施の形態の概略構成図である。
【図６】本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第六番目の実施の形態の概略構成図である。
【図７】本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第七番目の実施の形態の概略構成図である。
【図８】従来の一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の一例の概略構成図である。
【図９】固体高分子電解質型燃料電池の発電原理の説明図である。
【図１０】燃料水素ガス中のＣＯ濃度と発電特性との関係（電流密度−単電池電圧特性）の一例を表すグラフである。
【図１１】Ｒｕ系選択酸化触媒における触媒温度と処理後の改質ガスのＣＯ濃度との関係の一例を表すグラフである。
【符号の説明】
１ メタノール水
２ 改質ガス
３ 空気（酸素）
１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０ 一酸化炭素除去装置
１１ａ 第一反応器
１１ｂ 第二反応器
１２ａ 第一注入器
１２ｂ 第二注入器
３３ａ 第一流量制御弁
３３ｂ 第二流量制御弁
３４ａ 第一流量センサ
３４ｂ 第二流量センサ
３６ 制御装置
５５ ガス流量センサ
５６ 制御装置
７５ａ 第一ガス流量センサ
７５ｂ 第二ガス流量センサ
７６ 制御装置
１０７ 固体高分子電解質型燃料電池
１０７ａ アノード極
１０７ｂ カソード極
【発明の属する技術分野】
本発明は、一酸化炭素除去装置に関し、特に、固体高分子電解質型の燃料電池に炭化水素系燃料改質ガスを燃料水素ガスとして供給する場合の供給システムに適用すると有効なものである。
【０００２】
【従来の技術】
（１）固体高分子電解質型燃料電池の発電原理
固体高分子電解質型燃料電池は、図９に示すように、固体高分子イオン交換膜（例えば、スルホン酸基を持つフッ素樹脂系イオン交換膜）を用いた電解質２０１の両側に触媒電極２０２，２０３（例えば、白金）層および多孔質なカーボン電極２０４，２０５を設けた電極接合体２０６構造をなしている。
【０００３】
このような固体高分子電解質型燃料電池において、アノード極側に供給された加湿燃料水素ガスは、触媒電極（アノード極）２０２上で水素イオン化され、その水素イオンは、電解質２０１中を水の介在のもと、Ｈ+ ・ｘＨ2 Ｏのかたちで、カソード極側へ水と共に移動し、触媒電極（カソード極）２０３上で酸化剤ガス中の酸素および外部回路２０７を流通してきた電子と反応して水を生成する。この生成水は、カソード極２０３，２０５より残存酸化剤ガスに搬送されて燃料電池外へ排出される。この時、外部回路２０７を流通した電子流れを直流の電気エネルギとして利用できる。
【０００４】
なお、固体高分子イオン交換膜を用いた上述したような電解質２０１では、水素イオン透過性を発現させるために十分な湿潤状態に常に保持しておく必要がある。このため、通常、燃料水素ガスや酸化剤ガスに電池の運転温度（常温〜１００℃程度）近辺相当の飽和水蒸気を含ませて、すなわち、燃料水素ガスまたは酸化剤ガスを加湿して、当該ガスを電極接合体１０６に供給することにより、電解質１０１の湿潤状態を保つようにしている。
【０００５】
（２）固体高分子電解質型燃料電池の特性
固体高分子電解質型燃料電池に供給する燃料水素ガスには、純水素ガスや、メタノールやメタンなどを改質した炭化水素系燃料改質ガスなどが挙げられる。このうち、炭化水素系燃料改質ガスなどは、通常、一酸化炭素（ＣＯ）を多量（０．１％程度から数％程度）に含んでいるため、固体高分子電解質型燃料電池に直接供給すると問題を生じてしまう。
【０００６】
具体的には、固体高分子電解質型燃料電池に供給する燃料水素ガス中のＣＯ濃度と固体高分子電解質型燃料電池の発電特性との関係（電流密度−単電池電圧特性）の一例を表す図１０に示すように、固体高分子電解質型燃料電池に供給する燃料水素ガス中のＣＯ濃度が２０ｐｐｍ、５０ｐｐｍ、１００ｐｐｍと高くなるほど、固体高分子電解質型燃料電池の発電特性が悪くなってしまうのである。
【０００７】
この理由は、供給する燃料水素ガスがＣＯを含んでいると、アノード極の触媒成分である白金がＣＯにより吸着被毒されて活性化機能の低下を引き起し、前述のような水素のイオン化機能の低下を引き起こしてしまうためと考えられる。よって、炭化水素系燃料改質ガスなどのようなＣＯを多量に含んだ燃料水素ガスを固体高分子電解質型燃料電池に供給する場合には、当該ガス中のＣＯを極力低濃度に減量処理してから当該ガスを供給する必要がある。
【０００８】
（３）固体高分子電解質型燃料電池への従来の燃料水素ガス供給システム
炭化水素系燃料の一つであるメタノールを改質したガスを燃料水素ガスとして固体高分子電解質型燃料電池に供給する場合の従来の供給システムの一例の概略構成を図８に示す。
【０００９】
図８に示すように、メタノールと水とを所定の割合で混合したメタノール水１を蒸発器１０１で蒸発させ、改質触媒（例えば、銅系）を充填された改質器１０２で改質（２５０〜３００℃前後）する。この時の改質反応は、下記の（１）式で表され、その反応過程で副生成物としてＣＯが生じる。
【００１０】
【化１】
ＣＨ3 ＯＨ ＋ Ｈ2 Ｏ → ３Ｈ2 ＋ ＣＯ2 （吸熱反応） （１）
【００１１】
改質器１０２で生じた改質ガス２は、ＣＯシフト触媒（例えば、銅−亜鉛系）を充填されたＣＯ変成器１０３に導入され、ＣＯ濃度が低減（一般に０．１vol.％前後から２〜３vol.％前後）される。この時のＣＯシフト反応は、下記の（２）式で表される。
【００１２】
【化２】
ＣＯ ＋ Ｈ2 Ｏ → Ｈ2 ＋ ＣＯ2 （発熱反応） （２）
【００１３】
ＣＯ変成器１０３でＣＯ濃度を低減された改質ガス２は、ＣＯを選択的に酸化する選択酸化触媒（例えば、貴金属系）を充填された一酸化炭素除去装置１１０の反応器１１１内に導入され、ＣＯ濃度がさらに低減（１００ｐｐｍ程度、できれば２０ｐｐｍ以下が望ましい。）される。この時の選択酸化反応は、下記の（３）式で表される。
【００１４】
【化３】
ＣＯ ＋ 1/2Ｏ2 → ＣＯ2 （発熱反応） （３）
【００１５】
この選択酸化反応においては、酸化剤として酸素が必要であるため、上記一酸化炭素除去装置１１０の反応器１１１に導入する前の改質ガス中に所定量の空気（酸素）３を導入する。なお、上記触媒により改質ガス２中の水素（Ｈ2 ）が一部酸化される場合もあるが、その量は極めて少ないので特に問題を生じることはない。
【００１６】
一酸化炭素除去装置１１０でＣＯ濃度をさらに低減された改質ガス２は、加湿器１０４で加湿された後、燃料水素ガスとして固体高分子電解質型燃料電池１０７のアノード極１０７ａ部分に供給され、カソード極１０７ｂ部分に供給された酸化剤ガス４中の酸素と前述したように反応して発電に供与された後、残存燃料水素ガス２ａとして系外へ送出される一方、酸化剤ガス４は、残存酸化剤ガス４ａとして系外へ送出される。
【００１７】
なお、図８中、１０５は酸化剤ガス４を加湿する加湿器、１０６は固体高分子電解質型燃料電池１０７を冷却水５で所定の温度に保持する冷却ライン、１０６ａはポンプ、１０８は外部電気出力である。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、前述したような一酸化炭素除去装置１１０において、ＣＯの選択酸化触媒としてＲｕ系を用いた場合の触媒温度（触媒の雰囲気となる改質ガスの温度）と触媒を通過した送出口付近の改質ガスのＣＯ濃度との関係の一例を図１１に示す。なお、改質ガス中の当初のＣＯ濃度は０．１％であり、Ｏ2 ／ＣＯ比（モル比）＝３に相当する空気を酸化剤として改質ガスに加えている。
【００１９】
図１１からわかるように、１１０〜１５０℃の温度範囲では、ＣＯ濃度が検出されないほど減量していることから、当該温度領域で処理すれば、選択酸化触媒のＣＯ酸化機能を最も効率よく発現させることができる。
【００２０】
ところで、上記一酸化炭素除去装置１１０における改質ガス２に導入する空気３の量は、ＣＯを完全に酸化除去するのに必要な理論酸素量（ＣＯに対するモル比で１／２）に相当する量よりもかなり多く（２〜１０倍、通常、６倍程度）している。なぜなら、空気３を過剰に導入しないと、ＣＯと酸素とがうまく混合せず、効率よく反応させることが困難となる、すなわち、酸素が理論量程度しかないと、改質ガス２中のすべてのＣＯに対して酸素が到達できず、すべてのＣＯを酸化することができなくなってしまう虞を生じるからである。
【００２１】
このため、上記一酸化炭素除去装置１１０では、改質ガス２中に導入された酸素（０．３％）のうち、ＣＯの酸化に消費された酸素（約０．０５％）を除いた酸素（約０．２５％）が改質ガス２中に残留（改質ガス中の水素（Ｈ2 ）の酸化にも一部消費されるが、その消費量はごくわずかである。）してしまい、当該残留酸素を改質ガス２と共に固体高分子電解質型燃料電池１０７のアノード極１０７ａ（例えば、白金）部分に送給してしまう。その結果、残留酸素が改質ガス２中の水素とアノード極１０７ａ上で急激に酸化反応を起こしてしまい、当該アノード極１０７ａの触媒活性機能の低下や異常昇温などを生じ、固体高分子電解質型燃料電池１０７の発電能力の低下や前記電極接合体の損傷などを引き起こしてしまう虞があった。
【００２２】
このようなことから、本発明は、供給する酸化剤の量をできるだけ抑えることができる一酸化炭素除去装置を提供することを目的とした。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決するための、本発明による一酸化炭素除去装置は、一酸化炭素を含有するガスに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記ガスを前記酸化剤と共に内部に流通させて当該ガス中の一酸化炭素を酸化して除去する反応器とを備えてなる一酸化炭素除去装置において、前記反応器が直列に複数に分割連結され、分割された当該反応器ごとに前記酸化剤供給手段がそれぞれ設けられると共に、前記各反応器内に流入する前記ガスの流量と各ＣＯ濃度と各酸素濃度とに基づいて、前記各酸化剤供給手段からの前記酸化剤の量をそれぞれ調整する酸化剤量調整手段を設けたことを特徴とする。
【００３０】
また、本発明による一酸化炭素除去装置は、一酸化炭素を含有するガスに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記ガスを前記酸化剤と共に内部に流通させて当該ガス中の一酸化炭素を酸化して除去する反応器とを備えてなる一酸化炭素除去装置において、前記反応器が並列に複数に分割連結され、分割された当該反応器ごとに前記酸化剤供給手段がそれぞれ設けられると共に、前記各反応器内に流入する前記ガスの各流量および各ＣＯ濃度に基づいて、前記各酸化剤供給手段からの前記酸化剤の量をそれぞれ調整する酸化剤量調整手段を設けたことを特徴とする。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第一番目の実施の形態を図１を用いて説明する。なお、図１は、その概略構成図である。
【００３２】
図１に示すように、メタノールと水とを所定の割合で混合したメタノール水１を蒸発させる蒸発器１０１の送出口は、内部に改質触媒（例えば、銅系）を充填された改質器１０２の受入口に連結されている。改質器１０２の送出口は、当該改質器１０２からの改質ガス２のＣＯ濃度を低減させるＣＯシフト触媒（例えば、銅−亜鉛系）を内部に充填されたＣＯ変成器１０３の受入口に連結されている。
【００３３】
前記ＣＯ変成器１０３の送出口は、ＣＯを選択的に酸化する選択酸化触媒（例えば、貴金属系）を内部に充填された第一反応器１１ａの受入口に連結されている。上記ＣＯ変成器１０３と第一反応器１１ａとの間には、当該第一反応器１１ａに流入する改質ガス２に酸化剤である空気（酸素）３を供給する酸化剤供給手段である第一注入器１２ａが連結されている。第一反応器１１ａの送出口は、当該第一反応器１１ａと同様な構造をなす第二反応器１１ｂの受入口に連結されている。第一反応器１１ａと第二反応器１１ｂとの間には、当該第二反応器１１ｂに流入する改質ガス２に空気（酸素）３を供給する酸化剤供給手段である第二注入器１１ｂが連結されている。第二反応器１０ｂの送出口は、加湿器１０４の受入口に連結されている。
【００３４】
つまり、従来の反応器の有していたＣＯ選択酸化反応機能を第一反応器１１ａと第二反応器１１ｂとに分割し、分割した当該反応器１１ａ，１１ｂごとに上記注入器１２ａ，１２ｂをそれぞれ設けたのである。このような第一反応器１１ａ、第二反応器１１ｂ、第一注入器１２ａ、第二注入器１２ｂなどにより、本実施の形態では一酸化炭素除去装置１０を構成している。
【００３５】
前記加湿器１０４の送出口は、固体高分子電解質型燃料電池１０７のアノード極１０７ａ部分に連結されている。一方、固体高分子電解質型燃料電池１０７のカソード極１０７ｂ部分には、酸化剤ガス４を加湿する加湿器１０５の送出口が連結されている。
なお、図１中、１０６は上記燃料電池１０７に冷却水５を流通させる冷却ライン、１０６ａは冷却水ポンプ、１０８は外部電気出力である。
【００３６】
このようにして構成された燃料水素ガスの供給システムでは、メタノール水１を蒸発器１０１で蒸発させ、改質器１０２で改質（２５０〜３００℃前後）し、改質ガス２をＣＯ変成器１０３に導入して、ＣＯ濃度を低減（一般に０．１vol.％前後から２〜３vol.％前後）した後、改質ガス２に第一注入器１２ａから所定量の空気（酸素）３を供給しながら当該改質ガス２を第一反応器１１ａに導入すると、当該改質ガス２は、前述した従来技術で説明した反応式（３）に基づいて内部に含まれているＣＯが選択的に酸化反応された後、第二注入器１２ｂから所定量の空気（酸素）３を再度供給されながら第二反応器１１ｂに導入され、内部に残留しているＣＯが再び酸化反応を受けて除去された後、加湿器１０４で加湿されて、燃料水素ガスとして固体高分子電解質型燃料電池１０７のアノード極１０７ａ部分に供給される。
【００３７】
つまり、第一反応器１１ａでＣＯと酸素とがうまく混ざらず、その結果、選択酸化を受けずに第一反応器１１ａをＣＯが漏れ通過してきても、第二反応器１１ｂに至るまでに酸素との混合作用を再度受けるため、第二反応器１１ｂで残存酸素との選択酸化を促進することができるのである。このため、従来は、改質ガス２に一括供給していた空気（酸素）３の供給量に対し、第二反応器１１ｂで選択酸化が促進される分、各反応器１１ａ，１１ｂの受入口部分で供給する空気の供給量を減らすことができ、全供給酸素量を抑えることができる。
【００３８】
したがって、上述したような一酸化炭素除去装置１０によれば、過剰に混入する空気（酸素）３の量を減らすことができるので、改質ガス２を燃料水素ガスとして固体高分子電解質型燃料電池１０７のアノード極１０７ａ部分に供給しても、残留酸素と改質ガス２中の水素とのアノード極１０７ａ上での急激な酸化反応を防止し、当該アノード極１０７ａの触媒活性の低下や異常昇温などの発生を大幅に抑えることができ、固体高分子電解質型燃料電池１０７の発電能力の低下や前記電極接合体の損傷などを抑えることができる。
【００３９】
本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第二番目の実施の形態を図２を用いて説明する。なお、図２は、その概略構成図である。ただし、前述した第一番目の実施の形態と同様な部分については、前述した第一番目の実施の形態と同様な符号を用いることにより、その説明を省略する。
【００４０】
図２に示すように、ＣＯ変成器１０３の送出口は、分岐して第一反応器１１ａの受入口および第二反応器１１ｂの受入口に連結されている。第一反応器１１ａの受入口近傍には、第一注入器１２ａが連結されている。第二反応器１１ｂの受入口近傍には、第二注入器１２ｂが連結されている。第一反応器１１ａの送出口および第二反応器１１ｂの送出口は、統合して加湿器１０４の受入口に連結されている。
【００４１】
つまり、前述した第一番目の実施の形態では、第一、二反応器１１ａ、１１ｂを直列的に連結したが、本実施の形態では、第一、二反応器１１ａ，１１ｂを並列的に連結したのである。
【００４２】
このため、前述した第一番目の実施の形態の場合よりも、上記反応器１１ａ，１１ｂのサイズをさらに小型化することができ、ＣＯと酸素とをさらに効率よく混合することができる。
【００４３】
したがって、このような一酸化炭素除去装置２０によれば、各反応器１１ａ，１１ｂの受入口部分で供給する空気量をさらに減らすことができるので、全供給酸素量をさらに抑えることができる。
【００４４】
本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第三番目の実施の形態を図３を用いて説明する。なお、図３は、その概略構成図である。ただし、前述した各実施の形態と同様な部分については、前述した各実施の形態と同様な符号を用いることにより、その説明を省略する。
【００４５】
図３に示すように、第一注入器１２ａの送出口部分には、第一流量制御弁３３ａが設けられている。第二注入器１２ｂの送出口部分には、第二流量制御弁３３ｂが設けられている。ＣＯ変成器１０３の送出口部分には、改質ガス２中のＣＯ濃度を検知する第一濃度センサ３４ａが設けられている。第一反応器１１ａの送出口部分には、上記第一濃度センサ３４ａと同様な第二濃度センサ３４ｂが設けられている。これら濃度センサ３４ａ，３４ｂは、制御装置３６の入力部にそれぞれ電気的に接続され、上記流量制御弁３３ａ，３３ｂは、制御装置３６の出力部にそれぞれ電気的に接続されており、当該制御装置３６は、第一濃度センサ３４ａからの信号に基づいて第一流量制御弁３３ａを調整すると同時に、第二濃度センサ３４ｂからの信号に基づいて第二流量制御弁３３ｂを調整するようになっている。このような上記流量制御弁３３ａ，３３ｂ、上記濃度センサ３４ａ，３４ｂ、制御装置３６などにより、本実施の形態では酸化剤量調整手段を構成している。
【００４６】
このような一酸化炭素除去装置３０では、ＣＯ変成器１０３の送出口からの改質ガス２中のＣＯ濃度を第一濃度センサ３４ａが検知すると、当該センサ３４ａからの信号に基づいて、当該改質ガス２に必要十分な量の空気（酸素）３を供給するように制御装置３６が第一流量制御弁３３ａを制御し、続いて、第一反応器１１ａで選択酸化反応された改質ガス２中のＣＯ濃度を第二濃度センサ３４ｂが検知し、当該センサ３４ｂからの信号に基づいて、当該改質ガス２に必要十分な量の空気（酸素）３を供給するように制御装置３６が第二流量制御弁３３ｂを制御する。
【００４７】
このため、前述した第一番目の実施の形態の場合よりも、改質ガス２に供給する過剰な空気３の量を常に適切に抑えることができる。
【００４８】
したがって、前述した第一番目の実施の形態の場合よりも、各反応器１１ａ，１１ｂの受入口部分で供給する空気量を常に適切に設定することができるので、全供給酸素量を常に適切に抑えることができる。
【００４９】
本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第四番目の実施の形態を図４を用いて説明する。なお、図４は、その概略構成図である。ただし、前述した各実施の形態と同様な部分については、前述した各実施の形態と同様な符号を用いることにより、その説明を省略する。
【００５０】
図４に示すように、本実施の形態は、第二番目の実施の形態の特徴と第三番目の実施の形態の特徴とを組み合わせたもの、すなわち、第一、二反応器１１ａ，１１ｂを並列的に連結すると共に、これら反応器１１ａ，１１ｂの受入口の直前に第一、二濃度センサ３４ａ，３４ｂをそれぞれ設けたのである。
【００５１】
このため、このような一酸化炭素除去装置４０では、前述した第一番目の実施の形態の場合よりも、上記反応器１１ａ，１１ｂのサイズをさらに小型化することができ、ＣＯと酸素とをさらに効果的に混合することができると共に、前述した第一番目の実施の形態の場合よりも、改質ガス２に供給する過剰な空気３の量をさらに適切に抑えることができる。
【００５２】
したがって、前述した実施の形態の場合よりも、各反応器１１ａ，１１ｂの受入口部分で供給する空気量をさらに適切に設定することができるので、全供給酸素量をさらに適切に抑えることができる。
【００５３】
本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第五番目の実施の形態を図５を用いて説明する。なお、図５は、その概略構成図である。ただし、前述した各実施の形態と同様な部分については、前述した各実施の形態と同様な符号を用いることにより、その説明を省略する。
【００５４】
図５に示すように、ＣＯ変成器１０３の送出口近傍には、当該部分を流通する改質ガス２の流量を検知するガス流量センサ５５が設けられている。ガス流量センサ５５は、制御装置５６の入力部に電気的に接続されている。この制御装置５６は、その入力部に第一，二濃度センサ３４ａ，３４ｂもそれぞれ電気的に接続され、その出力部に第一、二流量制御弁３３ａ，３３ｂがそれぞれ電気的に接続されており、上記ガス流量センサ５５および第一濃度センサ３４ａからの信号に基づいて第一流量制御弁３３ａを調整すると共に、当該ガス流量センサ５５および第二濃度センサ３４ｂからの信号に基づいて第二流量制御弁３３ｂを調整するようになっている。
【００５５】
つまり、前述した第三番目の実施の形態等では、改質ガス２中のＣＯ濃度のみに基づいて供給空気量を設定するようにしたが、本実施の形態では、改質ガス２中のＣＯ濃度および当該改質ガス２の流量の二因子に基づいて供給空気量を設定するようにしたのである。
【００５６】
このため、このような一酸化炭素除去装置５０では、前述した第三番目の実施の形態の場合よりも、改質ガス２に供給する過剰な空気３の量をさらに適切に抑えることができる。
【００５７】
したがって、前述した第三番目の実施の形態の場合よりも、各反応器１１ａ，１１ｂの受入口部分で供給する空気量をさらに適切に設定することができるので、全供給酸素量をさらに適切に抑えることができる。
【００５８】
本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第六番目の実施の形態を図６を用いて説明する。なお、図６は、その概略構成図である。ただし、前述した各実施の形態と同様な部分については、前述した各実施の形態と同様な符号を用いることにより、その説明を省略する。
【００５９】
図６に示すように、本実施の形態は、第四番目の実施の形態の特徴と第五番目の実施の形態の特徴とを組み合わせたもの、すなわち、第一、二反応器１１ａ，１１ｂを並列的に連結すると共に、これら反応器１１ａ，１１ｂの受入口の直前に第一、二濃度センサ３４ａ，３４ｂをそれぞれ設け、ＣＯ変成器１０３の送出口近傍にガス流量センサ５５を設けたのである。
【００６０】
このため、このような一酸化炭素除去装置６０では、前述した第五番目の実施の形態の場合よりも、上記反応器１１ａ，１１ｂのサイズをさらに小型化することができ、ＣＯと酸素とをさらに効果的に混合することができる。
【００６１】
したがって、前述した第五番目の実施の形態の場合よりも、各反応器１１ａ，１１ｂの受入口部分で供給する空気量をさらに減らすことができるので、全供給酸素量をさらに抑えることができる。
【００６２】
本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第七番目の実施の形態を図７を用いて説明する。なお、図７は、その概略構成図である。ただし、前述した各実施の形態と同様な部分については、前述した各実施の形態と同様な符号を用いることにより、その説明を省略する。
【００６３】
図７に示すように、ＣＯ変成器１０３の送出口から第一反応器１１ａの受入口と第二反応器１１ｂの受入口とに分岐する当該分岐部分の上記第一反応器１１ａ側には、当該第一反応器１１ａ側へ分岐して流通する改質ガス２の流量を検知する第一ガス流量センサ７５ａが設けられている。一方、上記分岐部分の上記第二反応器１１ｂ側には、当該第二反応器１１ｂ側へ分岐して流通する改質ガス２の流量を検知する第二ガス流量センサ７５ｂが設けられている。これらセンサ７５ａ，７５ｂは、制御装置７６の入力部に電気的に接続されている。この制御装置７６は、その入力部に第一，二濃度センサ３４ａ，３４ｂもそれぞれ電気的に接続され、その出力部に第一、二流量制御弁３３ａ，３３ｂがそれぞれ電気的に接続されており、上記第一ガス流量センサ７５ａおよび第一濃度センサ３４ａからの信号に基づいて第一流量制御弁３３ａを調整すると共に、上記第二ガス流量センサ７５ｂおよび第二濃度センサ３４ｂからの信号に基づいて第二流量制御弁３３ｂを調整するようになっている。
【００６４】
つまり、前述した第六番目の実施の形態では、第一、二反応器１１ａ，１１ｂの受入口側へ分岐する前の改質ガス２の流量、すなわち、全流量を制御因子に用いて、各反応器１１ａ，１１ｂにそれぞれ流入する改質ガス２に供給する空気（酸素）３の量をそれぞれ設定したが、本実施野形態では、第一、二反応器１１ａ，１１ｂの受入口側へ分岐した後の改質ガス２の流量、すなわち、各反応器１１ａ，１１ｂにそれぞれ流入する改質ガス２の流量を制御因子に用いて、各反応器１１ａ，１１ｂにそれぞれ流入する改質ガス２に供給する空気（酸素）３の量をそれぞれ設定するようにしたのである。
【００６５】
このため、このような一酸化炭素除去装置５０では、前述した第六番目の実施の形態の場合よりも、改質ガス２に供給する過剰な空気３の量をさらに正確に制御することができる。
【００６６】
したがって、前述した第六番目の実施の形態の場合よりも、各反応器１１ａ，１１ｂの受入口部分で供給する空気量をさらに正確に設定することができるので、全供給酸素量をさらに適切に設定することができる。
【００６７】
なお、前述した第三、五番目の実施の形態では、改質ガス２のＣＯ濃度や流量に基づいて、供給する空気３の量を設定したが、さらに、改質ガス２の酸素濃度にも基づいて上記空気３の量を設定するようにすれば、より正確な設定が可能となる。
【００６８】
前述した各実施の形態では、従来の反応器のＣＯ選択酸化反応機能を二分割して直列または並列に連結した第一反応器１１ａおよび第二反応器１１ｂを用いたが、例えば、三分割以上にわけて直列と並列とを混在させて連結することも可能である。
【００６９】
【発明の効果】
本発明による一酸化炭素除去装置では、一酸化炭素を含有するガスに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記ガスを前記酸化剤と共に内部に流通させて当該ガス中の一酸化炭素を酸化して除去する反応器とを備えてなる一酸化炭素除去装置において、前記反応器が直列に複数に分割連結され、分割された当該反応器ごとに前記酸化剤供給手段がそれぞれ設けられると共に、前記各反応器内に流入する前記ガスの流量と各ＣＯ濃度と各酸素濃度とに基づいて、前記各酸化剤供給手段からの前記酸化剤の量をそれぞれ調整する酸化剤量調整手段を設けたことから、前段の反応器でＣＯと酸素とがうまく混ざらず、その結果、選択酸化を受けずに前段の反応器をＣＯが漏れ通過してきても、後段の反応器に至るまでに酸素との混合作用を再度受け、後段の反応器で残存酸素との選択酸化が促進されるので、各反応器の受入口部分で供給する酸化剤の供給量を減らすことができ、全供給酸素量を抑えることができる。このため、当該一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用すれば、固体高分子電解質型燃料電池のアノード極部分に混入する酸素が低減されるようになるので、残留酸素と水素とのアノード極上での急激な酸化反応を防止し、当該アノード極の触媒活性の低下や異常昇温などの発生を大幅に抑えることができ、固体高分子電解質型燃料電池の発電能力の低下や電極接合体の損傷などを抑えることができる。また、ガスに供給する過剰な酸化剤の量をさらに適切に抑えることができるので、各反応器の受入口部分で供給する酸化剤量をさらに適切に設定することができ、全供給酸素量をさらに適切に抑えることができる。
【００７６】
また、本発明による一酸化炭素除去装置は、一酸化炭素を含有するガスに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記ガスを前記酸化剤と共に内部に流通させて当該ガス中の一酸化炭素を酸化して除去する反応器とを備えてなる一酸化炭素除去装置において、前記反応器が並列に複数に分割連結され、分割された当該反応器ごとに前記酸化剤供給手段がそれぞれ設けられると共に、前記各反応器内に流入する前記ガスの各流量および各ＣＯ濃度に基づいて、前記各酸化剤供給手段からの前記酸化剤の量をそれぞれ調整する酸化剤量調整手段を設けたことから、前段の反応器でＣＯと酸素とがうまく混ざらず、その結果、選択酸化を受けずに前段の反応器をＣＯが漏れ通過してきても、後段の反応器に至るまでに酸素との混合作用を再度受け、後段の反応器で残存酸素との選択酸化が促進されるので、各反応器の受入口部分で供給する酸化剤の供給量を減らすことができ、全供給酸素量を抑えることができる。このため、当該一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用すれば、固体高分子電解質型燃料電池のアノード極部分に混入する酸素が低減されるようになるので、残留酸素と水素とのアノード極上での急激な酸化反応を防止し、当該アノード極の触媒活性の低下や異常昇温などの発生を大幅に抑えることができ、固体高分子電解質型燃料電池の発電能力の低下や電極接合体の損傷などを抑えることができる。また、反応器のサイズをさらに小型化することができ、ＣＯと酸素とをさらに効果的に混合することができるので、各反応器の受入口部分で供給する酸化剤量をさらに減らすことができ、全供給酸素量をさらに抑えることができる。また、ガスに供給する過剰な酸化剤の量をより確実に抑えることができるので、各反応器の受入口部分で供給する酸化剤量をより正確に設定することができ、全供給酸素量をより正確に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第一番目の実施の形態の概略構成図である。
【図２】本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第二番目の実施の形態の概略構成図である。
【図３】本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第三番目の実施の形態の概略構成図である。
【図４】本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第四番目の実施の形態の概略構成図である。
【図５】本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第五番目の実施の形態の概略構成図である。
【図６】本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第六番目の実施の形態の概略構成図である。
【図７】本発明による一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の第七番目の実施の形態の概略構成図である。
【図８】従来の一酸化炭素除去装置を固体高分子電解質型燃料電池への燃料水素ガスの供給システムに適用した場合の一例の概略構成図である。
【図９】固体高分子電解質型燃料電池の発電原理の説明図である。
【図１０】燃料水素ガス中のＣＯ濃度と発電特性との関係（電流密度−単電池電圧特性）の一例を表すグラフである。
【図１１】Ｒｕ系選択酸化触媒における触媒温度と処理後の改質ガスのＣＯ濃度との関係の一例を表すグラフである。
【符号の説明】
１ メタノール水
２ 改質ガス
３ 空気（酸素）
１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０ 一酸化炭素除去装置
１１ａ 第一反応器
１１ｂ 第二反応器
１２ａ 第一注入器
１２ｂ 第二注入器
３３ａ 第一流量制御弁
３３ｂ 第二流量制御弁
３４ａ 第一流量センサ
３４ｂ 第二流量センサ
３６ 制御装置
５５ ガス流量センサ
５６ 制御装置
７５ａ 第一ガス流量センサ
７５ｂ 第二ガス流量センサ
７６ 制御装置
１０７ 固体高分子電解質型燃料電池
１０７ａ アノード極
１０７ｂ カソード極
Claims (2)
- 一酸化炭素を含有するガスに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
前記ガスを前記酸化剤と共に内部に流通させて当該ガス中の一酸化炭素を酸化して除去する反応器と を備えてなる一酸化炭素除去装置において、
前記反応器が直列に複数に分割連結され、分割された当該反応器ごとに前記酸化剤供給手段がそれぞれ設けられると共に、
前記各反応器内に流入する前記ガスの流量と各ＣＯ濃度と各酸素濃度とに基づいて、前記各酸化剤供給手段からの前記酸化剤の量をそれぞれ調整する酸化剤量調整手段を設けた
ことを特徴とする一酸化炭素除去装置。 - 一酸化炭素を含有するガスに酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
前記ガスを前記酸化剤と共に内部に流通させて当該ガス中の一酸化炭素を酸化して除去する反応器と を備えてなる一酸化炭素除去装置において、
前記反応器が並列に複数に分割連結され、分割された当該反応器ごとに前記酸化剤供給手段がそれぞれ設けられると共に、
前記各反応器内に流入する前記ガスの各流量および各ＣＯ濃度に基づいて、前記各酸化剤供給手段からの前記酸化剤の量をそれぞれ調整する酸化剤量調整手段を設けた ことを特徴とする一酸化炭素除去装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11241597A JP3905595B2 (ja) | 1997-04-30 | 1997-04-30 | 一酸化炭素除去装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11241597A JP3905595B2 (ja) | 1997-04-30 | 1997-04-30 | 一酸化炭素除去装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10302825A JPH10302825A (ja) | 1998-11-13 |
| JP3905595B2 true JP3905595B2 (ja) | 2007-04-18 |
Family
ID=14586082
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11241597A Expired - Fee Related JP3905595B2 (ja) | 1997-04-30 | 1997-04-30 | 一酸化炭素除去装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3905595B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001040376A (ja) * | 1999-07-28 | 2001-02-13 | Aisin Seiki Co Ltd | 一酸化炭素低減装置および改質装置および燃料電池システム |
-
1997
- 1997-04-30 JP JP11241597A patent/JP3905595B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10302825A (ja) | 1998-11-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8158289B2 (en) | Integrated high temperature PEM fuel cell system | |
| JPH0930802A (ja) | 一酸化炭素濃度低減装置及びメタノール濃度低減装置並びに燃料改質装置 | |
| US6896792B2 (en) | Method and device for improved catalytic activity in the purification of fluids | |
| JP4589925B2 (ja) | 燃料電池−イオンポンプ結合体、その使用方法及びそれを用いる基礎施設 | |
| WO1999016706A1 (fr) | Appareil et procede de reduction de la concentration du monoxyde de carbone, et catalyseur pour l'oxydation selective du monoxyde de carbone | |
| US7276305B2 (en) | Method of operating fuel cell | |
| KR20090003619A (ko) | 연료전지 가속 활성화 장치 및 방법 | |
| US20100221620A1 (en) | Fuel cell system and operation method thereof | |
| KR20120011598A (ko) | 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법 | |
| JP2007141744A (ja) | 燃料電池システム | |
| US20070154745A1 (en) | Purging a fuel cell system | |
| JP2009301868A (ja) | 燃料電池発電システムおよびその運転方法 | |
| JP4015225B2 (ja) | 一酸化炭素除去装置 | |
| JP4168511B2 (ja) | 一酸化炭素を含む水素ガス中の一酸化炭素濃度を低減する装置およびそれを用いた燃料電池発電システム | |
| JP3905595B2 (ja) | 一酸化炭素除去装置 | |
| US20100285379A1 (en) | Transitioning an electrochemical cell stack between a power producing mode and a pumping mode | |
| JP2009117120A (ja) | 水素製造発電システムの運転方法 | |
| JP4947338B2 (ja) | 独立型水素製造システム | |
| JPH097620A (ja) | 固体高分子型燃料電池発電装置 | |
| JP3685136B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
| JP2009117170A (ja) | 水素製造発電システム及びその負荷追従発電方法 | |
| JP2008146851A (ja) | 燃料電池発電装置の停止方法及び燃料電池発電装置 | |
| JPH08273690A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP3561659B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JPH06223856A (ja) | 燃料電池発電装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050307 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060704 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060830 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20061226 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070112 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110119 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110119 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120119 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130119 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140119 Year of fee payment: 7 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |