JP4013463B2 - Shift reaction catalyst - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シフト反応触媒に関し、詳しくは、一酸化炭素と水蒸気から、水素と二酸化炭素とを生成するシフト反応を促進するシフト反応触媒に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、このようなシフト反応触媒を備えるシフト部は、例えば、改質反応によって水素リッチガスを生成して、この水素リッチガスを燃料ガスとして燃料電池に供給する燃料改質装置において設けられてきた。燃料改質装置は、炭化水素系の燃料を改質して水素リッチガスを生成する装置であるが、改質反応によって生成される水素リッチガスは所定量の一酸化炭素を含有している。燃料電池に供給するガス中に一酸化炭素が含まれると、燃料電池が備える触媒が被毒して電池性能が低下するおそれがあるため、燃料改質装置では、さらにシフト部を設けて、燃料ガスとして燃料電池に供給するのに先立って、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減している。
【0003】
シフト反応触媒には、シフト反応を促進する活性が充分に高くなる温度がより高温である高温シフト触媒と、シフト反応を促進する活性が充分に高くなる温度がより低温である低温シフト触媒とが知られている。高温シフト触媒としては、鉄およびクロムを含有する触媒が知られており、低温シフト触媒としては、銅や亜鉛およびアルミナを含有する触媒が知られている(例えば、特開平2−174936号公報など)。このように、触媒の種類を適宜選択すると共に、異なる触媒を備える複数のシフト部を組み合わせることにより、シフト反応をより充分に進行させ、一酸化炭素濃度のより一層の低減が図られてきた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したようにシフト反応によって一酸化炭素濃度を低減した水素リッチガスを、燃料ガスとして燃料電池に供給する場合には、燃料電池に接続される負荷の大きさが変動するのに伴って、シフト部で進行するシフト反応に供される水素リッチガス量も変動するが、このような水素リッチガス量の変動時には、シフト反応の活性を充分に高く維持することができず、一酸化炭素濃度の低減が不十分となるおそれがあった。すなわち、シフト反応に供される水素リッチガス量が急激に増加した場合などは、シフト反応に要する水蒸気を、水素リッチガスの増加量に充分に追従して供給することができなくなり、水蒸気不足となってシフト反応が充分に進行しなくなる場合があった。
【0005】
シフト部における水蒸気不足を補うために、水を気化させて水蒸気を生成する水蒸気生成器をシフト部に併設し、シフト部で水蒸気が不足する場合には、この水蒸気生成器が生成した水蒸気によってシフト部で要する水蒸気を補う構成が考えられる。しかしながら、加熱などの方法によって水を気化させるのには所定の時間を要するため、上記燃料電池の負荷が変動してシフト部において水蒸気不足が生じるときに、充分な応答性でこの負荷変動に対応し、所望量の水蒸気を直ちにシフト部に供給し、シフト反応の活性を充分に確保することは困難であった。
【0006】
本発明のシフト反応触媒は、こうした問題を解決し、シフト反応に供される水蒸気が不足してシフト反応の活性が低下するのを防止することを目的としてなされ、次の構成を採った。
【0007】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明のシフト反応触媒は、一酸化炭素と水蒸気とから水素と二酸化炭素とを生成するシフト反応を促進するシフト反応触媒であって、
前記シフト反応を促進する活性を有する触媒金属と、
水蒸気を吸着可能な水蒸気吸着性物質とを備え、
前記水蒸気吸着性物質は、所定の条件下において、周囲との間で水蒸気のやり取りを実質的に行なわない平衡状態と、周囲の水蒸気分圧が前記平衡状態における周囲の水蒸気分圧よりも高いときに水蒸気を吸着する吸着状態と、周囲の水蒸気分圧が前記平衡状態における周囲の水蒸気分圧よりも低いときに水蒸気を放出する放出状態とをとることを要旨とする。
【0008】
以上のように構成された本発明のシフト反応触媒は、シフト反応を促進する活性を有する触媒金属と、水蒸気を吸着可能な水蒸気吸着性物質とを備え、一酸化炭素と水蒸気とから水素と二酸化炭素とを生成するシフト反応を促進する。ここで、シフト反応触媒が備える水蒸気吸着性物質は、所定の条件下において、周囲との間で水蒸気のやり取りを実質的に行なわない平衡状態と、周囲の水蒸気分圧が前記平衡状態における周囲の水蒸気分圧よりも高いときに水蒸気を吸着する吸着状態と、周囲の水蒸気分圧が前記平衡状態における周囲の水蒸気分圧よりも低いときに水蒸気を放出する放出状態とをとる。
【0009】
このようなシフト反応触媒によれば、シフト反応に供されるガス中の水蒸気分圧が、同様の所定の条件下で水蒸気吸着性物質が平衡状態となるときの周囲の水蒸気分圧よりも低いときには、水蒸気吸着性物質は水蒸気を放出し、この水蒸気を利用して前記シフト反応を進行させることが可能となる。したがって、シフト反応に供される水蒸気量が不足する場合に、水蒸気の不足に起因してシフト反応の活性が低下してしまうのを抑えることができる。これにより、シフト反応の活性を充分に高く維持することが可能となる。
【0012】
本発明のシフト反応触媒において、
前記触媒金属を備える触媒層と、
前記触媒層上の少なくとも一部の領域に設けられ、前記水蒸気吸着性物質を備える水蒸気吸着部と
を備えることとしてもよい。
【0013】
このような構成とすれば、水蒸気吸着部は触媒層上に設けられるため、シフト反応に供されるガス中の水蒸気分圧の低下に対して、高い応答性で反応して上記水蒸気吸着性物質から水蒸気を放出することができ、シフト反応に要する水蒸気を補うことができる。
【0014】
上記シフト反応触媒において、前記水蒸気吸着部は、前記触媒層上に分散した状態で存在することとしてもよい。このような構成とすれば、シフト反応に供されるガス中の一酸化炭素および水蒸気は、水蒸気吸着部に妨げられることなく触媒金属上に容易に到達することができる。
【0015】
また、上記シフト反応触媒において、前記水蒸気吸着部は、多孔質に形成されることとしてもよい。このような構成とすれば、シフト反応に供されるガス中の一酸化炭素および水蒸気は、多孔質に形成された水蒸気吸着部内を容易に拡散することができるため、水蒸気吸着部を設けることに起因して触媒金属に対する一酸化炭素および水蒸気の供給が妨げられてしまうのを抑えることができる。
【0018】
また、本発明のシフト反応触媒において、前記水蒸気吸着性物質は、ゼオライトであることとしてもよい。ゼオライトは、アルミニウムとケイ素と酸素原子が形成する三次元網目構造の空孔内に水蒸気(水分子)を吸着して、結晶水として保持することができ、周囲のガスの圧力や、ガス中の水蒸気分圧、あるいは温度などに応じて、水蒸気を吸着したり放出したりする。ゼオライトが水蒸気を吸着する吸着力は、一般的な物理吸着に比べて強く、効果的に水蒸気を保持することができると共に、シフト反応が進行する所定の高温下では、水蒸気分圧の低下と共に応答性良く水蒸気を放出することができる。
【0019】
本発明の一酸化炭素濃度低減方法は、一酸化炭素を含有するガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素濃度低減方法であって、
(a)一酸化炭素と水蒸気とから水素と二酸化炭素とを生じるシフト反応を促進するシフト反応触媒を用い、該シフト反応触媒上に供給される水蒸気と、該シフト反応触媒上に供給される前記ガス中の一酸化炭素との間で前記シフト反応を進行させることによって、前記一酸化炭素濃度を低減する工程を備え、
前記シフト反応触媒は、前記シフト反応を促進する活性を有する触媒金属を備える触媒層と、該触媒層上の少なくとも一部の領域に設けられると共に水蒸気を吸着可能な水蒸気吸着性物質と、を備えており、
前記水蒸気吸着性物質は、前記(a)工程において、周囲との間で水蒸気のやり取りを実質的に行なわない平衡状態と、周囲の水蒸気を吸着する吸着状態と、周囲の水蒸気分圧の低下に伴って水蒸気を放出して前記シフト反応に供する放出状態とのうちのいずれかの状態をとることを要旨とする。
【0020】
このような本発明の一酸化炭素濃度低減方法によれば、周囲の水蒸気分圧の低下に伴って水蒸気吸着性物質が水蒸気を放出し、シフト反応に要する水蒸気を補うことが可能となる。したがって、水蒸気不足に起因してシフト反応の活性が低下してしまうのを抑えることができる。ここで、上記シフト反応触媒上に供給される水蒸気は、上記一酸化炭素を含有するガスに予め含まれるものであってもよく、上記ガスとは別個に、上記シフト反応触媒上に供給されるものであってもよい。また、水蒸気吸着部は触媒層上に設けられるため、シフト反応に供されるガス中の水蒸気分圧の低下に対して、高い応答性で反応して上記水蒸気吸着性物質から水蒸気を放出することができ、シフト反応に要する水蒸気を補うことができる。
【0021】
このような本発明の一酸化炭素濃度低減方法において、前記水蒸気吸着性物質は、ゼオライトであることとしてもよい。
【0022】
本発明の一酸化炭素濃度低減装置は、一酸化炭素を含有するガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素濃度低減装置であって、
一酸化炭素と水蒸気とから水素と二酸化炭素とを生じるシフト反応を促進するシフト反応触媒を備えるシフト部と、
一酸化炭素を含有するガスと水蒸気とを、前記シフト反応触媒上で進行する前記シフト反応に供するように、前記シフト部に供給する供給手段とを備え、
前記シフト反応触媒は、請求項1ないし4いずれか記載のシフト反応触媒であることを要旨とする。
【0023】
以上のように構成された本発明の一酸化炭素濃度低減装置は、一酸化炭素を含有するガスと水蒸気とを前記シフト部に供給すると、シフト部において、一酸化炭素と水蒸気とから水素と二酸化炭素とを生じるシフト反応が進行する。ここで、シフト部が備えるシフト反応触媒は、本発明のシフト反応触媒であって、シフト反応触媒が備える水蒸気吸着性物質の周囲の水蒸気分圧が、上記平衡状態に対応する水蒸気分圧よりも低くなったときには、水蒸気吸着性物質は吸着した水蒸気を放出する。
【0024】
このような本発明の一酸化炭素濃度低減装置によれば、シフト部に供給されるガス中の水蒸気分圧が、上記平衡状態に対応する水蒸気分圧よりも低くなったときには、水蒸気吸着性物質が放出した水蒸気を利用して、前記シフト反応を進行させることが可能となる。したがって、供給手段からシフト部に供給される水蒸気量が不足する場合に、水蒸気の不足に起因してシフト反応の活性が低下してしまうのを抑えることができる。これにより、シフト反応の活性を充分に高く維持して、上記ガス中の一酸化炭素濃度を低減する性能が低下するのを抑えることができる。ここで、上記供給手段によってシフト反応に供される上記水蒸気は、一酸化炭素を含有するガスに予め含まれることとしてもよいし、上記ガスとは別個にシフト反応に供されることとしてもよい。
【0025】
本発明の燃料電池装置は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスの供給を受けて、電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備える燃料電池装置であって、
炭化水素系の燃料を改質して水素リッチガスを生成する改質器と、
一酸化炭素と水蒸気とから水素と二酸化炭素とを生じるシフト反応を促進するシフト反応触媒を備え、前記改質器から前記水素リッチガスの供給を受けて、前記水素リッチガスが含有する一酸化炭素と、前記シフト反応触媒上に供給された水蒸気との間で前記シフト反応を進行させて、前記水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減するシフト部と、
前記シフト部において一酸化炭素濃度が低減された前記水素リッチガスを、前記燃料ガスとして前記燃料電池に供給する供給手段とを備え、
前記シフト反応触媒は、請求項1ないし4いずれか記載のシフト反応触媒であることを要旨とする。
【0026】
以上のように構成された本発明の燃料電池装置は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスの供給を受けて、電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備えている。また、改質器において炭化水素系の燃料を改質して水素リッチガスを生成し、一酸化炭素と水蒸気とから水素と二酸化炭素とを生じるシフト反応を促進するシフト反応触媒を備えるシフト部において、上記水素リッチガスの供給を受けて、前記水素リッチガスが含有する一酸化炭素と、前記シフト反応触媒上に供給された水蒸気との間で前記シフト反応を進行させて、前記水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減する。上記燃料電池は、上記一酸化炭素濃度が低減された前記水素リッチガスを、前記燃料ガスとして供給される。ここで、シフト部が備えるシフト反応触媒は、本発明のシフト反応触媒であって、シフト反応触媒が備える水蒸気吸着性物質の周囲の水蒸気分圧が、上記平衡状態に対応する水蒸気分圧よりも低くなったときには、水蒸気吸着性物質は吸着した水蒸気を放出する。
【0027】
このような本発明の燃料電池装置によれば、シフト部に供給されるガス中の水蒸気分圧が、上記平衡状態に対応する水蒸気分圧よりも低くなったときには、水蒸気吸着性物質が放出した水蒸気を利用して、前記シフト反応を進行させることが可能となる。したがって、シフト部に供給される水蒸気量が不足する場合に、水蒸気の不足に起因してシフト反応の活性が低下してしまうのを抑えることができる。特に、燃料電池装置においては、燃料電池に接続される負荷の大きさが変動するときには、改質器で生成されてシフト部に供給される水素リッチガス量、および、シフト部におけるシフト反応に供される水蒸気量が増減されるが、水蒸気量の増減が充分に負荷変動に追従できずに、シフト部においてシフト部に供される水蒸気が不足するおそれがある。本発明の燃料電池装置によれば、水蒸気が不足する場合には、シフト触媒が備える水蒸気吸着性物質から水蒸気を補うことが可能となり、燃料電池の負荷変動時にも、シフト反応の活性を充分に維持して水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減する性能を確保することが可能となる。
【0028】
【発明の実施の形態】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、本発明の実施の形態を、実施例に基づいて以下の順序で説明する。
1.燃料電池装置10の全体構成
2.シフト部20が備えるシフト触媒
3.シフト触媒についての実施例
【0029】
(1)燃料電池装置10の全体構成:
図1は、本発明に関連する燃料電池装置10の構成の概略を表わすブロック図である。燃料電池装置10は、ガソリンを貯蔵するガソリンタンク30、水を貯蔵する水タンク32、ガソリン中の硫黄分を除去する脱硫器33、加熱部50を備える蒸発器34、改質反応により水素リッチガスを生成する改質器36、水素リッチガス中の一酸化炭素(CO)濃度をシフト反応により低減するシフト部20、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を酸化反応により低減するCO選択酸化部38、電気化学反応により起電力を得る燃料電池40、空気を圧縮して燃料電池40に供給するブロワ42、コンピュータにより構成される制御部60を主な構成要素とする。燃料電池装置10は、シフト部20が備えるシフト触媒の構成に特徴があるが、まず、図1に基づいて燃料電池装置10の全体構成について説明する。
【0030】
ガソリンタンク30に貯蔵されるガソリンは、脱硫器33および加熱部50に供給される。ガソリンタンク30と脱硫器33とを接続する燃料流路70にはポンプ57が設けられており、上記燃料流路70から分岐して加熱部50に通じる分岐路71にはポンプ56が設けられている。ポンプ56,57は、制御部60に接続されており、制御部60から出力される信号によって駆動され、脱硫器33および加熱部50に供給されるガソリン量を制御する。
【0031】
脱硫器33は、供給されたガソリン中に含まれる硫黄分を、吸着によって除去する。硫黄分は、改質器36が備える改質触媒の活性を低下させて改質反応を阻害してしまうため、燃料電池装置10においては、改質器36に先だって脱硫器33を設けて硫黄分の除去を行なう。脱硫器33で硫黄分が除去されたガソリンは、燃料流路73を介して蒸発器34に供給される。
【0032】
また、上記燃料流路73には、水タンク32から供給される水が通過する流路である水流路72が接続している。水流路72を通過する水は、この接続部において、燃料流路73を通過するガソリンに混合されて、ガソリンと共に蒸発器34に供給される。水流路72にはポンプ58が設けられている。このポンプ58は、制御部60に接続されており、制御部60から出力される信号によって駆動され、水流路72を介して蒸発器34に供給する水量を調節する。
【0033】
蒸発器34は、硫黄分が除去されたガソリンと水タンク32から供給される水とを気化させる装置であり、上記したようにガソリンと水の供給を受けて、水蒸気とガソリンガスからなる混合気体と成し、これを所定の温度に昇温して排出する。蒸発器34から排出された上記混合気体は、燃料ガス流路74を介して改質器36に供給される。蒸発器34には、水およびガソリンを気化させるための熱源として加熱部50が併設されている。加熱部50は、ガソリンタンク30から供給されるガソリンや、後述する燃料電池から排出される燃料排ガスの供給を受ける。また、加熱部50は、ブロワ52から圧縮空気の供給を受ける。加熱部50は、その内部に燃焼触媒を備えており、上記ガソリンや燃料排ガス、および空気を用いて燃焼反応を行ない、所望の熱を発生して、発生した熱を伝熱によって蒸発器34に供給する。加熱部50に供給される上記ガソリンや燃料排ガスの量を制御することによって加熱部50で生じ熱量が調節されており、これによって、蒸発器34では、改質器36における反応温度に応じた温度にまで上記混合気体を昇温する。
【0034】
改質器36は、内部に改質触媒を備えており、供給された上記混合気体を改質して、水素リッチな燃料ガスを生成する。改質触媒としては、白金、パラジウム、ロジウムなどの貴金属、あるいはこれらの合金を用いることができる。なお、改質器36では、水素リッチガスを生成する際に、水蒸気改質反応に加えて、水素の生成を伴う部分酸化反応も同時に進行する。部分酸化反応は、発熱反応であるため、水蒸気改質反応が進行する際には、上記混合気体が蒸発器34から持ち込んだ熱に加えて、部分酸化反応で生じた熱も利用される。この部分酸化反応に必要な酸素を供給するために、改質器36には外部から空気を供給するブロワ53が併設されている。ブロワ53は、制御部60に接続しており、制御部60によってその駆動状態が制御される。
【0035】
上記したように、燃料電池装置10では、改質器36に空気を供給し、酸化反応で生じる熱によって水蒸気改質反応で要する熱を賄うこととしたが、改質器36では酸化反応を行なわず、水蒸気改質反応のみによって水素を生成することとしても良い。あるいは、水素を生成する効率が高い水蒸気改質反応を、部分酸化反応に比べてより多く進行させることとしても良い。このような構成とする場合には、水蒸気改質反応で要する熱を供給するために、改質器36にヒータなどの加熱装置を設ければよい。
【0036】
改質器36で生成された水素リッチガスな燃料ガスは、ガス流路75を介してシフト部20に供給される。シフト部20は、供給された水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減する装置である。改質器36において上記混合気体から改質反応によって生成される水素リッチガスは、所定量(10%程度)の一酸化炭素を含んでいるが、シフト部20においてこの水素リッチガス中の一酸化炭素濃度が低減される。
【0037】
シフト部20は、一酸化炭素と水とを反応させて水素と二酸化炭素とを生じるシフト反応を進行させることによって、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減する装置であり、シフト反応を促進する触媒を備えている。このようなシフト反応を促進する触媒(触媒金属)としては、銅系触媒などの低温触媒や、鉄系触媒などの高温触媒等が知られている。シフト部20は、いずれのシフト触媒を備えることとしてもよく、これら低温触媒と高温触媒とを組み合わせることによって、より充分に一酸化炭素濃度を低減する構成としても良い。シフト部20が備えるシフト触媒の種類は、改質器から排出される水素リッチガス中の一酸化炭素濃度や、燃料電池40が要求する燃料ガス中の一酸化炭素濃度の限界などに応じて、適宜選択すればよい。シフト部20は、Cu−Zn触媒を備えることとした。以下に、(1)式として、上記シフト触媒によって促進させるシフト反応を表わす式を示す。
【0038】
CO+H2O → CO2+H2+40.5(kJ/mol) …(1)
【0039】
なお、図1では記載を省略したが、改質器36とシフト部20との間には、熱交換器を設けることとしても良い。改質器36は、通常はその内部温度が600℃以上となるように制御されてガソリンの改質反応を進行するが、シフト部20で進行するシフト反応は、既述した触媒のもとでは200℃〜400℃の温度範囲において良好に進行する。したがって、改質器36とシフト部20との間に熱交換器を設け、改質器36から排出された水素リッチガスの温度を充分に降温させた後にシフト部34に供給することで、非所望の高温のガスがシフト部20に供給されるのを防ぐことができる。
【0040】
また、シフト反応は、(1)式に示したように発熱反応であるため、シフト部20の内部に冷却手段を設けて、シフト部34内の温度を望ましい温度範囲に調節する構成としてもよい。シフト部20で一酸化炭素濃度が低減された水素リッチガスは、流路76を介してCO選択酸化部38に供給される。
【0041】
CO選択酸化部38は、シフト部20から供給された水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を、さらに低減するための装置である。すなわち、シフト部20では、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度は数%程度まで低減されるが、CO選択酸化部38では、一酸化炭素濃度を数ppm程度にまで低減する。CO選択酸化部38で進行する反応は、水素リッチガスに豊富に含まれる水素に優先して、一酸化炭素を酸化する一酸化炭素選択酸化反応である。CO選択酸化部38には、一酸化炭素の選択酸化触媒である白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、あるいはこれらを第1元素とした合金触媒を担持した担体が充填されている。このような一酸化炭素選択酸化触媒のもとでは、反応温度を100℃〜200℃に保つことで、一酸化炭素選択酸化反応は良好に進行する。
【0042】
なお、CO選択酸化部38で進行する一酸化炭素選択酸化反応で要する酸素を供給するために、CO選択酸化部38には、ブロワ54が併設されている。ブロワ54は、外部から空気を取り込んでこれを圧縮し、CO選択酸化部38に供給する。ブロワ58は制御部60に接続しており、CO選択酸化部38に供給される空気(酸素)量は、制御部60によって調節される。なお、CO選択酸化部38で進行する一酸化炭素選択酸化反応は発熱反応である。したがって、CO選択酸化部38は、内部温度(触媒温度)を上記した望ましい反応温度に保つために、内部に冷却手段を備えている。
【0043】
CO選択酸化部38で上記のように一酸化炭素濃度が下げられた水素リッチガスは、燃料ガス流路78によって燃料電池40に導かれ、燃料ガスとしてアノード側における電池反応に供される。燃料電池40で電池反応に供された後の燃料排ガスは、既述したように燃料排出路79に排出されて加熱部50に導かれ、この燃料排ガス中に残っている水素が燃焼のための燃料として消費される。一方、燃料電池40のカソード側における電池反応に関わる酸化ガスは、制御部60から駆動信号を出力されるブロワ42によって、酸化ガス流路43を介して圧縮空気として供給される。電池反応に用いられた残りの酸化排ガスは、外部に排出される。
【0044】
燃料電池40は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、電解質膜、アノード、カソード、およびセパレータとを備える単セルを複数積層して構成されている。電解質膜は、例えばフッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノードおよびカソードは、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されている。また、電解質膜と、アノードあるいはカソードとの間には、電気化学反応を促進する触媒を備える触媒層が設けられている。このような触媒としては、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金が用いられる。セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、耐食性に優れた金属など、ガス不透過性を有する導電性部材により形成されている。また、このセパレータは、上記アノードおよびカソードとの間に、燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成する。燃料電池40は、燃料ガスとしての水素リッチガスと酸化ガスとしての圧縮空気とを上記流路に供給されて、電気化学反応を進行することで起電力を発生する。燃料電池40が発生した電力は、燃料電池40に接続される所定の負荷に供給される。以下に、燃料電池40で進行する電気化学反応を示す。(2)式はアノード側における反応、(3)式はカソード側における反応を示し、電池全体では(4)式に示す反応が進行する。
【0045】
H2 → 2H++2e- …(2)
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(3)
H2+(1/2)O2 → H2O …(4)
【0046】
制御部60は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するCPU64と、CPU64で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたROM66と、同じくCPU64で各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるRAM68と、燃料電池装置10が備える各種センサからの検出信号や、燃料電池に接続された負荷に関わる情報などを入力すると共に、CPU64での演算結果に応じて既述した各ブロワやポンプなどに駆動信号を出力する入出力ポート62等を備える。制御部60は、このように各種の信号を入出力することによって、燃料電池装置10全体の運転状態を制御する。
【0047】
(2)シフト部20が備えるシフト触媒:
燃料電池装置10は、シフト部20が備えるシフト触媒が、既述した触媒金属に加えて、水蒸気を吸着することができる物質であるゼオライトをさらに備えることを特徴としている。ゼオライトは、アルミニウムとケイ素と酸素原子が形成する三次元網目構造の空孔に、アルカリ金属とアルカリ土類金属と水分子とが入った構造を有している。ゼオライト中に含まれる水(結晶水)はゼオライト水と呼ばれ、周囲の水蒸気分圧を低下させることなどにより立体網目構造からこの水分子を取り出し(脱水し)ても、ゼオライトの立体網目構造は維持されて、水分子が存在した空孔はそのまま残り、この空孔に水分子を再び強力に吸着する(復水する)ことができる。
【0048】
図2は、シフト部20が備えるシフト触媒の製造工程を表わす説明図である。シフト部20が備えるシフト触媒は、触媒金属および上記ゼオライトを、ハニカム上に担持して成る。シフト触媒を製造する際には、まず、触媒金属の調製を行なう(ステップS100)。シフト部20は、既述したようにシフト触媒としてCu−Zn触媒を備えているが、ステップS100では、このCu−Zn触媒を、銅と酸化亜鉛とを用いて周知の共沈法によって調製した。
【0049】
次に、この触媒金属とゼオライト粉末とを混合する(ステップS110)。すなわち、上記ステップS100で調製したCu−Zn触媒を粉砕して触媒粉末と成し、この触媒粉末とゼオライト粉末とを混合する。その後、この混合した粉末に、アルミナスラリなどのバインダを加え(ステップS120)、これをハニカム上に塗布することでハニカムをコートし(ステップS130)、乾燥・焼成を行なって(ステップS140)、シフト触媒を完成する。なお、シフト触媒を製造する際に用いるハニカムは、メタルハニカムやセラミックハニカムなど、触媒担体として使用可能なものであればよい。
【0050】
以上のように構成された燃料電池装置10によれば、シフト触媒がゼオライトを備えているため、シフト部20に供給された水素リッチガス中の水蒸気量が多いときには、上記ゼオライトによって水素リッチガス中の水蒸気を吸着し、水素リッチガス中の水蒸気量が少ないときには、ゼオライトが結晶水として保持していた水分子を放出する。したがって、シフト部20に供給される水素リッチガス中の水蒸気量が一時的に少なくなり、シフト反応を進行する上で水蒸気量が不十分となる場合にも、ゼオライトが結晶水として保持する水分子を放出してシフト反応に要する水蒸気を補い、シフト反応を良好に進行することが可能となるという効果を得ることができる。
【0051】
燃料電池装置10では、シフト部20で進行するシフト反応で要する水は、改質器36で進行する水蒸気改質反応で要する水と共に、蒸発器34を介して供給される。このとき、水蒸気改質反応およびシフト反応のために蒸発器34を介して供給される水の量は、改質器36で進行する水蒸気改質反応の効率(水蒸気量を多くした方が水蒸気改質反応は進行し易い)や、蒸発器34で水を気化させるためにエネルギを消費することで装置全体のエネルギ効率が低下してしまう程度(蒸発器34で気化させる水の量を増やすほど燃料電池装置10のエネルギ効率は低下する)などを考慮しつつ、燃料電池40に接続される負荷の大きさに応じて(負荷が大きくなるほど生成すべき水素リッチガス量は増えるため、改質反応に供すべきガソリン量および水蒸気量も増える)適宜調節される。
【0052】
このように、蒸発器34を介して供給する水蒸気量を負荷の変動に応じて制御しているときに、所望の水蒸気量が急激に増える場合などには、充分な応答性で供給する水蒸気量を増加させることができず、シフト部20において一時的に水蒸気量が不足してしまうおそれがある。このような場合にも、シフト部20では、シフト触媒が備えるゼオライトから、シフト反応で要する水を補うことができ、水が不足することでシフト反応の活性が低下してしまうのを防止することができる。シフト反応の活性を充分に確保できることにより、充分に一酸化炭素濃度を低減した水素リッチガスをCO選択酸化部38側に供給する動作を安定して行なうことができ、燃料電池40の性能をより充分に確保することができる。
【0053】
また、図1に示した燃料電池装置10では、上記したように、シフト反応で要する水は水蒸気改質反応で要する水と共に、蒸発器34を介して供給されることとしたが、蒸発器34と同様の水蒸気生成器をシフト部20に併設し、この水蒸気生成器によってシフト部20に水蒸気を供給することとしてもよい。このような構成においても、シフト触媒がゼオライトを備えることによる上記効果を充分に得ることができる。
【0054】
このようにシフト部20に水蒸気生成器を併設する構成とすれば、水蒸気改質反応に要する水蒸気量とは独立して、シフト反応に要する水蒸気量を調節することができ、シフト部20でシフト反応を進行する際に水蒸気量が不足する場合には、上記水蒸気生成器によって必要な水蒸気をシフト部20に供給することができる。しかしながら、加熱によって水を気化させるような水蒸気生成器は、所望量の水蒸気を生成するための応答性が必ずしも充分ではない。例えば燃料電池40に接続される負荷が急激に大きくなり、これに伴って改質器36で生成される水素リッチガス量が急激に多くなったときなど、シフト部20に供給すべき水蒸気量が増加した場合にも、水を気化する量を増やしてシフト部20に実際に供給される水蒸気量が充分に増えるまでには所定の時間を要し、シフト部20において一時的に水蒸気量が不足する場合が考えられる。このような場合にも、上記シフト触媒を適用することにより、シフト触媒が備えるゼオライトからシフト反応で要する水を補うことが可能となり、水が不足することでシフト反応の活性が低下してしまうのを防止することができる。
【0055】
なお、ゼオライトが結晶水を取り込んだり放出したりする動作は、周囲のガス圧や水蒸気分圧や温度に依存する。また、ゼオライトが結晶水を取り込む際には発熱が起こり、結晶水を放出する際には吸熱する。シフト部20内は、既述したようにシフト反応に適した所定の温度に保たれており、また、シフト反応は発熱反応であるため、シフト部に供給される水素リッチガス中の水蒸気分圧が低下したときには、すなわちシフト触媒が備えるゼオライト周辺の水蒸気分圧が低下したときには、ゼオライトからは容易に結晶水が放出される。
【0056】
シフト部20が備えるシフト触媒は、粉末状の触媒金属とゼオライトとを混合することによって形成されているため、触媒金属とゼオライトとは微視的にも互いに近くに位置している。したがって、ゼオライトから放出された水は速やかに触媒金属上に供給され、触媒金属の周囲の水蒸気分圧を常に充分に高く保つことができ、効率よくシフト反応を進行させることができる。このように、触媒金属の周囲の水蒸気分圧を常に充分に保って、シフト反応の活性を高く維持することができることによって、シフト部20をより小型化することが可能となる。
【0057】
なお、シフト部20では、シフト触媒が備える触媒金属としてCu−Zn触媒を用いることとしたが、既述したように他種の触媒金属を用いることとしても良い。いずれの触媒金属を用いてシフト反応を促進する場合にも、触媒金属とゼオライトとを共存させることにより、シフト反応を進行する際に水蒸気が不足するのを防止して、上記構成と同様の効果を得ることができる。
【0058】
また、上記シフト部20では、触媒金属を担持する担体としてハニカムを用いたが、異なる形状の担体を用いることとしても良い。水蒸気吸着性物質であるゼオライトが放出した結晶水が触媒金属上に速やかに供給されるよう、触媒金属とゼオライトとが互いに充分に近くに存在するように、両者を保持することができれば良い。
【0059】
(3)シフト触媒についての実施例:
上記シフト部20では、触媒金属の粉末とゼオライト粉末とを混合してシフト触媒を形成することとしたが、異なる構成とすることもできる。以下に、触媒金属層とゼオライト層とを別個に形成したシフト触媒に関わる実施例を示す。
【0060】
図3は、実施例のシフト触媒の様子を表わす説明図、図4は、実施例のシフト触媒の製造工程を表わす工程図である。実施例のシフト触媒は、既述した構成と同様の燃料電池装置10に設けられたシフト部20に備えられており、所定の担体上に形成された触媒金属層と、さらにその上に形成されたゼオライト層とからなっている。ここで、シフト触媒を担持する担体としては、既述した構成と同様にハニカムを用いることとしたが、異なる形状の担体を用いても良い。また、実施例のシフト触媒も、既述したシフト触媒と同様に、触媒金属としてCu−Zn触媒を備えることとしたが、種々の触媒金属を選択可能である。このようなシフト触媒を備えるシフト部20に対して改質器36から水蒸気を含有する水素リッチガスが供給されると、この水素リッチガスは、シフト触媒の表面であるゼオライト層上を通過しつつゼオライト層内に拡散し、ゼオライト層の下に設けられた触媒金属層に到達してシフト反応に供される。
【0061】
このような実施例のシフト触媒の製造方法を図4に基づいて説明する。まず、触媒金属であるCu−Zn触媒を調製する(ステップS200)。この工程は、図2に示したシフト触媒の製造工程におけるステップS100と同様の工程である。次に、ステップS200で調製したCu−Zn触媒を粉砕したものをアルミナスラリなどのバインダと混合し(ステップS210)、これを上記担体表面に塗布して触媒金属層を形成する(ステップS220)。
【0062】
次に、ゼオライト粉末とウレタン粉末とバインダとを混合し(ステップS230)、これを上記ステップS220で形成した触媒金属層上に塗布してゼオライト層を形成する(ステップS240)。担体上に触媒金属層とゼオライト層とを形成すると、これを乾燥・焼成して(ステップS250)、シフト触媒を完成する。
【0063】
ここで、乾燥は、150℃で1時間、焼成は、500℃で1時間行なった。本実施例では、ゼオライト層を形成する際にゼオライト粉末と共にウレタン粉末を混合したが、このウレタン粉末は上記焼成の工程において熱溶融することでゼオライト層から除去される。したがって、完成したシフト触媒が備えるゼオライト層は、焼成前にウレタン粉末が存在した場所に空隙が形成された多孔質体となる。
【0064】
以上のように構成された実施例のシフト触媒によれば、触媒金属と共にゼオライトを備えているため、既述した構成と同様に、シフト部20に供給されるガス中の水蒸気分圧が低いときには、ゼオライトから放出される結晶水を利用してシフト反応を進行することが可能となり、水蒸気量が不足することに起因してシフト反応の活性が低下してしまうのを防止することができる。また、触媒金属層上に接してゼオライト層が形成されているため、ゼオライトが放出した結晶水は直ちに触媒金属に供され、シフト反応の活性を維持する効果を充分に得ることが可能となる。
【0065】
さらに、本実施例のシフト触媒は、シフト部20が備えるハニカム表面を通過するガスと接する表面にゼオライト層を形成しているため、シフト部20内を通過するガスにおける水蒸気分圧に応じて、ゼオライトは速やかに水蒸気の吸着あるいは放出を行なう。したがって、シフト部20内を通過するガスにおける水蒸気分圧が低下するときには、高い応答性で結晶水を放出して、シフト反応に要する水を補うことができる。また、本実施例のシフト触媒は、その表面に設けられたゼオライト層が多孔質体として(気孔率が大きく)形成されているため、ゼオライト層内を容易にガスが拡散することができる。したがって、触媒金属上で進行するシフト反応に充分量のガスを供することができると共に、シフト反応で生じた水素および二酸化炭素を速やかに触媒表面から除去することができ、シフト反応の活性を充分に高く維持することができる。
【0066】
なお、本実施例では、ゼオライト層を多孔質体にするために、ゼオライト層を形成する際にゼオライト粉末に混合する物質としてウレタン樹脂を用いたが、異なる物質を用いることとしても良い。フェノール樹脂など他種の樹脂を用いることとしてもよく、ウレタン樹脂のように、所定の高温下で溶融してゼオライト層から除去することができる物質を用いることとすれば、多孔質のゼオライト層を容易に形成することができる。
【0067】
上記実施例では、ゼオライト層は、触媒金属層上を覆うように形成することとしたが、必ずしも触媒金属層全体を覆う必要はなく、触媒金属層上に充分量のゼオライトが存在すれば、同様の効果を得ることができる。図5は、実施例の変形例としてのシフト触媒の構成を表わす説明図である。
【0068】
図5に示したシフト触媒では、実施例と同様に担体上に触媒金属層が形成されているが、シフト触媒が備えるゼオライトは、層を成して触媒金属層を覆うのではなく、触媒金属層上に島状に分散して存在する。このようなシフト触媒を製造するには、まず、図4に示した実施例のシフト触媒の製造工程のステップS200〜ステップS220と同様の工程によって、担体上に触媒金属層を形成する。次に、ステップS230に代えて、ゼオライト粉末とアルミナスラリなどのバインダとを混合する工程を行なうが、このとき、水または有機系の液体等の液体を用いて充分にスラリを希釈し、混合したスラリ中におけるゼオライト粉末およびバインダの濃度を充分に低くする。このようにして得たスラリを、担体上に形成した触媒金属層上に塗布して乾燥させれば、図5に示したように、触媒金属層上にゼオライトが島状に分散して存在するシフト触媒を製造することができる。ここで、バインダと混合した触媒金属を担体上に塗布してなる触媒金属層の表面が、凹凸を有している場合には、図5に示した様に、ゼオライトは主に凹部に保持される。また、触媒金属層上にゼオライトが分散する密度は、バインダとゼオライトとを混合してなる上記スラリの濃度と、触媒金属層上に塗布する上記スラリの量とによって、所望の状態に調節できる。
【0069】
このような図5に示した実施例の変形例としてのシフト触媒によれば、既述した実施例と同様に、触媒金属に隣接して水蒸気吸着性物質であるゼオライトが存在するため、水蒸気不足に起因してシフト反応の活性が低下してしまうのを防止する効果を得ることができる。また、ゼオライトが触媒金属層上に分散して存在することにより、シフト反応に供される一酸化炭素および水蒸気は、より容易に触媒金属上に到達することができると共に、シフト反応によって生成された水素および二酸化炭素も、より容易に触媒金属上から水素リッチガス中に拡散することができる。
【0070】
図6は、参考例としてのシフト触媒の構成を表わす説明図である。参考例のシフト触媒は、実施例のシフト触媒とは逆に、担体上に形成したゼオライト層上に触媒金属層を備えている。このようなシフト触媒を製造するには、まず、ゼオライト粉末とバインダとを混合したものを担体上に塗布してゼオライト層を形成し、その後、既述した実施例と同様に調製した触媒金属の粉末とバインダとを混合したものを、このゼオライト層上に塗布して触媒金属層を形成すればよい。
【0071】
このような参考例のシフト触媒も、既述した実施例のシフト触媒と同様に、触媒金属に隣接して水蒸気吸着性物質であるゼオライトが存在するため、水蒸気不足に起因してシフト反応の活性が低下してしまうのを防止する効果を得ることができる。また、参考例のシフト触媒は、シフト触媒の表面側に触媒金属層が形成されているため、シフト反応に供される一酸化炭素および水蒸気が触媒金属上に到達するのが妨げられることがない。
【0072】
なお、既述した各実施例のシフト触媒は、水蒸気を吸着することができと共に吸着した水蒸気を放出することができる物質としてゼオライトを備えることとしたが、このゼオライトは、天然ゼオライトの他、石炭灰などから人工的に合成した合成ゼオライトを用いることとしても良い。また、既述した実施例のシフト触媒では、担体上にゼオライト層を形成したが、担体がゼオライトを備えることとしても良い。触媒金属に対して充分に近くにゼオライトが存在し、ゼオライトが放出した結晶水を、触媒金属上で進行するシフト反応で利用可能な構成であればよい。
【0073】
さらに、シフト触媒が備える水蒸気吸着性物質として、ゼオライト以外の物質を用いることとしても良い。シフト部内の環境において、供給されるガス中の水蒸気量に応じて、水蒸気の吸着と放出とを行なうことができる物質であれば、同様の効果を奏することができる。特にゼオライトは、三次元網目構造の空孔に水分子を結晶水として保持することにより、単なる物理吸着に比べてはるかに強力に水蒸気を吸着することができると共に、所定の高温下で容易に結晶水を放出するため、本発明のシフト触媒が備える水蒸気吸着性物質として優れている。
【0074】
なお、既述した実施例の燃料電池装置10では、改質反応に供する燃料としてガソリンを用いることとしたが、異なる炭化水素系燃料を用いることとしても良い。ガソリンや天然ガスなどの炭化水素の他、メタノール等のアルコールやエーテル、あるいはアルデヒドなど、所定の高温下で改質反応を進行することにより一酸化炭素を含有する水素リッチガスを生成することができるものであれば良い。このような種々の炭化水素化合物を燃料電池装置10と同様の燃料電池装置において燃料として用いることができ、本発明のシフト触媒を備えるシフト部によって、上記燃料を改質して得た水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減する動作を安定して行なうことができる。
【0075】
また、本発明の燃料電池装置10では、本発明のシフト触媒を用いて一酸化炭素濃度を低減した水素リッチガスは、固体高分子型燃料電池である燃料電池40に供給することとしたが、異なる種類の燃料電池に供給することとしても良い。一酸化炭素により触媒被毒する燃料電池であれば、本発明のシフト触媒を用いて一酸化炭素濃度を低減した水素リッチガスを燃料ガスとして供給されることにより、触媒被毒を抑えて燃料電池の性能を確保する効果を得ることができる。
【0076】
また、本発明のシフト触媒を用いてシフト反応を進行させることでガス中の一酸化炭素濃度を低減した水素含有ガスを、燃料電池以外の水素を消費する装置に対して供給することとしても良い。このような場合にも、シフト反応に供されるガス中の水蒸気量(水蒸気分圧)が変動するときに、水蒸気が不足することでシフト反応の活性が低下してしまうのを防止する効果を得ることができる。本発明のシフト触媒は、シフト反応を進行する種々の装置に適用可能であって、シフト反応に供される水蒸気量が不足する際には、水蒸気吸着性物質から水が補われることによる所定の効果を得ることができる。
【0077】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる様態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 燃料電池装置10の全体構成を模式的に表わす説明図である。
【図2】 シフト部20が備えるシフト触媒の製造工程を表わす説明図である。
【図3】 実施例のシフト触媒の様子を表わす説明図である。
【図4】 実施例のシフト触媒の製造工程を表わす工程図である。
【図5】 実施例の変形例としてのシフト触媒の様子を表わす説明図である。
【図6】 参考例のシフト触媒の様子を表わす説明図である。
【符号の説明】
10…燃料電池装置
20…シフト部
30…ガソリンタンク
32…水タンク
33…脱硫器
34…シフト部
34…蒸発器
36…改質器
38…CO選択酸化部
40…燃料電池
42…ブロワ
43…酸化ガス流路
50…加熱部
52,53,54,58…ブロワ
56,57,58…ポンプ
60…制御部
62…入出力ポート
64…CPU
66…ROM
68…RAM
70…燃料流路
71…分岐路
72…水流路
73…燃料流路
74…燃料ガス流路
75…ガス流路
76…流路
78…燃料ガス流路
79…燃料排出路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a shift reaction catalyst, and more particularly to a shift reaction catalyst that promotes a shift reaction that generates hydrogen and carbon dioxide from carbon monoxide and water vapor.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a shift unit including such a shift reaction catalyst has been provided in a fuel reformer that generates a hydrogen rich gas by a reforming reaction and supplies the hydrogen rich gas as a fuel gas to a fuel cell, for example. The fuel reformer is a device that reforms a hydrocarbon-based fuel to generate a hydrogen-rich gas, and the hydrogen-rich gas generated by the reforming reaction contains a predetermined amount of carbon monoxide. If carbon monoxide is contained in the gas supplied to the fuel cell, the catalyst provided in the fuel cell may be poisoned and the cell performance may be reduced. Therefore, the fuel reformer further includes a shift unit, Prior to supplying the fuel cell as a gas, the concentration of carbon monoxide in the hydrogen-rich gas is reduced.
[0003]
The shift reaction catalyst includes a high temperature shift catalyst in which the temperature at which the activity for promoting the shift reaction is sufficiently high is higher, and a low temperature shift catalyst in which the temperature at which the activity for promoting the shift reaction is sufficiently high is lower. Are known. As the high temperature shift catalyst, a catalyst containing iron and chromium is known, and as the low temperature shift catalyst, a catalyst containing copper, zinc and alumina is known (for example, JP-A-2-174936). ). Thus, while selecting the kind of catalyst suitably and combining the several shift part provided with a different catalyst, shift reaction progressed more fully and the further reduction of the carbon monoxide density | concentration has been aimed at.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, as described above, when the hydrogen rich gas whose carbon monoxide concentration is reduced by the shift reaction is supplied to the fuel cell as the fuel gas, as the load connected to the fuel cell varies, The amount of hydrogen-rich gas supplied to the shift reaction that proceeds in the shift section also varies, but when the amount of hydrogen-rich gas varies, the activity of the shift reaction cannot be maintained sufficiently high, and the carbon monoxide concentration is reduced. May become insufficient. That is, when the amount of hydrogen-rich gas supplied to the shift reaction increases rapidly, the water vapor required for the shift reaction cannot be supplied sufficiently following the amount of increase of the hydrogen-rich gas, resulting in insufficient water vapor. In some cases, the shift reaction could not proceed sufficiently.
[0005]
In order to make up for the shortage of water vapor in the shift unit, a water vapor generator that vaporizes water to generate water vapor is added to the shift unit, and when the shift unit is short of water vapor, the water vapor generated by the water vapor generator is shifted. The structure which supplements the water vapor | steam which a part requires is considered. However, since it takes a predetermined time to vaporize water by a method such as heating, when the load of the fuel cell fluctuates and water vapor shortage occurs in the shift section, this load fluctuation can be handled with sufficient response. However, it is difficult to supply a desired amount of water vapor immediately to the shift section to ensure sufficient shift reaction activity.
[0006]
The shift reaction catalyst of the present invention has been made for the purpose of solving these problems and preventing the shift reaction from being reduced due to lack of water vapor used for the shift reaction, and has the following configuration.
[0007]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
The shift reaction catalyst of the present invention is a shift reaction catalyst that promotes a shift reaction that generates hydrogen and carbon dioxide from carbon monoxide and water vapor,
A catalytic metal having an activity of promoting the shift reaction;
A water vapor adsorbing substance capable of adsorbing water vapor,
The water vapor adsorbing substance is in an equilibrium state in which water vapor is not exchanged with the surroundings under a predetermined condition, and when the ambient water vapor partial pressure is higher than the ambient water vapor partial pressure in the equilibrium state. The main point is to take an adsorption state in which water vapor is adsorbed on and a discharge state in which water vapor is released when the surrounding water vapor partial pressure is lower than the surrounding water vapor partial pressure in the equilibrium state.
[0008]
The shift reaction catalyst of the present invention configured as described above comprises a catalytic metal having an activity for promoting the shift reaction, and a water vapor adsorbing substance capable of adsorbing water vapor, and hydrogen and dioxide from carbon monoxide and water vapor. Promotes the shift reaction to produce carbon. Here, the water vapor adsorbing substance included in the shift reaction catalyst includes an equilibrium state in which water vapor is not substantially exchanged with the surroundings under a predetermined condition, and a surrounding water vapor partial pressure in the equilibrium state. An adsorption state where water vapor is adsorbed when higher than the water vapor partial pressure and a discharge state where water vapor is released when the surrounding water vapor partial pressure is lower than the surrounding water vapor partial pressure in the equilibrium state are taken.
[0009]
According to such a shift reaction catalyst, the water vapor partial pressure in the gas subjected to the shift reaction is lower than the surrounding water vapor partial pressure when the water vapor adsorbing substance is in an equilibrium state under the same predetermined conditions. In some cases, the water vapor-adsorbing substance releases water vapor, and the shift reaction can proceed using this water vapor. Therefore, when the amount of water vapor used for the shift reaction is insufficient, it is possible to prevent the shift reaction from being reduced due to the lack of water vapor. This makes it possible to maintain the activity of the shift reaction sufficiently high.
[0012]
In the shift reaction catalyst of the present invention,
A catalyst layer comprising the catalyst metal;
A water vapor adsorbing portion provided in at least a part of the catalyst layer, the water vapor adsorbing portion including the water vapor adsorbing substance;
It is good also as providing.
[0013]
With such a configuration, since the water vapor adsorbing portion is provided on the catalyst layer, the water vapor adsorbing substance reacts with a high response to a decrease in the water vapor partial pressure in the gas subjected to the shift reaction. It is possible to release water vapor from the water and supplement water vapor required for the shift reaction.
[0014]
In the shift reaction catalyst, the water vapor adsorption part may exist in a dispersed state on the catalyst layer. With such a configuration, the carbon monoxide and water vapor in the gas subjected to the shift reaction can easily reach the catalyst metal without being hindered by the water vapor adsorption part.
[0015]
In the shift reaction catalyst, the water vapor adsorption part may be formed to be porous. With such a configuration, carbon monoxide and water vapor in the gas subjected to the shift reaction can easily diffuse in the water-vapor adsorbing portion formed in a porous manner. This can prevent the supply of carbon monoxide and water vapor to the catalyst metal from being hindered.
[0018]
In the shift reaction catalyst of the present invention, the water vapor adsorbing substance may be zeolite. Zeolite can adsorb water vapor (water molecules) in the pores of a three-dimensional network structure formed by aluminum, silicon and oxygen atoms, and can hold it as crystal water. Water vapor is adsorbed or released according to the water vapor partial pressure or temperature. The adsorption power of zeolite to adsorb water vapor is stronger than general physical adsorption, can hold water vapor effectively, and responds with a decrease in water vapor partial pressure at a predetermined high temperature where the shift reaction proceeds. Water vapor can be released with good performance.
[0019]
The carbon monoxide concentration reducing method of the present invention is a carbon monoxide concentration reducing method for reducing the carbon monoxide concentration in a gas containing carbon monoxide,
(A) Using a shift reaction catalyst that promotes a shift reaction that generates hydrogen and carbon dioxide from carbon monoxide and water vapor, the water vapor supplied onto the shift reaction catalyst, and the above-mentioned water supplied onto the shift reaction catalyst A step of reducing the carbon monoxide concentration by causing the shift reaction to proceed with carbon monoxide in the gas,
The shift reaction catalyst is a catalytic metal having an activity of promoting the shift reaction.And a catalyst layer provided at least in a region on the catalyst layer.WithwaterWater vapor adsorbing substance capable of adsorbing vaporWhen,With
In the step (a), the water vapor adsorbing substance is used in an equilibrium state in which water vapor is not substantially exchanged with the surroundings, an adsorption state in which the water vapor is adsorbed, and a reduction in the water vapor partial pressure. Accordingly, the gist is to take one of the states of releasing the water vapor to be used for the shift reaction.
[0020]
According to such a carbon monoxide concentration reduction method of the present invention, the water vapor adsorbing substance releases water vapor as the ambient water vapor partial pressure decreases, and it is possible to supplement the water vapor required for the shift reaction. Therefore, it can suppress that the activity of shift reaction falls due to water vapor | steam shortage. Here, the water vapor supplied onto the shift reaction catalyst may be included in advance in the gas containing carbon monoxide, and is supplied onto the shift reaction catalyst separately from the gas. It may be a thing.In addition, since the water vapor adsorbing part is provided on the catalyst layer, it reacts with high responsiveness to the reduction of the water vapor partial pressure in the gas subjected to the shift reaction and releases water vapor from the water vapor adsorbing substance. And water vapor required for the shift reaction can be supplemented.
[0021]
In such a carbon monoxide concentration reducing method of the present invention, the water vapor adsorbing substance may be zeolite.
[0022]
The carbon monoxide concentration reducing device of the present invention is a carbon monoxide concentration reducing device for reducing the carbon monoxide concentration in a gas containing carbon monoxide,
A shift unit including a shift reaction catalyst that promotes a shift reaction that generates hydrogen and carbon dioxide from carbon monoxide and water vapor;
A supply means for supplying a gas containing carbon monoxide and water vapor to the shift unit so as to be used for the shift reaction that proceeds on the shift reaction catalyst;
The shift reaction catalyst may be any one of
[0023]
In the carbon monoxide concentration reducing device of the present invention configured as described above, when a gas containing carbon monoxide and water vapor are supplied to the shift unit, hydrogen and carbon dioxide are generated from the carbon monoxide and water vapor in the shift unit. The shift reaction that produces carbon proceeds. Here, the shift reaction catalyst provided in the shift unit is the shift reaction catalyst of the present invention, and the water vapor partial pressure around the water vapor adsorbing substance provided in the shift reaction catalyst is higher than the water vapor partial pressure corresponding to the equilibrium state. When low, the water vapor adsorbing substance releases the adsorbed water vapor.
[0024]
According to such a carbon monoxide concentration reducing device of the present invention, when the water vapor partial pressure in the gas supplied to the shift unit becomes lower than the water vapor partial pressure corresponding to the equilibrium state, the water vapor adsorbing substance It is possible to proceed with the shift reaction using the water vapor released from. Therefore, when the amount of water vapor supplied from the supply means to the shift unit is insufficient, it is possible to suppress the activity of the shift reaction from being reduced due to the lack of water vapor. Thereby, it is possible to keep the activity of the shift reaction sufficiently high and to prevent the performance of reducing the carbon monoxide concentration in the gas from deteriorating. Here, the water vapor provided for the shift reaction by the supply means may be included in the gas containing carbon monoxide in advance, or may be provided for the shift reaction separately from the gas. .
[0025]
A fuel cell device according to the present invention is a fuel cell device comprising a fuel cell that receives supply of a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen to obtain an electromotive force by an electrochemical reaction,
A reformer that reforms hydrocarbon fuel to produce hydrogen-rich gas;
A shift reaction catalyst that promotes a shift reaction that generates hydrogen and carbon dioxide from carbon monoxide and water vapor; the supply of the hydrogen-rich gas from the reformer; and the carbon monoxide contained in the hydrogen-rich gas; A shift unit for reducing the carbon monoxide concentration in the hydrogen-rich gas by causing the shift reaction to proceed with water vapor supplied onto the shift reaction catalyst;
Supply means for supplying the hydrogen-rich gas having a reduced carbon monoxide concentration in the shift unit as the fuel gas to the fuel cell;
The shift reaction catalyst may be any one of
[0026]
The fuel cell device of the present invention configured as described above includes a fuel cell that receives an supply of a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen and obtains an electromotive force by an electrochemical reaction. Further, in a shift unit including a shift reaction catalyst that reforms a hydrocarbon-based fuel in a reformer to generate a hydrogen-rich gas and promotes a shift reaction that generates hydrogen and carbon dioxide from carbon monoxide and steam, Upon receiving the supply of the hydrogen rich gas, the shift reaction is allowed to proceed between the carbon monoxide contained in the hydrogen rich gas and the water vapor supplied onto the shift reaction catalyst, so that the carbon monoxide in the hydrogen rich gas is obtained. Reduce concentration. The fuel cell is supplied with the hydrogen-rich gas having a reduced carbon monoxide concentration as the fuel gas. Here, the shift reaction catalyst provided in the shift unit is the shift reaction catalyst of the present invention, and the water vapor partial pressure around the water vapor adsorbing substance provided in the shift reaction catalyst is higher than the water vapor partial pressure corresponding to the equilibrium state. When low, the water vapor adsorbing substance releases the adsorbed water vapor.
[0027]
According to such a fuel cell device of the present invention, when the water vapor partial pressure in the gas supplied to the shift unit is lower than the water vapor partial pressure corresponding to the equilibrium state, the water vapor adsorbing substance is released. The shift reaction can be advanced using water vapor. Therefore, when the amount of water vapor supplied to the shift unit is insufficient, it is possible to prevent the activity of the shift reaction from being reduced due to the lack of water vapor. In particular, in the fuel cell device, when the load connected to the fuel cell fluctuates, the amount of hydrogen-rich gas generated in the reformer and supplied to the shift unit and the shift reaction in the shift unit are used. However, the increase or decrease in the amount of water vapor cannot sufficiently follow the load fluctuation, and there is a possibility that the water vapor provided to the shift unit is insufficient in the shift unit. According to the fuel cell device of the present invention, when the water vapor is insufficient, the water vapor can be supplemented from the water vapor adsorbing substance provided in the shift catalyst, and the shift reaction is sufficiently activated even when the load of the fuel cell fluctuates. It is possible to ensure the performance of maintaining and reducing the carbon monoxide concentration in the hydrogen-rich gas.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In order to further clarify the configuration and operation of the present invention described above, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
1. BurningOverall configuration of the
2. Shift catalyst provided in the
3. Shift catalystExamples about
[0029]
(1) FuelOverall configuration of the battery unit 10:
FIG. 1 shows the present invention.is connected with1 is a block diagram showing an outline of the configuration of a
[0030]
The gasoline stored in the
[0031]
The
[0032]
The
[0033]
The
[0034]
The
[0035]
As mentioned above, BurningIn the
[0036]
The hydrogen-rich fuel gas generated by the
[0037]
The
[0038]
CO + H2O → CO2+ H2+40.5 (kJ / mol) (1)
[0039]
Although omitted from FIG. 1, a heat exchanger may be provided between the
[0040]
In addition, since the shift reaction is an exothermic reaction as shown in the formula (1), a cooling unit may be provided inside the
[0041]
The CO
[0042]
In order to supply oxygen required for the carbon monoxide selective oxidation reaction proceeding in the CO
[0043]
The hydrogen-rich gas whose carbon monoxide concentration has been lowered in the CO
[0044]
The
[0045]
H2 → 2H++ 2e- ... (2)
(1/2) O2+ 2H++ 2e- → H2O ... (3)
H2+ (1/2) O2 → H2O ... (4)
[0046]
The
[0047]
(2) Shift catalyst provided in the shift unit 20:
BurningThe
[0048]
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of the shift catalyst provided in the
[0049]
Next, the catalyst metal and the zeolite powder are mixed (step S110). That is, the Cu—Zn catalyst prepared in step S100 is pulverized to form a catalyst powder, and the catalyst powder and the zeolite powder are mixed. Thereafter, a binder such as alumina slurry is added to the mixed powder (step S120), and this is coated on the honeycomb to coat the honeycomb (step S130), and then dried and fired (step S140). Complete the catalyst. The honeycomb used for manufacturing the shift catalyst may be any material that can be used as a catalyst carrier, such as a metal honeycomb or a ceramic honeycomb.
[0050]
Configured as aboveBurningAccording to the
[0051]
BurningIn the
[0052]
As described above, when the amount of water vapor supplied via the
[0053]
Further, in the
[0054]
In this way, if the
[0055]
In addition, the operation | movement in which a zeolite takes in and discharge | releases crystal water depends on ambient gas pressure, water vapor partial pressure, and temperature. Further, heat is generated when the zeolite takes in the crystal water, and heat is absorbed when the crystal water is released. As described above, the inside of the
[0056]
Since the shift catalyst provided in the
[0057]
In addition,Shift unit 20Then, although it was decided to use a Cu-Zn catalyst as a catalyst metal with which a shift catalyst is provided, as mentioned above, it is good also as using another kind of catalyst metal. Use any catalytic metalTheAlso when promoting the shift reaction, TouchBy making the medium metal and zeolite coexist, it is possible to prevent the lack of water vapor when the shift reaction proceeds.ConstitutionThe same effect can be obtained.
[0058]
Also, aboveShift unit 20In this example, the honeycomb is used as the carrier for supporting the catalyst metal, but a carrier having a different shape may be used. It is only necessary to hold both the catalyst metal and the zeolite so that they are sufficiently close to each other so that the crystal water released from the zeolite, which is a water vapor-adsorbing substance, is quickly supplied onto the catalyst metal.
[0059]
(3) Shift catalystExamples about:
the aboveShift unit 20Then, the catalyst metal powder and the zeolite powder are mixed to form the shift catalyst, but different configurations may be used. Examples relating to the shift catalyst in which the catalyst metal layer and the zeolite layer are separately formed are shown below.
[0060]
Figure 3, RealFIG. 4 is an explanatory diagram showing the state of the shift catalyst of the example., RealIt is process drawing showing the manufacturing process of the shift catalyst of an Example.. FruitThe example shift catalyst is, Configuration already describedIs provided in a
[0061]
like thisFruitThe manufacturing method of the shift catalyst of an Example is demonstrated based on FIG. First, a Cu—Zn catalyst that is a catalytic metal is prepared (step S200). This process is shown in FIG.TThis is the same process as step S100 in the manufacturing process of the catalyst. Next, the pulverized Cu—Zn catalyst prepared in step S200 is mixed with a binder such as alumina slurry (step S210), and this is applied to the surface of the carrier to form a catalyst metal layer (step S220).
[0062]
Next, the zeolite powder, the urethane powder, and the binder are mixed (step S230), and applied to the catalyst metal layer formed in step S220 to form a zeolite layer (step S240). When the catalytic metal layer and the zeolite layer are formed on the support, they are dried and calcined (step S250) to complete the shift catalyst.
[0063]
Here, drying was performed at 150 ° C. for 1 hour, and baking was performed at 500 ° C. for 1 hour. In this example, the urethane powder was mixed with the zeolite powder when forming the zeolite layer, but this urethane powder is removed from the zeolite layer by being melted by heat in the firing step. Therefore, the zeolite layer provided in the completed shift catalyst becomes a porous body in which voids are formed at the place where the urethane powder was present before firing.
[0064]
Configured as aboveFruitAccording to the shift catalyst of the example, since the zeolite is provided with the catalyst metal,Configuration already describedSimilarly, when the partial pressure of water vapor in the gas supplied to the
[0065]
Furthermore, since the shift catalyst of the present embodiment forms a zeolite layer on the surface in contact with the gas passing through the honeycomb surface provided in the
[0066]
In this embodiment, in order to make the zeolite layer porous, the urethane resin is used as the material to be mixed with the zeolite powder when forming the zeolite layer. However, a different material may be used. Other types of resins such as phenol resins may be used. If a substance that can be removed from the zeolite layer by melting at a predetermined high temperature, such as a urethane resin, is used, the porous zeolite layer It can be formed easily.
[0067]
UpRealIn the examples, the zeolite layer is formed so as to cover the catalyst metal layer, but it is not always necessary to cover the entire catalyst metal layer. If a sufficient amount of zeolite is present on the catalyst metal layer, the same thing is necessary. An effect can be obtained. FIG., RealIt is explanatory drawing showing the structure of the shift catalyst as a modification of an Example.
[0068]
In the shift catalyst shown in FIG., RealThe catalyst metal layer is formed on the support as in the examples. However, the zeolite included in the shift catalyst is not layered to cover the catalyst metal layer but is dispersed in islands on the catalyst metal layer. Exists. To manufacture such a shift catalyst, first, as shown in FIG.FruitA catalytic metal layer is formed on the support by the same processes as steps S200 to S220 of the manufacturing process of the shift catalyst of the example. Next, instead of step S230, a process of mixing zeolite powder and a binder such as alumina slurry is performed. At this time, the slurry is sufficiently diluted and mixed using a liquid such as water or an organic liquid. The concentration of zeolite powder and binder in the slurry is made sufficiently low. When the slurry thus obtained is applied onto the catalyst metal layer formed on the support and dried, as shown in FIG. 5, the zeolite is present in the form of islands dispersed on the catalyst metal layer. A shift catalyst can be produced. Here, when the surface of the catalyst metal layer formed by applying the catalyst metal mixed with the binder on the support has irregularities, the zeolite is mainly held in the recesses as shown in FIG. The The density at which the zeolite is dispersed on the catalytic metal layer can be adjusted to a desired state by the concentration of the slurry obtained by mixing the binder and the zeolite and the amount of the slurry applied on the catalytic metal layer.
[0069]
Such as shown in FIG.FruitAccording to the shift catalyst as a modified example of the example, since the zeolite which is a water vapor adsorbing substance is present adjacent to the catalyst metal as in the above-described examples, the activity of the shift reaction is caused by the lack of water vapor. The effect which prevents that falls may be acquired. Further, since the zeolite is dispersed on the catalytic metal layer, carbon monoxide and water vapor used for the shift reaction can more easily reach the catalytic metal and are generated by the shift reaction. Hydrogen and carbon dioxide can also more easily diffuse from the catalytic metal into the hydrogen rich gas.
[0070]
FIG.As a reference exampleIt is explanatory drawing showing the structure of this shift catalyst.Reference exampleThe shift catalyst is, RealContrary to the shift catalyst of the example, a catalytic metal layer is provided on the zeolite layer formed on the support. In order to produce such a shift catalyst, first, a mixture of zeolite powder and binder is applied on a support to form a zeolite layer, and then the catalyst metal prepared in the same manner as in the above-described examples is used. A mixture of powder and binder may be applied onto the zeolite layer to form a catalytic metal layer.
[0071]
like thisReference exampleSimilarly to the shift catalyst of the above-described embodiment, the shift catalyst has a zeolite which is a water vapor adsorbing substance adjacent to the catalyst metal, so that the activity of the shift reaction is reduced due to the lack of water vapor. The effect which prevents that can be acquired. Also,Reference exampleIn this shift catalyst, since the catalytic metal layer is formed on the surface side of the shift catalyst, the carbon monoxide and water vapor used for the shift reaction are not prevented from reaching the catalytic metal.
[0072]
In addition, although the shift catalyst of each Example mentioned above was equipped with zeolite as a substance which can adsorb | suck water vapor | steam and can discharge | release the adsorbed water vapor | steam, this zeolite is not only natural zeolite but coal. Synthetic zeolite artificially synthesized from ash or the like may be used. Moreover, in the shift catalyst of the Example mentioned above, although the zeolite layer was formed on the support | carrier, it is good also as a support | carrier comprising a zeolite. Any structure may be used as long as the zeolite exists sufficiently close to the catalyst metal and the crystal water released from the zeolite can be used in a shift reaction that proceeds on the catalyst metal.
[0073]
Further, a substance other than zeolite may be used as the water vapor adsorbing substance provided in the shift catalyst. The same effect can be obtained as long as it is a substance that can adsorb and release water vapor according to the amount of water vapor in the gas supplied in the environment within the shift section. In particular, zeolite retains water molecules as crystal water in the pores of a three-dimensional network structure, so that it can adsorb water vapor much more strongly than simple physical adsorption, and can easily crystallize at a predetermined high temperature. Since water is released, it is excellent as a water vapor adsorbing substance provided in the shift catalyst of the present invention.
[0074]
In the
[0075]
Further, in the
[0076]
Moreover, it is good also as supplying the hydrogen containing gas which reduced the carbon monoxide density | concentration in gas by advancing a shift reaction using the shift catalyst of this invention with respect to the apparatus which consumes hydrogen other than a fuel cell. . Even in such a case, when the amount of water vapor (water vapor partial pressure) in the gas subjected to the shift reaction fluctuates, the effect of preventing the activity of the shift reaction from being reduced due to the lack of water vapor is prevented. Obtainable. The shift catalyst of the present invention can be applied to various apparatuses for proceeding with the shift reaction. When the amount of water vapor used for the shift reaction is insufficient, a predetermined amount of water is compensated by supplementing water from the water vapor adsorbing substance. An effect can be obtained.
[0077]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and it is needless to say that the present invention can be implemented in various modes without departing from the gist of the present invention.
[Brief description of the drawings]
[Figure 1]Burning1 is an explanatory diagram schematically showing the overall configuration of a
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of a shift catalyst provided in the
[Fig. 3]FruitIt is explanatory drawing showing the mode of the shift catalyst of an Example.
[Fig. 4]FruitIt is process drawing showing the manufacturing process of the shift catalyst of an Example.
[Figure 5]FruitIt is explanatory drawing showing the mode of the shift catalyst as a modification of an Example.
[Fig. 6]Reference exampleIt is explanatory drawing showing the mode of this shift catalyst.
[Explanation of symbols]
10 ... Fuel cell device
20 ... Shift section
30 ... gasoline tank
32 ... Water tank
33 ... desulfurizer
34 ... Shift section
34 ... Evaporator
36 ... reformer
38 ... CO selective oxidation part
40 ... Fuel cell
42 ... Blower
43 ... Oxidizing gas flow path
50 ... heating unit
52, 53, 54, 58 ... Blower
56, 57, 58 ... pump
60 ... Control unit
62 ... I / O port
64 ... CPU
66 ... ROM
68 ... RAM
70 ... Fuel flow path
71 ... Branch
72 ... Water flow path
73 ... Fuel flow path
74 ... Fuel gas flow path
75 ... Gas flow path
76 ... Flow path
78 ... Fuel gas flow path
79 ... Fuel discharge passage
Claims (8)
前記シフト反応を促進する活性を有する触媒金属を備える触媒層と、
前記触媒層上の少なくとも一部の領域に設けられ、水蒸気を吸着可能な水蒸気吸着性物質を備える水蒸気吸着部とを備え、
前記水蒸気吸着性物質は、所定の条件下において、周囲との間で水蒸気のやり取りを実質的に行なわない平衡状態と、周囲の水蒸気分圧が前記平衡状態における周囲の水蒸気分圧よりも高いときに水蒸気を吸着する吸着状態と、周囲の水蒸気分圧が前記平衡状態における周囲の水蒸気分圧よりも低いときに水蒸気を放出する放出状態とをとることを特徴とする
燃料電池用シフト反応触媒。 Prior to supplying a hydrogen rich gas as a fuel gas to a fuel cell by receiving a supply of a hydrogen rich gas containing carbon monoxide and promoting a shift reaction that generates hydrogen and carbon dioxide from carbon monoxide and water vapor. A shift reaction catalyst for a fuel cell that reduces the concentration of carbon monoxide in the hydrogen-rich gas ,
A catalyst layer comprising a catalyst metal having an activity of promoting the shift reaction;
A water vapor adsorbing portion provided with at least a part of the area on the catalyst layer, and comprising a water vapor adsorbing substance capable of adsorbing water vapor;
The water vapor adsorbing substance is in an equilibrium state in which water vapor is not exchanged with the surroundings under a predetermined condition, and when the ambient water vapor partial pressure is higher than the ambient water vapor partial pressure in the equilibrium state. An adsorption state in which water vapor is adsorbed and a discharge state in which water vapor is released when the surrounding water vapor partial pressure is lower than the surrounding water vapor partial pressure in the equilibrium state.
Shift reaction catalyst for fuel cells .
請求項1記載の燃料電池用シフト反応触媒。The shift reaction catalyst for a fuel cell according to claim 1, wherein the water vapor adsorption part is present in a dispersed state on the catalyst layer.
請求項1記載の燃料電池用シフト反応触媒。The shift reaction catalyst for a fuel cell according to claim 1, wherein the water vapor adsorption part is formed to be porous.
請求項1ないし3いずれか記載の燃料電池用シフト反応触媒。The shift reaction catalyst for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the water vapor adsorbing substance is zeolite.
(a)一酸化炭素と水蒸気とから水素と二酸化炭素とを生じるシフト反応を促進するシフト反応触媒を用い、該シフト反応触媒上に供給される水蒸気と、該シフト反応触媒上に供給される前記水素リッチガス中の一酸化炭素との間で前記シフト反応を進行させることによって、前記一酸化炭素濃度を低減する工程を備え、
前記シフト反応触媒は、前記シフト反応を促進する活性を有する触媒金属を備える触媒層と、該触媒層上の少なくとも一部の領域に設けられると共に水蒸気を吸着可能な水蒸気吸着性物質と、を備えており、
前記水蒸気吸着性物質は、前記(a)工程において、周囲との間で水蒸気のやり取りを実質的に行なわない平衡状態と、周囲の水蒸気を吸着する吸着状態と、周囲の水蒸気分圧の低下に伴って水蒸気を放出して前記シフト反応に供する放出状態とのうちのいずれかの状態をとることを特徴とする
一酸化炭素濃度低減方法。 To obtain a fuel gas supplied to the fuel cell, a carbon monoxide concentration reduction method for reducing the carbon monoxide concentration of the hydrogen-rich gas containing carbon monoxide,
(A) Using a shift reaction catalyst that promotes a shift reaction that generates hydrogen and carbon dioxide from carbon monoxide and water vapor, the water vapor supplied onto the shift reaction catalyst, and the above-mentioned water supplied onto the shift reaction catalyst by advancing the shift reaction between carbon monoxide hydrogen-rich gas, comprising the step of reducing the concentration of carbon monoxide,
The shift reaction catalyst includes a catalyst layer including a catalyst metal having an activity of promoting the shift reaction, and a water vapor adsorbing substance provided in at least a part of the catalyst layer and capable of adsorbing water vapor. And
In the step (a), the water vapor adsorbing substance is used in an equilibrium state in which water vapor is not substantially exchanged with the surroundings, an adsorption state in which the water vapor is adsorbed, and a reduction in the water vapor partial pressure. The carbon monoxide concentration reducing method is characterized in that it takes one of a release state in which water vapor is released and used for the shift reaction.
請求項5記載の一酸化炭素濃度低減方法。The carbon monoxide concentration reducing method according to claim 5, wherein the water vapor adsorbing substance is zeolite.
一酸化炭素と水蒸気とから水素と二酸化炭素とを生じるシフト反応を促進するシフト反応触媒を備えるシフト部と、
一酸化炭素を含有する水素リッチガスと水蒸気とを、前記シフト反応触媒上で進行する前記シフト反応に供するように、前記シフト部に供給する供給手段とを備え、
前記シフト反応触媒は、請求項1ないし4いずれか記載の燃料電池用シフト反応触媒であることを特徴とする
一酸化炭素濃度低減装置。 To obtain a fuel gas supplied to the fuel cell, a carbon monoxide concentration reduction apparatus for reducing the carbon monoxide concentration of the hydrogen-rich gas containing carbon monoxide,
A shift unit including a shift reaction catalyst that promotes a shift reaction that generates hydrogen and carbon dioxide from carbon monoxide and water vapor;
The hydrogen-rich gas and steam to carbon monoxide, the so subjected to shift the shift reaction proceeding on catalyst, and a supply means for supplying to said shift unit,
5. The carbon monoxide concentration reducing device according to claim 1, wherein the shift reaction catalyst is a shift reaction catalyst for a fuel cell according to claim 1.
炭化水素系の燃料を改質して水素リッチガスを生成する改質器と、
一酸化炭素と水蒸気とから水素と二酸化炭素とを生じるシフト反応を促進するシフト反応触媒を備え、前記改質器から前記水素リッチガスの供給を受けて、前記水素リッチガスが含有する一酸化炭素と、前記シフト反応触媒上に供給された水蒸気との間で前記シフト反応を進行させて、前記水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減するシフト部と、
前記シフト部において一酸化炭素濃度が低減された前記水素リッチガスを、前記燃料ガスとして前記燃料電池に供給する供給手段とを備え、
前記シフト反応触媒は、請求項1ないし4いずれか記載の燃料電池用シフト反応触媒であることを特徴とする
燃料電池装置。A fuel cell device comprising a fuel cell that receives a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen and obtains an electromotive force by an electrochemical reaction,
A reformer that reforms hydrocarbon fuel to produce hydrogen-rich gas;
A shift reaction catalyst that promotes a shift reaction that generates hydrogen and carbon dioxide from carbon monoxide and water vapor; the supply of the hydrogen-rich gas from the reformer; and the carbon monoxide contained in the hydrogen-rich gas; A shift unit for reducing the carbon monoxide concentration in the hydrogen-rich gas by causing the shift reaction to proceed with water vapor supplied onto the shift reaction catalyst;
Supply means for supplying the hydrogen-rich gas having a reduced carbon monoxide concentration in the shift unit as the fuel gas to the fuel cell;
The fuel cell device according to claim 1, wherein the shift reaction catalyst is a shift reaction catalyst for a fuel cell according to claim 1.
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