JP4101293B2 - 燃料電池発電装置用の小型選択的酸化装置アセンブリ集合体 - Google Patents

Description

技術分野
この発明は、複数のサブアセンブリの反復構造により構成された、選択的オキシダイザアセンブレージ、即ち選択的酸化装置アセンブリ集合体に関する。より具体的には、本発明は、燃料電池発電装置や燃料電池発電所に用いられ、従来の酸化装置アセンブリ集合体よりもコンパクトで軽量である、燃料ガス選択的酸化剤アセンブリ集合体に関する。
従来技術
燃料電池パワープラント即ち燃料電池発電装置は、燃料ガス選択的オキシダイザ即ち酸化装置を有する。この酸化装置は、燃料電池発電装置の燃料ガスとして用いられる改質された燃料ガス、例えば、天然ガスから、一酸化炭素を除去する。この除去処理では、改質された燃料ガスに少量の酸素ガスを添加して触媒ベッドを流通させる。この触媒ベッドは、発熱反応によって一酸化炭素の酸化が可能なものである。発熱反応は、約３６０ｏＦ（３６０°Ｆ）〜１７０ｏＦ（１７０°Ｆ）の範囲内に温度を制御してなされる。
触媒ベッドの温度は、特定のしきい値温度よりも高く維持する必要があり、このしきい値温度は、処理されるガスに一酸化炭素が比較的多く含まれる触媒ベッドの入口段では、約２２０ｏＦ〜３６０ｏＦである。そして、一酸化炭素の含有量が低くなる触媒ベッドの後段においては、上記しきい値温度は、約１７０ｏＦ〜２２０ｏＦという低い温度になる。
通常用いられる触媒は、白金触媒であり、アルミナ粒上に白金層を形成することで用いられる。１９９４年７月１９日にトロチオラ（J,C.Trocciola）等に付与された米国特許第５，３３０，７２７号には、燃料電池発電装置用に選択的酸化装置アセンブリ集合体を用いることが提案されており、燃料電池発電装置に用いるための温度レジメと、一酸化炭素を適切に酸化するために要求される温度レジメと、が記載されている。上述の特許において用いられているタイプの酸化装置は、従来技術として“シェル・アンド・チューブ”熱交換器、即ち“管形”熱交換器として参照される。
管形燃料電池発電装置の選択的酸化装置では、燃料電池を適切に作動させるためには、一酸化炭素の酸化程度を適切な値とすることが必要である。この酸化程度を適切に維持するために必要となる温度調整を行うために、触媒ベッドと冷媒との熱交換表面積を大きくすることが必要となる。このように熱交換表面積を大きくする必要があることから、触媒コーティングされた粒体を薄く広げることが必要となり、その結果、酸化装置アセンブリが大きく重くなってしまう。例えば、管形酸化装置コンポーネントを備えた２０ＫＷの酸燃料電池発電装置では、酸化装置を約４立方フィートにする必要がある。２００ＫＷ発電装置等の、より大きな設備では、それに応じて大きな燃料ガス酸化装置が必要となる。
燃料電池発電装置に用いるに適した燃料酸化装置であって、必要とされる触媒表面積及び冷媒表面積が得られ、かつコンパクトで強固かつ軽量なものを提供することが強く望まれている。
発明の概要
本発明は、選択的酸化装置構造体に関し、必要な触媒表面積及び熱交換表面積が得られ、現在用いられている管形熱交換器よりも小さく軽量であり、上記構造体の装置全長にわたって温度制御が向上された選択的酸化装置構造体に関する。本発明に係る選択的酸化装置構造体は、実質的に平板となっている一連の熱交換器コンポーネントから構成される。各熱交換器コンポーネントは、改質ガス通路と、これに隣接した熱交換冷媒通路とを有する。酸化装置アセンブリの入口端において、改質された燃料ガス通路は、燃料ガスラインに接続されており、この燃料ガスラインは、改質装置とシフトコンバータアセンブリとからの燃料ガス混合物を酸化装置へと供給する。酸化装置アセンブリの他端側は、酸化装置アセンブリから得られる処理された燃料ガス混合物を発電装置内の燃料電池スタックへと運ぶラインに接続されている。冷媒のフロー方向は、装置内を流れる燃料ガスのフローと並流や向流とすることができ、あるいは、燃料ガスのフローと垂直にしてもよい。
選択的酸化装置アセンブリの平板コンポーネント即ちプレートコンポーネントは、後述するように、波形の金属シートやＵ形状のストリップによって互いに分離された、平板金属シートから形成することもできる。上記のような波形のシートによって、装置のガス通路側において、燃料ガス中の一酸化炭素成分を適切に酸化するに必要となるに十分な大きさの触媒表面積が得られる。また、この波形のシートによって、装置の熱交換面積も大きくなる。燃料ガス通路コンポーネントを形成するメタルシートは、燃料ガスと接触する表面がすべて触媒化されたアルミナ層でコーティングされている。この触媒化されたアルミナ層は、従来法によるプロセス、たとえばグーレース社（W.R.Grace and Co.）により提供されるプロセスによって、ガスと接触する表面に形成される。
このプロセスは、現在、自動車の触媒コンバータ等に用いられている。平板コンポーネントの形成に用いられている金属プレートは、好ましくは、アルミニウムを含有するスティール合金板である。このスティール合金板どうしをロウ付けやスポット溶接し、表面を酸化し、ウォッシュコートでプライム処理即ち下塗り処理を行い、最後に触媒によってコーティングを行う。コーティングされた触媒は、乾燥すると、上記合金板のウォッシュコートされた面に接着する。上述したように、アセンブリにおける燃料ガス通路のみが触媒化される。酸化装置内の各燃料ガス流通セクションにおいて一連の分離通路を用いることで、必要とされる触媒表面積が得られる。
酸化された燃料ガスのストリームからの熱交換は、実質的に、装置内の各ガス通路を冷却通路とペアリングして（対にして）、対となるガス通路と冷却通路とに同一壁面を共有させることによって、容易に調整することができる。
従って、フラットなプレート構成を用いることで、酸化装置の動作温度をより正確に制御することが可能となる。本発明に係る、プレートをサンドウィッチする構成によれば、触媒１立方フィートあたり５００平方フィートの熱交換面積が得られ、かつ、触媒は、酸化装置の熱交換面と緊密に接触する構成となる。本発明に係る設計によれば、２０ＫＷの発電装置に用いられる選択的酸化装置を、わずか０．１立方フィートの空間により提供することができる。
従って、本発明は、コンパクトで軽量であり、かつ燃料電池発電装置に使用可能な選択的酸化装置アセンブリを提供することを目的とする。
また、本発明は、既存のものよりも温度調整を正確に行うことができる酸化装置アセンブリを提供することを目的とする。
さらに、本発明は、現在市販されている燃料電池発電装置用燃料ガス選択的酸化装置よりも安価に製造できる酸化装置アセンブリを提供することを目的とする。
以下、本発明におけるこれら及びその他の利点を、添付図面及び本発明の好適実施形態を通じて、詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第一の実施形態に係る選択的酸化装置アセンブリの概略説明図である。
図２は、本発明の第二の実施形態に係る選択的酸化装置アセンブリの、図１と同様の概略説明図である。
図３は、ガス通路及び冷媒通路の構成を示す、本発明に係る選択的酸化装置アセンブリの端面図である。
本発明の好適実施形態
図１に、本発明の第一の実施形態に係る選択的酸化装置アセンブリの概略説明図を示す。この選択的酸化装置（オキシダイザ）アセンブリは、参照符号２で示され、一対の空間的に離間された熱交換ゾーン４、６を有し、これらのゾーン間に冷媒熱交換器８が設けられている。
酸化装置アセンブリ２は、互いに平行な外側プレート壁部材１０、１２を有し、これらの部材の間にサンドウィッチされるように中間プレート壁部材１４が設けられている。上記外側プレート壁部材１０、１２は、中間プレート壁部材１４とは空間的に離間している。これらのプレート壁部材１０、１２、１４は、波形のコアシート１６、１８によって互いに分離されている。プレートシート１０と１４は、波形シート１６と結合することで、複数のガスフロー通路２０を形成し、この通路２０を通じて改質ガスと酸素との混合フローが流れる。プレートシート１２、１４は、波形のシート１８と結合することで、複数の冷媒フロー通路２２を形成する。
特に、各ガスフロー通路２０は、それぞれの冷媒フロー通路２２と対になっている。その結果、通路２０、２２は、同一の壁面、即ちプレートシート１４を共有している。図１に示される実施形態は、冷媒ストリームと改質ガス−酸素混合ストリームとが同一方向に流れるようにした形態を示す。即ち、燃料ガス−酸素混合物ストリームは、矢線Ａで示される方向に流れ、冷媒ストリームも、矢線Ｂで示されるように、燃料ガス−酸素混合物ストリームと同じ方向に流れる。
参照符号２４で示されるアセンブリ２の端部は、アセンブリゾーン４、６の各入口端として特徴付けることが可能であり、参照符号２６で示されるアセンブリのゾーン４、６の端は、アセンブリの各出口端として特徴付けられる。
アセンブリ２のゾーン４、６の入口端２４において通路２０に流入するガス混合物は、発電装置のシフトコンバータコンポーネント及び燃料ガス改質装置からのものであり、ゾーン６からの通路２０を流出するガス混合物は、発電装置セルスタックのアクティブエリアへと、配管を通じて供給される。
アセンブリ２は、以下のように動作する。図３を参照すると、ゾーン４、６内のガス通路２０の側面を形成する波形のシート１６だけでなく、表面プレート１０、１４の各壁面１１、１５も、白金触媒コーティング２１が形成されている。この白金触媒コーティングによって、改質装置の燃料ガス−酸素混合物内の一酸化炭素（ＣＯ）を選択的に酸化することができる。
燃料ガス−酸素混合物は、１．０％（10,000ppm）程度のＣＯを含有し、燃料通路２０の入口端２４（図１に示される）に流入する。その温度は、通常約２２０ｏＦから３６０ｏＦである。アセンブリ集合体２の入口端２４において燃料ガス混合物を２２０ｏＦに保つことが重要である。このように温度を維持するのは、酸化装置ゾーン４に流入するガス混合物中のＣＯの比率が大きくなって燃料ガス混合物フロー通路２０内の触媒が不活性化されることを避けるためである。
触媒の性能を落とさないようにするための温度のしきい値は２２０ｏＦである。しかし、温度が約３６０ｏＦから３８０ｏＦを超えると、触媒はその選択性を失い、改質ガスストリーム中のＣＯの代わりにガス中の水素が燃焼してしまう。たとえガスストリーム中のＣＯの酸化により熱が大量に発生したときでも、この触媒表面積の大きいアセンブリ集合体による熱交換流体（ガスまたは液体）との高い熱交換能によって、反応物のストリームが最適な温度に維持される。冷媒ストリーム、ガスストリームは、ともに、アセンブリ集合体の第一のゾーン４をでるときの温度は約２２０ｏＦ〜３８０ｏＦの範囲内にある。
この点において、改質ガスストリームのＣＯ含有量は、通常は約３００−５００ｐｐｍの範囲にある。冷媒ストリームは、冷媒熱交換器８を流通し、冷媒ストリームの温度は、約１７０ｏＦに低下する。この１７０ｏＦの冷媒ストリームは、アセンブリ集合体２の第二のゾーン６の入口端２４において冷媒通路２２に流入する。同時に、燃料ガスストリームは、必要であれば、燃料ガス熱交換器８’内で、約１７０ｏＦ〜２２０ｏＦに冷やされる。
ライン２１を通じて、燃料ガスラインに酸素を追加してもよい。再酸化された燃料ガスは、その後に、アセンブリ集合体２の第二のゾーン６の入口端２４においてガスストリーム通路２２に入る。アセンブリ集合体２の第二のゾーン６を流通する間に、改質ガスストリームの温度は約１８０ｏＦに低下し、改質ガスストリームのＣＯ含有量は、約１０ｐｐｍより少なくなる。アセンブリ集合体ゾーン６の端部２６を出る改質ガスストリームの温度は、このようにして約１８０ｏＦとなり、ＣＯ含有量は、約１０ｐｐｍより少なくなる。図１に点線で示されるように、冷媒ガスストリーム及び燃料ガスストリームは、図の矢線Ａ，Ｂ’に示されるように、互いに直交あるいは交差する方向に流れるようにしてもよい。
図２は、本発明に係る選択的酸化装置の第二の実施形態の概略説明図である。図２に示されるアセンブリ集合体は、参照符号２’で示され、上述のプレートコンポーネントから形成されるハウジング２８を有する。冷媒ストリームは、矢線Ｄの方向にハウジング２８を流通し、燃料ガス−酸素混合物ストリームは、矢線Ｃの方向にハウジング２８を流通する。
冷媒は、約２２０ｏＦより低い温度、好ましくは約１５０ｏＦ〜１７０ｏＦの範囲でハウジング２８の端部３０に流入する。燃料ガス−酸素混合物ストリームは、約２２０ｏＦ〜３８０ｏＦの範囲の温度で、ハウジング２８の端部３２に流入する。燃料ガスストリームは、約１８０ｏＦ〜２２０ｏＦの範囲の温度で、ハウジング２８の端部から流出し、冷媒ストリームは、約２２０〜３６０ｏＦの温度範囲で、ハウジング２８の出口側の端部３２から流出する。
外側のプレートパートと内部分離通路とを用いたプレート構造を用いることで、軽量で強度の高く、かつ単位体積当たりの表面積の大きい酸化装置アセンブリが得られる。
酸化装置熱交換アセンブリ内の燃料ガスフロー通路の全表面は、ウォッシュコーティングを行って、アセンブリ構造体内の燃料ガスフロー通路に対して触媒を選択的に配することで、触媒化することができる。また、アセンブリのガスフローセクションと冷媒フローセクションとが広い熱交換面を形成している。このことにより、このアセンブリにおいては、従来用いられている管形触媒化ペレットタイプ酸化装置よりも一層温度調整を正確に行うことができるようになる。
なお、図面では、ガス通路及び冷媒通路は、一枚以上の波形シートで形成されているが、代わりに、分離型のＵ字型ストリップを用いることも可能である。上述した板型の構成を用いることで、重量及びサイズが小さくなり、かつ、燃料電池発電装置の出力を大きくすることができる。
本発明の上述の実施形態は、本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変更及び修正が可能である。上述の実施形態は、請求範囲により規定される本発明の範囲を限定するものではない。

Claims (5)

1. 炭化水素燃料ガス選択的酸化装置アセンブリであって、
   ａ）燃料ガスと酸素との混合物を前記アセンブリに流入させるための第一の流入ラインを有し、
   ｂ）前記燃料ガスと酸素との混合物のストリームを受けるように前記第一の流入ラインに接続されたガスフローセクションを有し、このガスフローセクションは、互いに空間的に離間した第一のプレートと第二のプレートとを有し、複数の分離ガス通路が前記第一のプレートと第二のプレートとの間に設けられており、
   ｃ）冷媒を前記アセンブリに流入させるための第二の流入ラインを有し、
   ｄ）前記第二の流入ラインに接続され、かつ前記ガスフローセクションに隣接している冷媒セクションを有し、この冷媒セクションは、前記第一のプレートと第三のプレートとにより形成され、この第三のプレートは、前記第一のプレートと空間的に離間し、かつ前記第二のプレートとの間に前記第一のプレートが配置されるように設けられており、前記冷媒セクションは、更に、前記第一のプレートと第三のプレートとの間に設けられた複数の冷媒通路を有し、前記第一のプレートを通じて、前記ガス通路を流通するガスから前記冷媒通路を流通する冷媒への熱交換がなされ、
   ｅ）前記アセンブリから酸化された燃料ガスを除去するように前記ガスフローセクションに接続された第一の流出ラインを有し、
   ｆ）前記アセンブリから冷媒を除去するように前記冷媒セクションに接続された第二の流出ラインを有し、
   前記アセンブリは、互いに隣接する第一のゾーンと第二のゾーンとを有し、前記各ゾーンは、ガスフローセクションと冷媒セクションとを含み、前記第一と第二のゾーンは、前記第一のゾーンから前記燃料ガスと酸素との混合物をうける第一の熱交換手段と、前記第一のゾーンから前記冷媒をうける第二の熱交換手段と、によって互いに分離され、かつ、この二つの熱交換手段は、前記第二のゾーンへ入る前の前記燃料ガスと酸素との混合物および前記冷媒の温度を下げることが可能であり、前記流入ラインは、前記第一のゾーンへと接続され、前記流出ラインは、前記第二のゾーンに接続されていることを特徴とするアセンブリ。
2. 前記ガス通路の壁は、白金触媒コーティングにより被覆されており、この白金触媒コーティングは、前記ガス通路を流通する燃料ガス内の一酸化炭素の選択的酸化が可能であることを特徴とする請求項１記載のアセンブリ。
3. 前記第一の流入ラインは、前記アセンブリの第二の流入ラインと同じサイドに設けられており、前記燃料ガスと酸素との混合物は、前記アセンブリを通じて前記冷媒フローと並流になっていることを特徴とする請求項１記載のアセンブリ。
4. 前記第一の流入ラインは、前記アセンブリの前記第二の流入ラインと対向するサイドに設けられており、前記燃料ガスと酸素との混合物は、前記アセンブリを通じて前記冷媒フローと向流になっていることを特徴とする請求項１記載のアセンブリ。
5. 前記第一の流入ラインと第二の流入ラインとは、前記アセンブリの互いに隣接するサイドに設けられ、前記燃料ガスと酸素との混合物は、前記冷媒と互いに前記アセンブリ内で交差する方向に流通することを特徴とする請求項１記載のアセンブリ。

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