JP4962462B2 - 一酸化炭素除去装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ガス中に含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置に関する。
従来、一酸化炭素選択酸化法(CO選択酸化法)を用いて、改質器から出力される改質ガス中に含まれる一酸化炭素(CO)の濃度を低減する一酸化炭素選択酸化部(CO選択酸化部)を備えた燃料電池システムが知られている。
CO選択酸化法では、(CO+1/2O2 →CO2 )というCOの酸化反応が進行する一方で、その副反応として(H2 +CO2 →CO+H2 O)という逆シフト反応も進行する。従って、CO選択酸化法を用いて改質ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度の低減を図る場合には、この逆シフト反応の影響を抑えることが課題となる。
逆シフト反応の影響を抑える方法としては、従来からいくつかの方法が提案されてきた。以下に代表的な3つの方法を示す。
1.CO選択酸化部を分割して多段に空気を吹き込み、逆シフト反応によって生成されたCOを再度酸化することにより、COの濃度を低減する方法。
2.改質ガス流量に応じて触媒温度を変化させることにより、逆シフト反応の影響を回避する方法(特許文献1参照)。
3.改質ガス流量に応じて触媒量を変化させることにより、逆シフト反応の影響を回避する方法(特許文献2参照)。
特開平8−106914号公報 特開平8−106914号公報
CO選択酸化部を分割して多段に空気を吹き込み、逆シフト反応によって生成されたCOを再度酸化する方法を採用する場合には、CO選択酸化部内に設けられた複数の反応部を切り替える必要があり、CO選択酸化部の構造が複雑になるとともにCOの酸化反応を離散的にしか制御することができないという問題点がある。
また、改質ガス流量に応じて触媒温度を変化させる方法を採用する場合には、触媒温度の最適条件の上限温度と下限温度も改質ガス流量に応じて変化させる必要がある。しかし、触媒温度が常に最適条件の範囲内となるようにCO選択酸化部の温度を可変に制御することは容易ではないという問題点がある。
また、改質ガス流量に応じて触媒量を変化させることにより、逆シフト反応の影響を回避する方法を採用する場合には、触媒量を変化させる必要があるため、装置として大型化するという問題点がある。
本発明の目的は、COの酸化反応を連続的に制御することができるCO選択酸化部を備えた一酸化炭素除去装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、温度一定の状態で、燃料電池への要求出力に応じた一酸化炭素の酸化反応を行うことができるCO選択酸化部を備えた一酸化炭素除去装置を提供することにある。
本発明の一酸化炭素除去装置は、改質触媒によって燃料ガスを改質することによって得られる改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択的に酸化することにより、二酸化炭素を生成する一酸化炭素選択酸化部と、前記改質ガスとともに酸素を前記一酸化炭素選択酸化部に供給する酸素供給部と、前記一酸化炭素選択酸化部に供給される前記改質ガスの量が増大するにつれて前記一酸化炭素選択酸化部内の圧力が大きくなるように、前記一酸化炭素選択酸化部内の圧力を制御するを制御する制御部とを備えており、これにより、上記目的が達成される。
本発明の他の一酸化炭素除去装置は、改質触媒によって燃料ガスを改質することによって得られる改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択的に酸化することにより、二酸化炭素を生成する一酸化炭素選択酸化部と、前記改質ガスとともに酸素を前記一酸化炭素選択酸化部に供給する酸素供給部と、前記一酸化炭素選択酸化部に供給される前記改質ガスの量が所定の値より低い場合には、前記一酸化炭素選択酸化部に供給される前記改質ガスの量が増大するにつれて前記一酸化炭素選択酸化部内の酸素の濃度と一酸化炭素の濃度との比が大きくなるように前記一酸化炭素選択酸化部に供給される酸素の量を制御し、前記一酸化炭素選択酸化部に供給される前記改質ガスの量が所定の値より高い場合には、前記一酸化炭素選択酸化部に供給される前記改質ガスの量が増大するにつれて前記一酸化炭素選択酸化部内の圧力が大きくなるように前記一酸化炭素選択酸化部内の圧力を制御する制御部とを備えており、これにより、上記目的が達成される。
本発明の一酸化炭素除去装置によれば、一酸化炭素選択酸化部に供給される改質ガスの量が増大するにつれて一酸化炭素選択酸化部の圧力が大きくなるように、一酸化炭素選択酸化部の圧力が制御される。一酸化炭素の選択酸化部内の圧力が大きくなると、一酸化炭素と触媒との接触時間が長くなるので一酸化炭素の酸化反応が進行する。その結果、一酸化炭素選択酸化部の温度一定という条件下でも一酸化炭素選択酸化部に供給される改質ガスの量が増大するにつれて一酸化炭素の酸化反応が進行する。このようにして、一酸化炭素選択酸化部の温度を一定に保ちつつ、改質ガスの量に応じた一酸化炭素の酸化反応を行うことが可能になる。
さらに、本発明の他の1つの実施形態では、一酸化炭素選択酸化部に供給される改質ガスの量が所定の値より低い場合には、一酸化炭素選択酸化部に供給される改質ガスの量が増大するにつれて一酸化炭素選択酸化部内の酸素の濃度と一酸化炭素の濃度との比(すなわち、O/CO比)が大きくなるように一酸化炭素選択酸化部に供給される酸素の量が制御され、一酸化炭素選択酸化部に供給される改質ガスの量が所定の値より高い場合には、一酸化炭素選択酸化部に供給される改質ガスの量が増大するにつれて一酸化炭素選択酸化部内の圧力が大きくなるように一酸化炭素選択酸化部の圧力が制御される。これにより、低負荷時には応答性が高く、高負荷時には一酸化炭素の酸化反応の効率が高いという最適化された一酸化炭素除去装置を実現することができる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1の燃料電池システム1aの構成を示す。燃料電池システム1aは、固体高分子型燃料電池(以下、PEFCと略称する)10を備えている。
PEFC10には、酸素ガス供給管路12を介して酸化剤ガスである空気が供給され、水素ガス供給管路14を介して燃料ガスを水蒸気改質することにより得られた改質ガス(水素ガス)が供給される。水素ガス供給管路14には、改質ガス中に含まれる一酸化炭素(CO)の濃度を低減する一酸化炭素選択酸化部(CO選択酸化部)28と、燃料ガスを水蒸気改質する改質器26とが設けられている。燃料ガスとしては、例えば、メタノールが使用される。
PEFC10は、固体高分子電解質膜を陽極と陰極とで挟持した構造を有している。陽極には空気が供給され、陰極には水素ガスが供給される。その結果、陽極と陰極のそれぞれにおいて以下に示す電極反応が進行する。
陰極(水素極):
2H2 →4H+ +4e-
陽極(酸素極):
4H+ +4e- O2 →2H2 O
PEFC10は、上記電極反応によって得られる起電力により、配線16、18を介してDC/DCコンバータ32に電圧を供給する。
DC/DCコンバータ32は、PEFC10からの電圧を所望の電圧に変換し、変換された電圧をインバータ36を介してモータ38に供給する。その結果、モータ38が駆動される。DC/DCコンバータ32とインバータ36との間には、モータ38に補助電力を供給するバッテリ34が接続されている。バッテリ34は、補助電池として機能する。
改質器26は、燃料タンク22から圧送ポンプ22aにより燃料ガスの供給を受け、水タンク24から圧送ポンプ24aにより水の供給を受ける。改質器26は、燃料ガスと水との改質反応を所定の温度で進行させる。これにより、水素ガスが水蒸気と混在した状態で生成される。改質器26によって生成された水素ガスは、CO選択酸化部28に送られる。
CO選択酸化部28は、改質器26から出力される改質ガス中に含まれるCOを選択的に酸化することにより、改質ガス中に含まれるCOの濃度を低減する。
CO選択酸化部28におけるCOの酸化反応は以下に示すとおりである。
CO+1/2O2 →CO2
上記酸化反応により、改質ガス中に含まれるCOの濃度を100ppm以下にすることができる。CO選択酸化部28によってCOの濃度が低減された改質ガスがPEFC10に供給される。
CO選択酸化部28には、空気ポンプ50によって所定の量の酸素が供給される。CO選択酸化部28に供給される酸素の量は、PEFC10への要求出力に応じて決定される。
図2Aは、PEFC10への要求出力(すなわち、CO選択酸化部28に供給される改質ガスの量)と、CO選択酸化部28における酸素の濃度とCOの濃度との比(すなわち、O/CO比)との関係を示す。例えば、図2Aに示される関係は、マップの形式で、電子制御装置40内のROMに格納され得る。
電子制御装置40は、PEFC10への要求出力をインバータ36から受け取る。電子制御装置40は、インバータ36からの要求出力に応じて、CO選択酸化部28におけるO/CO比を制御する。例えば、図2Aに示されるように、要求出力が値aを有する場合には、O/CO比は、値aに対応する値bを有するように制御される。
O/CO比の制御は、CO選択酸化部28におけるCOの濃度を検出し、検出されたCOの濃度に基づいて、CO選択酸化部28に供給される酸素の量を調整することによって達成される。COの濃度は、COセンサ52によって検出される。COセンサ52は、例えば、改質器26の出口付近に設けられている。CO選択酸化部28に供給される酸素の量は、空気ポンプ50によって調整される。空気ポンプ50は、電子制御装置40によって制御される。
このように、電子制御装置40は、PEFC10への要求出力(すなわち、CO選択酸化部28に供給される改質ガスの量)に応じて、CO選択酸化部28に供給される酸素の量を制御する。これにより、CO選択酸化部28への酸素供給量を連続的に制御することができる。その結果、CO選択酸化部28におけるCOの酸化反応を連続的に制御することが可能になる。
さらに、燃料電池システム1aでは、PEFC10への要求出力が増大するにつれてCO選択酸化部28におけるO/CO比が大きくなるように、CO選択酸化部28に供給される酸素の量が制御される。CO選択酸化部28におけるO/CO比は、PEFC10への要求出力の大きさにかかわらず、常に1より大きくなるように設定される。その結果、CO選択酸化部28の温度一定という条件下でもPEFC10への要求出力が増大するにつれてCOの酸化反応が進行する。O/CO比が常時1より大きくかつ要求出力に応じて酸素過剰の度合が大きくなるため、要求出力すなわち改質ガスのガス量が増加しても一定温度下でCO酸化を十分に反応させることが可能となる。このようにして、CO選択酸化部28の温度を一定に保ちつつ、PEFC10への要求出力に応じたCOの酸化反応を行うことが可能になる。
図2Bは、従来の方法によるCO選択酸化部28の温度の最適条件の範囲を示す。図2Cは、本発明の方法によるCO選択酸化部28の温度の最適条件の範囲を示す。図2および図2Cにおいて、斜線で示される範囲が最適条件の範囲である。
図2Cに示される最適条件の範囲内に入るようにCO選択酸化部28の温度を制御することは、図2Bに示される最適条件の範囲内に入るようにCO選択酸化部28の温度を制御することに比べて格段に容易である。PEFC10への要求出力にかかわらずCO選択酸化部28の温度を一定に制御することは、例えば、CO選択酸化部28内のCOの酸化反応(発熱反応)による温度上昇を防ぐように冷却水を循環させる冷却系を設けることによって容易に達成することができる。この制御を図1の電子制御装置40からCO選択酸化部28への点線の矢印で示す。このように、PEFC10への要求出力にかかわらずCO選択酸化部28の温度を一定に制御することは、PEFC10への要求出力に応じてCO選択酸化部28の温度を可変に制御する場合に比べて、CO選択酸化部28の温度制御機構を簡略化することができるという利点を提供する。
なお、図1に示される構成のうち一点鎖線によって囲まれた部分を一酸化炭素除去装置100aとして把握することもできる。すなわち、一酸化炭素除去装置100aは、改質触媒によって燃料ガスを改質することによって得られる改質ガスに含まれるCOを選択的に酸化することにより、二酸化炭素を生成するCO選択酸化部28と、改質ガスとともに酸素をCO選択酸化部28に供給する酸素供給部50と、CO選択酸化部28に供給される改質ガスの量に応じて、CO選択酸化部28への酸素供給状態を制御する制御部40aとを含む。制御部40aは、電子制御装置40の一部に組み込まれている。CO選択酸化部28に供給される改質ガスの量に応じて、CO選択酸化部28への酸素供給状態を制御することにより、COの酸化反応の応答性を決定するCO選択酸化部28の温度制御を簡素化し、かつ、その酸化反応を連続的に制御することが可能になる。
本実施の形態では、CO選択酸化部28への酸素供給状態は、CO選択酸化部28内のO/CO比によって表される。この場合には、CO選択酸化部28に供給される酸素の量を制御することにより、CO選択酸化部28内のO/CO比を容易に制御することができる。その結果、CO選択酸化部28への酸素供給状態の制御を容易に行うことができる。
(実施の形態2)
図3は、本発明の実施の形態2の燃料電池システム1bの構成を示す。燃料電池システム1bは、CO選択酸化部28内の圧力を検出する圧力センサ54と、CO選択酸化部28内の圧力を調整するための圧力調整弁56とを含む。
圧力センサ54は、CO選択酸化部28の出口付近に設けられている。あるいは、圧力センサ54は、CO選択酸化部28の内部に設けられていてもよい。圧力調整弁56の開度は、電子制御装置40によって制御される。
CO選択酸化部28には、空気ポンプ50によって所定の量の酸素が供給される。CO選択酸化部28に供給される酸素の量は、PEFC10への要求出力に応じて決定される。
図4Aは、PEFC10への要求出力(すなわち、CO選択酸化部28に供給される改質ガスの量)と、CO選択酸化部28内の圧力との関係を示す。例えば、図4Aに示される関係は、マップの形式で、電子制御装置40内のROMに格納され得る。
電子制御装置40は、PEFC10への要求出力をインバータ36から受け取る。電子制御装置40は、インバータ36からの要求出力に応じて、CO選択酸化部28内の圧力を制御する。例えば、図4Aに示されるように、要求出力が値cを有する場合には、CO選択酸化部28内の圧力は、値cに対応する値dを有するように制御される。ここで、CO選択酸化部28におけるO/CO比は一定に制御されていることが前提条件である。
CO選択酸化部28内の圧力の制御は、CO選択酸化部28内の圧力を検出し、検出された圧力に基づいて、圧力調整弁56の開度を調整することによって達成される。また、O/CO比を一定に制御するためにCO選択酸化部28に供給される酸素の量が調整される。このようなO/CO比の制御は、実施の形態1と同様の方法で行われる。
燃料電池システム1bでは、PEFC10への要求圧力が増大するにつれてCO選択酸化部28内の圧力が大きくなるように、圧力調整弁56の開度が制御される。CO選択酸化部28内の圧力は、PEFC10への要求出力の大きさにかかわらず、常に大気圧より大きくなるように設定される。CO選択酸化部28内の圧力が大きくなると、COと触媒との接触時間が長くなるのでCOの酸化反応が進行する。その結果、CO選択酸化部28の温度一定という条件下でもPEFC10への要求出力が増大するにつれてCOの酸化反応が進行する。このようにして、CO選択酸化部28の温度を一定に保ちつつ、PEFC10への要求出力に応じたCOの酸化反応を行うことが可能になる。
図4Bは、従来の方法によるCO選択酸化部28の温度の最適条件の範囲を示す。図4Cは、本発明の方法によるCO選択酸化部28の温度の最適条件の範囲を示す。図4Bおよび図4Cにおいて、斜線で示される範囲が最適条件の範囲である。
図4Cに示される最適条件の範囲内に入るようにCO選択酸化部28の温度を制御することは、図4Bに示される最適条件の範囲内に入るようにCO選択酸化部28の温度を制御することに比べて格段に容易である。PEFC10への要求出力にかかわらずCO選択酸化部28の温度を一定に制御することは、例えば、CO選択酸化部28内のCOの酸化反応(発熱反応)による温度上昇を防ぐように冷却水を循環させる冷却系を設けることによって容易に達成することができる。この制御を図3の電子制御装置40からCO選択酸化部28への点線の矢印で示す。このように、PEFC10への要求出力にかかわらずCO選択酸化部28の温度を一定に制御することは、PEFC10への要求出力に応じてCO選択酸化部28の温度を可変に制御する場合に比べて、CO選択酸化部28の温度制御機構を簡略化することができるという利点を提供する。
さらに、O/CO比の制御とCO選択酸化部28内の圧力の制御とを組み合わせてもよい。
O/CO比の制御によるメリットは、酸素供給量を早く変化させることが可能であるため応答性が高いことである。特に改質ガス流量が多い程、つまり高負荷な程、不要のH2の酸化量を減らす効果が大きくなり、改質器−燃料電池のシステム効率の低下抑制に効果的となる。一方、O/CO比の制御によるデメリットは、CO選択酸化部28に供給される酸素とCO選択酸化部28内の水素とが反応して水が生成されるためCOの酸化反応の効率が悪いことである。
CO選択酸化部28内の圧力の制御によるメリットは、O/CO比が一定に保たれるためCOの酸化反応の効率がよいことである。一方、CO選択酸化部28内の圧力の制御によるデメリットは、圧力調整にはタイムラグがあるため応答性が低いことである。
PEFC10への要求出力が低出力である場合には、COの酸化反応の効率よりも応答性を優先させ、PEFC10への要求出力が高出力である場合には、応答性よりもCOの酸化反応の効率を優先させることにより、要求出力に対して最適化された燃料電池システムを実現することができる。
好ましい実施形態では、PEFC10への要求出力が所定の値より低い場合には、PEFC10への要求出力が増大するにつれてO/CO比が大きくなるようにCO選択酸化部28に供給される酸素の量が制御される。PEFC28への要求出力が所定の値より高い場合には、PEFC10への要求出力が増大するにつれてCO選択酸化部28内の圧力が大きくなるようにCO選択酸化部28内の圧力が制御される。これにより、PEFC10への要求出力が低出力である場合には応答性が高く、PEFC10への要求出力が高出力である場合にはCOの反応効率が高いという最適化された燃料電池システムを実現することができる。
なお、図3に示される構成のうち一点鎖線によって囲まれた部分を一酸化炭素除去装置100bとして把握することもできる。すなわち、一酸化炭素除去装置100bは、改質触媒によって燃料ガスを改質することによって得られる改質ガスに含まれるCOを選択的に酸化することにより、二酸化炭素を生成するCO選択酸化部28と、改質ガスとともに酸素をCO選択酸化部28に供給する酸素供給部50と、CO選択酸化部28に供給される改質ガスの量に応じて、CO選択酸化部28への酸素供給状態を制御する制御部40aとを含む。制御部40aは、電子制御装置40の一部に組み込まれている。CO選択酸化部28に供給される改質ガスの量に応じて、CO選択酸化部28への酸素供給状態を制御することにより、COの酸化反応の応答性を決定するCO選択酸化部28の温度制御を簡素化し、かつ、その酸化反応を連続的に制御することが可能になる。
本発明の実施の形態1の燃料電池システム1aの構成を示す図である。 PEFC10への要求出力とCO選択酸化部28におけるO/CO比との関係を示す図である。 従来の方法によるCO選択酸化部28の温度の最適条件の範囲を示す。 本発明の方法によるCO選択酸化部28の温度の最適条件の範囲を示す。 本発明の実施の形態2の燃料電池システム1bの構成を示す図である。 PEFC10への要求出力とCO選択酸化部28内の圧力との関係を示す図である。 従来の方法によるCO選択酸化部28の温度の最適条件の範囲を示す。 本発明の方法によるCO選択酸化部28の温度の最適条件の範囲を示す。
符号の説明
1a、1b 燃料電池システム
10 PEFC
12 酸素ガス供給管路
14 水素ガス供給管路
16、18 配線
22 燃料タンク
24 水タンク
22a、24a 圧送ポンプ
26 改質器
28 CO選択酸化部
32 DC/DCコンバータ
34 バッテリ
36 インバータ
38 モータ
40 電子制御装置
50 空気ポンプ(酸素供給部)
52 COセンサ
54 圧力センサ
56 圧力調整弁

Claims (2)

  1. 改質触媒によって燃料ガスを改質することによって得られる改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択的に酸化することにより、二酸化炭素を生成する一酸化炭素選択酸化部と、
    前記改質ガスとともに酸素を前記一酸化炭素選択酸化部に供給する酸素供給部と、
    前記一酸化炭素選択酸化部に供給される前記改質ガスの量が増大するにつれて前記一酸化炭素選択酸化部内の圧力が大きくなるように、前記一酸化炭素選択酸化部内の圧力を制御する制御部と
    を備えた一酸化炭素除去装置。
  2. 改質触媒によって燃料ガスを改質することによって得られる改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択的に酸化することにより、二酸化炭素を生成する一酸化炭素選択酸化部と、
    前記改質ガスとともに酸素を前記一酸化炭素選択酸化部に供給する酸素供給部と、
    前記一酸化炭素選択酸化部に供給される前記改質ガスの量が所定の値より低い場合には、前記一酸化炭素選択酸化部に供給される前記改質ガスの量が増大するにつれて前記一酸化炭素選択酸化部内の酸素の濃度と一酸化炭素の濃度との比が大きくなるように前記一酸化炭素選択酸化部に供給される酸素の量を制御し、前記一酸化炭素選択酸化部に供給される前記改質ガスの量が所定の値より高い場合には、前記一酸化炭素選択酸化部に供給される前記改質ガスの量が増大するにつれて前記一酸化炭素選択酸化部内の圧力が大きくなるように前記一酸化炭素選択酸化部内の圧力を制御する制御部と
    を備えた一酸化炭素除去装置。
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