JPH10182103A - 一酸化炭素選択酸化装置及び燃料改質装置並びに燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水素リッチガス中の一酸化炭素を水素に対し
て選択的に酸化する触媒を備える選択酸化部の温度を触
媒の活性化温度領域内で均一化する。 【解決手段】 水素リッチガス中の一酸化炭素を水素に
対して選択的に酸化する触媒を備える選択酸化部３６と
熱交換可能な状態で冷却水を保持する保持部４０の上部
には、水蒸気を外部に放出することにより保持部４０内
を予め設定された圧力で保持する圧力保持弁４４を設け
る。保持部４０内の冷却水は、選択酸化部３６との熱交
換により加熱されて保持部４０内の圧力によって定まる
温度で沸騰する。保持部４０内の圧力は一定に保持され
るから、冷却水の温度は、冷却水のすべてが気化するま
では変化せず、その温度に保たれる。冷却水の沸点が触
媒の活性温度領域内となるよう圧力保持弁４４を調節す
ることにより、選択酸化部３６を触媒の活性温度領域内
に均一化することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一酸化炭素選択酸
化装置および燃料改質装置並びに燃料電池システムに関
し、詳しくは、所定の温度領域で水素リッチガス中の一
酸化炭素を選択的に酸化する触媒を有する選択酸化部
と、該選択酸化部を冷却する冷却手段とを備える一酸化
炭素選択酸化装置およびこの一酸化炭素選択酸化装置を
備えメタノールと水から水素リッチな燃料ガスを生成す
る燃料改質装置並びにこうした燃料改質装置を備える燃
料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の一酸化炭素選択酸化装置
としては、水素リッチガス中に混在する一酸化炭素を選
択的に除去する触媒（一酸化炭素選択触媒）を保持する
選択酸化部を、この選択酸化部内に設けられた流路に冷
却水を流すことによって冷却するものが提案されている
（例えば、特開平７−１８５３０３号公報など）。この
装置では、水素リッチガス中の一酸化炭素が主に酸化さ
れる選択酸化部における水素リッチガスの入口側半分
を、一酸化炭素選択酸化触媒を保持する触媒層と冷却水
の流路を形成する冷却層とを交互に積層することによっ
て構成し、冷却層に冷却水を流すことによって、触媒層
を一酸化炭素選択酸化触媒が活性化する温度領域（上述
の公報における一酸化炭素酸化触媒では１００℃以下）
に保持するものとしている。ここで、触媒層を冷却する
のは、一酸化炭素の酸化反応は発熱反応だからである。
なお、この装置では、選択酸化部の後半分は一酸化炭素
選択酸化触媒を保持する触媒層のみで構成されており、
前半分で酸化されなかった水素リッチガス中の一酸化炭
素を更に酸化するものとしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
た一酸化炭素選択酸化装置では、冷却層における冷却水
の入口付近と出口付近における温度が異なることや水素
リッチガスの流量によって触媒層における一酸化炭素の
酸化反応が行われる部位が変化することから、選択酸化
部の各触媒層および触媒層の各部の温度を均一にするこ
とが困難であるという問題があった。一酸化炭素選択酸
化触媒は、その種類によっても異なるが、活性化する温
度領域があるから、選択酸化部の各触媒層や触媒層の各
部の温度を均一にすることができないと、反応に寄与す
る部分と寄与しない部分とが生じることになって各触媒
層の一酸化炭素選択酸化触媒を有効に用いることができ
ない。したがって、このような場合に水素リッチガス中
の一酸化炭素の濃度を十分に低下させるためには、装置
を大型なものにしなければならない。特に、特定の温度
領域では一酸化炭素を選択的に酸化するが、その温度領
域からはずれると水素をも酸化する触媒を一酸化炭素選
択酸化触媒として用いる場合には、選択酸化部全体を一
酸化炭素を選択的に酸化する温度領域の温度に均一化す
る必要性が更に高くなる。

【０００４】本発明の一酸化炭素選択酸化装置は、水素
リッチガス中の一酸化炭素を水素に対して選択的に酸化
する触媒を備える選択酸化部全体の温度を触媒が活性化
する温度領域内の温度で均一化することを目的の一つと
する。また、本発明の一酸化炭素選択酸化装置は、装置
全体の効率の向上および装置の小型化を目的の一つとす
る。

【０００５】本発明の燃料改質装置および燃料電池シス
テムは、本発明の一酸化炭素選択酸化装置を組み込むと
共に、装置全体またはシステム全体の効率の向上を目的
の一つとする。

【０００６】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本
発明の一酸化炭素選択酸化装置は、上述の目的の少なく
とも一部を達成するために以下の手段を採った。

【０００７】本発明の一酸化炭素選択酸化装置は、所定
の温度領域で水素リッチガス中の一酸化炭素を選択的に
酸化する触媒を有する選択酸化部と、該選択酸化部を冷
却する冷却手段とを備える一酸化炭素選択酸化装置であ
って、前記冷却手段は、冷却媒体を前記選択酸化部と熱
交換可能な状態で保持する保持部と、該保持部内の圧力
を調整する圧力調整手段とを備えることを要旨とする。

【０００８】この本発明の一酸化炭素選択酸化装置は、
冷却手段の保持部が、冷却媒体を、所定の温度領域で水
素リッチガス中の一酸化炭素を選択的に酸化する触媒を
有する選択酸化部と熱交換可能な状態で保持し、圧力調
整手段が、この保持部内の圧力を調整する。一般に、物
質の沸点は、圧力によって定まり、熱力学上の臨界圧力
未満の圧力では、液相と気相とが共存する二相状態とな
る。このとき、圧力を一定に保てば、物質のすべてが気
相となるまで或いは液相となるまで、温度は一定に保た
れる。本発明の一酸化炭素選択酸化装置では、圧力調整
手段を冷却媒体の沸点が前記所定の温度領域内の温度と
なるよう保持部内の圧力を調節する手段とすることがで
きるから、こうすることにより、保持部内の各部の温度
をその圧力における冷却媒体の沸点にすることができ、
選択酸化部の各部を触媒が活性化する温度にすることが
できる。この結果、装置の効率をより高くすることがで
き、装置を小型化することができる。

【０００９】こうした本発明の一酸化炭素選択酸化装置
において、前記圧力調整手段は、前記保持部に保持され
た冷却媒体の一部または該冷却媒体の蒸気の一部を外部
に放出することにより該保持部内の圧力を調整する手段
であるものとすることができる。こうすれば、保持部内
の温度を変化させずに保持部内の圧力を一定に保つこと
ができる。

【００１０】また、本発明の一酸化炭素選択酸化装置に
おいて、前記冷却手段は、更に、前記保持部に冷却媒体
を圧送する圧送手段を備えるものとすることもできる。
こうすれば、圧力調整手段により外部に放出されること
によって減少する保持部内の冷却媒体の補給を行なうこ
とができる。

【００１１】こうした圧送手段を備える本発明の一酸化
炭素選択酸化装置において、前記保持部に保持される冷
却媒体の量が一定となるよう前記圧送手段を制御する圧
送量制御手段を備えるものとすることもできる。こうす
れば、保持部内の冷却媒体の量を一定にすることがで
き、連続して選択酸化部を冷却することができる。

【００１２】この圧送量制御手段を備える本発明の一酸
化炭素選択酸化装置において、前記保持部内の冷却媒体
の液面を検出する液面検出手段を備え、前記圧送量制御
手段は前記液面検出手段により検出された冷却媒体の液
面が所定の位置となるよう制御する手段であるものとす
ることもできる。

【００１３】本発明の燃料改質装置は、メタノールと水
とから水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質装置で
あって、メタノールと水とを気化させる気化部と、該気
化させたメタノールと水とを反応させて水素リッチな改
質ガスを生成する反応部と、前記圧力調整手段が前記保
持部に保持された冷却媒体の一部または該冷却媒体の蒸
気の一部を外部に放出することにより該保持部内の圧力
を調整する手段である上述の本発明の一酸化炭素選択酸
化装置と、前記圧力調整手段から放出される冷却媒体ま
たは該冷却媒体の蒸気の少なくとも一部を前記気化部の
熱源として導入する導入手段とを備えることを要旨とす
る。

【００１４】この本発明の燃料改質装置は、導入手段
が、一酸化炭素選択酸化装置の圧力調整手段から放出さ
れる冷却媒体またはこの冷却媒体の蒸気の少なくとも一
部をメタノールと水とを気化させる気化部の熱源として
導入する。

【００１５】この本発明の燃料改質装置によれば、圧力
調整手段から放出される冷却媒体またはこの冷却媒体の
蒸気の少なくとも一部をメタノールと水とを気化させる
気化部の熱源として用いるから、装置全体のエネルギ効
率を向上させることができる。

【００１６】こうした本発明の燃料改質装置において、
前記冷却媒体は水であり、前記導入手段は前記圧力調整
手段から放出される水または水蒸気の少なくとも一部を
前記燃料ガスの原材料として前記気化部に導入する手段
であるものとすることもできる。こうすれば、圧力調整
手段から放出される水または水蒸気の少なくとも一部を
メタノールと水とを気化させる気化部の熱源として用い
ると共に燃料ガスの原材料として用いることができ、装
置全体のエネルギ効率の更なる向上と原材料の有効利用
の促進に資することができる。

【００１７】本発明の第１の燃料電池システムは、冷却
媒体として水を用い、前記導入手段が圧力調整手段から
放出される水または水蒸気の少なくとも一部を前記燃料
ガスの原材料として前記気化部に導入する手段である上
述の本発明の燃料改質装置と、該燃料改質装置により生
成された燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとの供給
を受けて発電する燃料電池とを備える燃料電池システム
であって、更に、前記圧力調整手段から放出される水ま
たは水蒸気の少なくとも一部を前記燃料ガスおよび／ま
たは前記酸化ガスに導入する第２の導入手段を備えるこ
とを要旨とする。

【００１８】この本発明の第１の燃料電池システムは、
第２の導入手段が、圧力調整手段から放出される水また
は水蒸気の少なくとも一部を燃料ガスおよび／または酸
化ガスに導入し、燃料電池が、この水または水蒸気が導
入された燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電す
る。燃料電池が固体高分子型の燃料電池である場合に、
燃料電池を連続して効率よく運転するためには、電解質
内の燃料極側から酸素極側へのプロトンの泳動がその水
和物の形態で行なわれることにより生じる電解質の燃料
極側の水の不足を補給し、電解質を湿潤状態に保つ必要
がある。したがって、本発明の第１の燃料電池システム
のように、圧力調整手段から放出される水または水蒸気
を燃料ガスや酸化ガスに導入することにより、燃料電池
を効率よく連続して運転することができるようになる。
この結果、燃料ガスや酸化ガスを加湿する装置を設ける
必要がないから、システムを簡易で小型のものとするこ
とができる。もとより、圧力調整手段から放出される水
または水蒸気の少なくとも一部をメタノールと水とを気
化させる気化部の熱源として用いる燃料改質装置を備え
るから、システム全体のエネルギ効率を更に向上させる
ことができる。

【００１９】こうした本発明の燃料改質装置において、
前記冷却媒体は水であり、前記導入手段は前記圧力調整
手段から放出される水または水蒸気の少なくとも一部を
前記燃料ガスの原材料として前記気化部に導入する手段
であるものとすることもできる。こうすれば、圧力調整
手段から放出される水または水蒸気の少なくとも一部を
メタノールと水とを気化させる気化部の熱源として用い
ると共に燃料ガスの原材料として用いることができ、装
置全体のエネルギ効率の更なる向上と原材料の有効利用
の促進に資することができる。

【００２０】本発明の第２の燃料電池システムは、メタ
ノールと水とから水素リッチな燃料ガスを生成する燃料
改質装置と、該燃料改質装置により生成された燃料ガス
と、酸素を含有する酸化ガスとの供給を受けて発電する
燃料電池とを備える燃料電池システムであって、前記燃
料改質装置は、冷却媒体として水を用い、圧力調整手段
が保持部に保持された冷却媒体の一部または該冷却媒体
の蒸気の一部を外部に放出することにより該保持部内の
圧力を調整する手段である前述の本発明の一酸化炭素選
択酸化装置を備え、更に、前記圧力調整手段から放出さ
れる水または水蒸気の少なくとも一部を前記燃料ガスお
よび／または前記酸化ガスに導入する導入手段を備える
ことを要旨とする。

【００２１】本発明の第２の燃料電池システムは、導入
手段が、圧力調整手段から放出される水または水蒸気の
少なくとも一部を燃料ガスや酸化ガスに導入し、燃料電
池が、燃料改質装置により生成され導入手段により水ま
たは水蒸気が導入された燃料ガスと酸素を含有する酸化
ガスとの供給を受けて発電する。

【００２２】本発明の第２の燃料電池システムによれ
ば、圧力調整手段から放出される水または水蒸気を燃料
ガスや酸化ガスに導入することにより、燃料電池を効率
よく連続して運転することができる。この結果、燃料ガ
スや酸化ガスを加湿する装置を設ける必要がないから、
システムを簡易で小型のものとすることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例に基づいて説明する。図１は、本発明の一酸化炭素選
択酸化装置の一実施例としての一酸化炭素選択酸化装置
３０および本発明の燃料改質装置の一実施例としての燃
料改質装置２０並びに本発明の燃料電池システムの一実
施例としての燃料電池システム１０の構成の概略を示す
構成図である。

【００２４】図示するように、実施例の燃料電池システ
ム１０は、メタノールを貯蔵するメタノールタンク１２
と、水を貯蔵する水タンク１４と、メタノールタンク１
２から供給されるメタノールと水タンク１４から供給さ
れる水とから水素を含有する燃料ガスを生成する燃料改
質装置２０と、この燃料改質装置２０により生成される
燃料ガスと酸素を含有する酸化ガス（例えば、空気）と
の供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池スタッ
ク７０と、燃料改質装置２０および燃料電池スタック７
０の運転を制御する電子制御ユニット８０とを備える。

【００２５】燃料改質装置２０は、メタノールタンク１
２から供給されるメタノールと水タンク１４から供給さ
れる水とを気化する気化部２２と、気化したメタノール
と水とを次式（１）および式（２）（全体としては式
（３））の反応により水素リッチな改質ガスを生成する
改質反応部２４と、改質ガスに酸化ガス（例えば、空
気）を導入して改質ガス中に副生成物として混在する一
酸化炭素を水素に対して選択的に酸化する一酸化炭素選
択酸化装置３０とを備える。

【００２６】 ＣＨ₃ＯＨ→ＣＯ＋２Ｈ₂−２１．７kcal／mol …（１） ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂＋９．８kcal／mol …（２） ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋３Ｈ₂−１１．９kcal／mol …（３）

【００２７】気化部２２は、供給されたメタノールと水
を加熱して気化させるが、その必要な熱量の一部あるい
は全部は、後述する一酸化炭素選択酸化装置３０から放
出される水蒸気を導入することによって賄われる。この
水蒸気は、分配管４５に設けられた流量調節弁６０を介
して改質反応の原材料の一部として導入される。したが
って、気化部２２では、水タンク１４と分配管４５とか
ら水が供給されるから、供給される水の全体量がメタノ
ールとモル比で１対１となるようその量が調節される。
気化部２２で必要な熱量の不足分は、メタノールタンク
１２から供給されるメタノールの一部を導いて燃焼する
ことによって賄われる。なお、メタノールや水の供給量
の制御や燃焼の制御は、導電ラインによって接続された
電子制御ユニット８０によって行なわれる。

【００２８】改質反応部２４では、上述したように、上
記式（１）および式（２）に示す改質反応により水素と
二酸化炭素とを含有する改質ガスを生成するが、改質反
応は実際上完全に行なうことが困難なことから、副生成
物としての一酸化炭素が若干混在することになる。な
お、改質ガス中の一酸化炭素濃度ＣＯは、改質反応部２
４に充填される触媒の種類，改質反応部２４の運転温
度，改質反応部２４への単位触媒体積当たりのメタノー
ルおよび水の供給流量等によって定まり、例えば、改質
反応部２４に充填される触媒としてＣｕ−ＺｎＯ系触媒
を用い、改質反応部２４の容積を１２リットルとし、そ
の運転温度をＣｕ−ＺｎＯ系触媒が活性化する２５０℃
ないし３００℃とし、１分間にメタノール１００ｍｌと
水１００ｍｌとを供給するものとすれば、改質ガス中の
一酸化炭素濃度ＣＯは０．５％ないし１％程度となる。

【００２９】なお、図示しないが、改質反応部２４は、
上記式（１）および式（２）の改質反応が全体として吸
熱反応であることから（式（３）参照）、反応に必要な
熱量を得るために、メタノールタンク１２から供給され
るメタノールの一部を導いてこれを燃焼する燃焼部を備
える。したがって、改質反応部２４は、この燃焼部への
メタノールの供給量を制御することにより、その運転温
度を制御している。このメタノールの燃焼部への供給量
の制御は、導電ラインにより接続された電子制御ユニッ
ト８０によって行なわれる。

【００３０】一酸化炭素選択酸化装置３０は、改質反応
部２４で生成された改質ガスとブロワ５２によって供給
される酸化ガス（実施例では空気）との供給を受けて改
質ガス中の一酸化炭素を水素に対して選択的に酸化する
選択酸化部３６と、この選択酸化部３６を冷却する冷却
媒体としての水を選択酸化部３６と熱交換可能な状態で
保持する保持部４０とを備える。この選択酸化部３６と
保持部４０とからなる選択酸化ユニット３１の詳細を図
２および図３に示す。図３は、図２に例示する選択酸化
ユニット３１の３−３線断面図である。図２および図３
に示すように、選択酸化部３６は、保持部４０を貫通す
る複数の反応管として構成されており、その内部には、
図４の模式図に示すように、ロウ材により接合された金
属ハイカムチューブが嵌挿されている。金属ハニカムチ
ューブの表面には、所定の温度領域で水素リッチガス中
の一酸化炭素を水素に対して選択的に酸化する白金系ま
たはルテニウム系あるいはこれらの合金系の触媒（一酸
化炭素選択酸化触媒）が担持されている。実施例では、
１２０℃ないし１４０℃の温度領域で活発な活性を示す
白金−ルテニウム合金系の触媒を一酸化炭素選択酸化触
媒として用いた。保持部４０には、こうした選択酸化部
３６に改質ガスと酸化ガスとの混合ガスを導入するため
の混合ガス導入管３２と、選択酸化部３６により生成さ
れる燃料ガスを燃料電池スタック７０側へ排出するため
の燃料ガス排出管３４とが取り付けられている。なお、
ブロワ５２によって導入される酸化ガスの量は、改質反
応部２４から選択酸化部３６に至る管路の酸化ガスの導
入口より上流に取り付けられたＣＯセンサ５０によって
検出される改質ガス中の一酸化炭素濃度ＣＯに基づいて
定められる。この酸化ガスの導入量の制御については後
述する。

【００３１】保持部４０の上部は漏斗状に形成されてお
り、その最上部には、水蒸気の放出口４２が形成されて
いる。この放出口４２には、保持部４０内の水蒸気を外
部に放出することにより保持部４０内を予め設定された
圧力に保持する圧力保持弁４４が取り付けられている。
保持部４０内の冷却水は、選択酸化部３６との熱交換に
よって加熱されることにより、圧力保持弁４４により保
持部４０内が予め設定された圧力における沸点で沸騰す
る。前述したように、保持部４０内の圧力が熱力学上の
臨界圧力未満に設定されていれば、保持部４０内の冷却
水の各部の温度は冷却水のすべてが気化するまではほぼ
沸点に保たれるから、保持部４０内の冷却水のすべてが
気化しないように冷却水を適当に補給することにより、
保持部４０内の冷却水の各部の温度をその温度に保つこ
とができる。実施例では、圧力保持弁４４としてバネの
押圧力を調節することにより開弁圧を絶対圧で１気圧な
いし５気圧の範囲内で設定できる一方向にのみ開弁する
開閉弁を用い、その開弁圧を水の沸点が１２０℃となる
２気圧に調節したから、保持部４０内は１２０℃に保た
れることになる。なお、保持部４０には、内部の冷却水
の水位ＨＷを検出する水位センサ４６や冷却水の温度Ｔ
Ｗを検出する水温センサ４８が設けられている。また、
保持部４０の下部には、冷却水の補給口４１が設けられ
ており、ポンプ５４によって水タンク１４の水が保持部
４０に冷却水として補給できるようになっている。な
お、実施例では、ポンプ５４として回転数制御により吐
出圧を変更可能なものを用いた。

【００３２】こうして構成された一酸化炭素選択酸化装
置３０では、得られる燃料ガス中の一酸化炭素濃度は、
選択酸化部３６の運転温度，供給される改質ガスの一酸
化炭素濃度ＣＯ，選択酸化部３６への単位触媒体積当た
りの改質ガスの供給流量等によって定まる。例えば、保
持部４０内の圧力を２気圧に設定することにより選択酸
化部３６の運転温度を保持部４０冷却水の沸点（１２０
℃）より若干高めの１３０℃とし、上記改質反応部２４
の説明で例示した改質ガス（１分間にメタノール１００
ｍｌと水１００ｍｌとが改質反応部２４に供給され、改
質ガス中の一酸化炭素濃度ＣＯが１％程度）を供給する
ものとすれば、燃料ガス中の一酸化炭素濃度は１０ｐｐ
ｍ以下となる。

【００３３】燃料電池スタック７０は、前述したように
固体高分子型の燃料電池であり、その単一セル構造とし
て図５に示す構造を備える。図示するように、セルは、
フッ素系樹脂等の固体高分子材料により形成されたプロ
トン導電性の膜体である電解質膜７１と、白金または白
金と他の金属からなる合金の触媒が練り込められたカー
ボンクロスにより形成され触媒が練り込められた面で電
解質膜７１を挟持してサンドイッチ構造とするガス拡散
電極としてのアノード７２およびカソード７３と、この
サンドイッチ構造を両側から挟みつつアノード７２およ
びカソード７３とで燃料ガスおよび酸化ガスの流路７４
ｐ，７５ｐを形成するセパレータ７４，７５と、セパレ
ータ７４，７５の外側に配置されアノード７２およびカ
ソード７３の集電極となる集電板７６，７７とにより構
成されている。図５では、説明の容易のため燃料電池ス
タック７０の単一セルの構成を示したが、実際には、セ
パレータ７４，アノード７２，電解質膜７１，カソード
７３，セパレータ７５をこの順に複数組積層し、その外
側に集電板７６，７７を配置することにより、燃料電池
スタック７０は構成されている。こうして構成された燃
料電池スタック７０の各セルの流路７４ｐと流路７５ｐ
とに燃料ガスと酸化ガスとをそれぞれ供給することによ
り、次式（４）および式（５）の反応がアノード７２お
よびカソード７３の電解質膜７１との接触面で行なわ
れ、物質の持つ化学エネルギが直接電気エネルギに変換
される。

【００３４】 アノード反応（燃料極）：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（４） カソード反応（酸素極）：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ …（５）

【００３５】燃料電池スタック７０に供給される燃料ガ
スとブロワ７９により供給される酸化ガス（実施例では
空気）は、分配管４５から分岐した分岐管により一酸化
炭素選択酸化装置３０の保持部４０から放出される水蒸
気が導入されて加湿されるようになっており、その導入
量は流量調節弁６２，６４によって調節できるようにな
っている。燃料ガスを加湿するのは、上式（４）により
生成されたプロトンは複数の水分子を配位した水和物と
して電解質膜７１内をカソード７３側に泳動することに
より電解質膜７１の燃料ガス側の水分が不足するからこ
れを補給するためであり、酸化ガスを加湿するのは、電
解質膜７１を良好なプロトン導電性を示す湿潤状態に保
つためである。なお、分配管４５には流量調節弁６６が
設けられており、余剰の水蒸気は大気に解放されるよう
になっている。

【００３６】電子制御ユニット８０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
等を実行するＣＰＵ８２と、ＣＰＵ８２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ＲＯＭ８４と、同じくＣＰＵ８２で各種
演算処理を実行するのに必要な各種データが一時的に読
み書きされるＲＡＭ８６と、ＣＯセンサ５０から検出さ
れる一酸化炭素濃度ＣＯや水位センサ４６により検出さ
れる冷却水の水位ＨＷ，水温センサ４８により検出され
る冷却水の温度ＴＷや図示しない各種センサからの検出
信号を入力すると共にＣＰＵ８２での演算結果に応じて
気化部２２や改質反応部２４，一酸化炭素選択酸化装置
３０，燃料電池スタック７０，ブロワ５２，７２，ポン
プ５４等に駆動信号を出力する入出力ポート８８等を備
える。

【００３７】次に、こうして構成された実施例の一酸化
炭素選択酸化装置３０の選択酸化部３６に導入する酸化
ガスの導入量の制御と保持部４０への冷却水の補給の制
御について図６のＣＯ選択酸化ガス導入制御ルーチンと
図７の補給水制御ルーチンに基づき説明する。これらの
制御ルーチンは、燃料改質装置２０の運転が開始され定
常状態となった後に、所定時間毎、例えば１００ｍｓｅ
ｃ毎に実行される。

【００３８】図６のＣＯ選択酸化ガス導入制御ルーチン
が実行されると、ＣＰＵ８２は、まず、ＣＯセンサ５０
により検出される改質ガス中の一酸化炭素濃度ＣＯを入
出力ポート８８を介して読み込む処理を実行する（ステ
ップＳ１００）。続いて、予め設定しておいたモル比
［Ｏ₂ ］／［ＣＯ］（実施例では、１．５ないし３．
０）と改質ガス中の一酸化炭素濃度ＣＯから酸化ガスの
導入量Ｑを算出し（ステップＳ１０２）、前回このルー
チンが実行されたときに算出した酸化ガスの導入量との
偏差△Ｑを求める（ステップＳ１１０４）。続いて、選
択酸化部３６への酸化ガスの導入量を偏差△Ｑだけ増加
させるためのブロワ５２の駆動増加量△Ｓを算出し（ス
テップＳ１０６）、入出力ポート８８を介してブロワ５
２に駆動信号を出力して、ブロワ５２の駆動量を駆動増
加量△Ｓだけ増加する（ステップＳ１０８）。この結
果、選択酸化部３６で一酸化炭素が水素に対して選択的
に酸化され、一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下の燃料ガ
スが燃料電池スタック７０に供給される。

【００３９】図７の補給水制御ルーチンが実行される
と、ＣＰＵ８２は、まず、水位センサ４６により検出さ
れる冷却水の水位ＨＷを入出力ポート８８を介して読み
込む処理を実行する（ステップＳ１１０）。そして、次
式（６）によりポンプ５４の回転数ＮＰの変化量△ＮＰ
を算出し（ステップＳ１１２）、算出した変化量△ＮＰ
だけポンプ５４の回転数ＮＰを変更する（ステップＳ１
１４）。ここで、式（６）中のＫ１およびＫ２は比例定
数であり、右辺第１項は検出された水位ＨＷと予め設定
された目標水位ＨＷ＊との偏差を打ち消すための比例
項、右辺第２項は定常偏差を解消するための積分項であ
る。このようにポンプ５４の運転を制御することによ
り、保持部４０内の冷却水の量を一定に保つことができ
る。なお、ポンプ５４により保持部４０に圧送される冷
却水の単位時間当たりの量は、定常状態では、選択酸化
部３６で酸化される一酸化炭素の単位時間当たりの量に
基づいて熱量計算により求めることができる。すなわ
ち、単位時間当たりに選択酸化部３６で生じる反応熱量
を、ポンプ５４で圧送される単位体積あたり冷却水を沸
騰温度まで上昇させ更に気化させるのに必要な熱量で割
ることによって得ることができる。

【００４０】

【数１】

【００４１】図８は、選択酸化部３６の位置とその内部
の温度との関係の一例を示すグラフである。図中、曲線
Ａは圧力保持弁４４を２気圧（水の沸点は１２０℃）に
設定した実施例の一酸化炭素選択酸化装置３０であり、
曲線Ｂは選択酸化部を循環流路に冷却水を流すことによ
って冷却した比較例１であり、曲線Ｃは実施例の一酸化
炭素選択酸化装置３０から圧力保持弁４４を取り除いて
保持部４０の放出口４２を大気解放した比較例２であ
る。図示するように、循環流路に冷却水を流す比較例１
では、選択酸化部の入口付近は、一酸化炭素選択触媒が
水素に対して一酸化炭素を選択的に活発に酸化する活性
化温度領域（実施例の一酸化炭素酸化触媒では１２０℃
ないし１４０℃）を大きく上回る。このため、入口付近
では、一酸化炭素の酸化反応の他に水素の酸化反応も活
発に行なわれるから、得られる燃料ガス中の水素濃度が
低くなり、エネルギ効率は低くなってしまう。逆に出口
付近では、上述の活性化温度領域を大きく下回るから、
一酸化炭素の選択酸化は行なわれない。曲線Ｃの比較例
２では、保持部４０の放出口４２が大気解放されている
から、保持部４０内の冷却水の温度は、大気圧における
水の沸点（１００℃）に保たれる。したがって、このと
きの選択酸化部３６内の温度は、この１００℃より若干
高めの温度となるが、一酸化炭素選択酸化触媒の活性化
温度領域には入らないため、一酸化炭素の選択酸化は活
発に起こらず、得られる燃料ガス中の一酸化炭素濃度は
必要な値（例えば、１０ｐｐｍ）以下にならない。一
方、実施例の一酸化炭素選択酸化装置３０（曲線Ａ）で
は、保持部４０内の冷却水が１２０℃に保たれるから、
選択酸化部３６の内部の温度は入口から出口まで一酸化
炭素選択酸化触媒の活性化温度領域内となる。この結
果、選択酸化部３６内で水素に対して一酸化炭素を選択
的に活発に酸化するから、一酸化炭素濃度のきわめて低
い燃料ガスを得ることができる。しかも、選択酸化部３
６内での水素の酸化反応を最小限に押さえることができ
るから、エネルギ効率を高く維持することができる。

【００４２】以上説明した実施例の一酸化炭素選択酸化
装置３０によれば、圧力保持弁４４の開弁圧を調節する
することにより、選択酸化部３６内の各部の温度を一酸
化炭素選択触媒が水素に対して一酸化炭素を選択的に活
発に酸化する活性化温度領域内にすることができる。こ
の結果、一酸化炭素濃度のきわめて低い燃料ガスを得る
ことができる。しかも、選択酸化部３６内での水素の酸
化反応を最小限に押さえることができるから、エネルギ
効率を高く維持することができる。

【００４３】また、保持部４０に冷却水を補給するか
ら、保持部４０内の冷却水のすべてが気化して設定した
圧力における沸騰温度より高い温度となることがない。
しかも、保持部４０内の冷却水の量が一定となるように
補給するから、保持部４０内の温度を著しく低下させる
こともない。

【００４４】実施例の一酸化炭素選択酸化装置３０で
は、保持部４０内の圧力は、圧力保持弁４４の開弁圧を
予め設定しておくことにより調節したが、圧力保持弁４
４に開弁圧調節用のバネの押圧力を調節するアクチュエ
ータを並設すると共に保持部４０に内部の圧力を検出す
る圧力センサを設け、圧力センサによって検出される保
持部４０内の圧力に基づいて開弁圧を制御することによ
り保持部４０内の圧力を一定に制御するものとしてもよ
い。こうすれば、保持部４０内を所望の圧力に一定に保
つことができる。なお、圧力センサに代えて、水温セン
サ４８により検出される冷却水の温度ＴＷに基づいて開
弁圧を制御することにより保持部４０内の冷却水の温度
を一定に制御するものとしてもよい。こうすれば、より
確実に保持部４０内の冷却水の温度ＴＷを所望の温度に
一定に保つことができる。

【００４５】実施例の一酸化炭素選択酸化装置３０で
は、保持部４０内の冷却水の水位ＨＷが一定となるよう
制御したが、保持部４０内の冷却水のすべてが気化しな
い条件で冷却水の水位ＨＷが変動するものとしてもよ
い。また、実施例の一酸化炭素選択酸化装置３０では、
連続して運転可能なように保持部４０に冷却水を連続的
に補給するものとしたが、間欠的に冷却水を補給するも
のとしてもよく、一酸化炭素選択酸化装置３０を回分式
の装置として運転すれば、保持部４０に冷却水を補給し
ないものとしてもよい。

【００４６】実施例の一酸化炭素選択酸化装置３０で
は、保持部４０内の圧力を一定に保つために保持部４０
の最上部に設けられた放出口４２に圧力保持弁４４を取
り付けて保持部４０内の気相の水（水蒸気）を外部に放
出するものとしたが、保持部４０内の冷却水の水位ＨＷ
より低い部位に放出口を設けて圧力保持弁を取り付け液
相の水を外部に放出してもよい。また、実施例の一酸化
炭素選択酸化装置３０では、冷却媒体として水を用いた
が、保持部４０内の圧力を調整することにより、その圧
力における沸点が用いる一酸化炭素選択触媒の活性化温
度領域内となる物質であれば、アルコールやオイルなど
の他、如何なる物質を用いてもよい。ただし、この場
合、燃料改質装置２０の気化部２２へは熱源としてのみ
供給可能で原材料としては供給できず、燃料電池スタッ
ク７０へ供給する燃料ガスや酸化ガスの加湿に供するこ
ともできない。

【００４７】実施例の一酸化炭素選択酸化装置３０で
は、選択酸化部３６を断面が円形の複数の反応管として
構成したが、矩形など断面形状は如何なるものでもよ
い。また、実施例の一酸化炭素選択酸化装置３０では、
選択酸化部３６の内部は表面に一酸化炭素選択酸化触媒
を担持した金属ハニカムチューブとして構成したが、一
酸化炭素選択酸化触媒を担持した担体を充填するものと
してもよい。

【００４８】実施例の燃料改質装置２０によれば、一酸
化炭素選択酸化装置３０から放出される水蒸気を気化部
２２の熱源とすると共に原材料として用いるから、装置
全体のエネルギ効率をより高くすることができる。

【００４９】実施例の燃料電池システム１０によれば、
一酸化炭素選択酸化装置３０から放出される水蒸気を燃
料ガスや酸化ガスの加湿に用いるから、システム全体の
エネルギ効率をより高くすることができる。一酸化炭素
選択酸化装置３０から放出される水蒸気のみで燃料ガス
や酸化ガスを充分に加湿可能であれば、燃料ガスや酸化
ガスを加湿する加湿装置を設ける必要がないから、シス
テムを簡易で小型のものとすることができる。

【００５０】実施例の燃料電池システム１０では、一酸
化炭素選択酸化装置３０から放出される水蒸気を燃料ガ
スと酸化ガスの双方に導入するものとしたが、燃料ガス
あるいは酸化ガスの一方にのみ導入するものとしてもよ
い。また、燃料電池システム１０では、一酸化炭素選択
酸化装置３０から放出される水蒸気を燃料改質装置２０
の気化部２２へ熱源として用いると共に原材料として導
入したが、気化部２２へは導入しないものとしてもよ
い。

【００５１】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、本発明はこうした実施の形態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
種々なる形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】本発明の一実施例としての一酸化炭素選択酸化
装置３０および燃料改質装置２０並びに燃料電池システ
ム１０の構成の概略を示す構成図である。

【図２】選択酸化部３６と保持部４０とからなる選択酸
化ユニット３１の詳細を例示する説明図である。

【図３】図２に例示する選択酸化ユニット３１の３−３
線断面図である。

【図４】選択酸化部３６の内部の構造を例示する構造図
である。

【図５】燃料電池スタック７０を構成するセルの概略構
成を示す説明図である。

【図６】実施例の電子制御ユニット８０により実行され
るＣＯ選択酸化ガス導入制御ルーチンを例示するフロー
チャートである。

【図７】実施例の電子制御ユニット８０により実行され
る補給水制御ルーチンを例示するフローチャートであ
る。

【図８】選択酸化部３６の位置とその内部の温度との関
係の一例を示すグラフである。

【符号の説明】

１０…燃料電池システム １２…メタノールタンク １４…水タンク ２０…燃料改質装置 ２２…気化部 ２４…改質反応部 ３０…一酸化炭素選択酸化装置 ３１…選択酸化ユニット ３２…混合ガス導入管 ３４…燃料ガス排出管 ３６…選択酸化部 ４０…保持部 ４１…補給口 ４２…放出口 ４４…圧力保持弁 ４５…分配管 ４６…水位センサ ４８…水温センサ ５０…ＣＯセンサ ５２…ブロワ ５４…ポンプ ６０…流量調節弁 ６２，６４…流量調節弁 ６６…流量調節弁 ７０…燃料電池スタック ７１…電解質膜 ７２…アノード ７３…カソード ７４…セパレータ ７４ｐ…流路 ７５…セパレータ ７５ｐ…流路 ７６，７７…集電板 ７９…ブロワ ８０…電子制御ユニット ８２…ＣＰＵ ８４…ＲＯＭ ８６…ＲＡＭ ８８…入出力ポート

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の温度領域で水素リッチガス中の一
   酸化炭素を選択的に酸化する触媒を有する選択酸化部
   と、該選択酸化部を冷却する冷却手段とを備える一酸化
   炭素選択酸化装置であって、 前記冷却手段は、 冷却媒体を前記選択酸化部と熱交換可能な状態で保持す
   る保持部と、 該保持部内の圧力を調整する圧力調整手段とを備える一
   酸化炭素選択酸化装置。
2. 【請求項２】 前記圧力調整手段は、前記冷却媒体の沸
   点が前記所定の温度領域内の温度となるよう前記保持部
   内の圧力を調節する手段である請求項１記載の一酸化炭
   素選択酸化装置。
3. 【請求項３】 前記圧力調整手段は、前記保持部に保持
   された冷却媒体の一部または該冷却媒体の蒸気の一部を
   外部に放出することにより該保持部内の圧力を調整する
   手段である請求項１または２記載の一酸化炭素選択酸化
   装置。
4. 【請求項４】 前記冷却手段は、更に、前記保持部に冷
   却媒体を圧送する圧送手段を備える請求項３記載の一酸
   化炭素選択酸化装置。
5. 【請求項５】 前記保持部に保持される冷却媒体の量が
   一定となるよう前記圧送手段を制御する圧送量制御手段
   を備える請求項４記載の一酸化炭素選択酸化装置。
6. 【請求項６】 請求項５記載の一酸化炭素選択酸化装置
   であって、 前記保持部内の冷却媒体の液面を検出する液面検出手段
   を備え、 前記圧送量制御手段は、前記液面検出手段により検出さ
   れた冷却媒体の液面が所定の位置となるよう制御する手
   段である一酸化炭素選択酸化装置。
7. 【請求項７】 メタノールと水とから水素リッチな燃料
   ガスを生成する燃料改質装置であって、 メタノールと水とを気化させる気化部と、 該気化させたメタノールと水とを反応させて水素リッチ
   な改質ガスを生成する反応部と、 請求項３ないし６いずれか記載の一酸化炭素選択酸化装
   置と、 前記圧力調整手段から放出される冷却媒体または該冷却
   媒体の蒸気の少なくとも一部を前記気化部の熱源として
   導入する導入手段とを備える燃料改質装置。
8. 【請求項８】 請求項７記載の燃料改質装置であって、 前記冷却媒体は水であり、 前記導入手段は、前記圧力調整手段から放出される水ま
   たは水蒸気の少なくとも一部を前記燃料ガスの原材料と
   して前記気化部に導入する手段である燃料改質装置。
9. 【請求項９】 請求項８記載の燃料改質装置と、 該燃料改質装置により生成された燃料ガスと、酸素を含
   有する酸化ガスとの供給を受けて発電する燃料電池とを
   備える燃料電池システムであって、 更に、前記圧力調整手段から放出される水または水蒸気
   の少なくとも一部を前記燃料ガスおよび／または前記酸
   化ガスに導入する第２の導入手段を備える燃料電池シス
   テム。
10. 【請求項１０】 メタノールと水とから水素リッチな燃
    料ガスを生成する燃料改質装置と、 該燃料改質装置により生成された燃料ガスと、酸素を含
    有する酸化ガスとの供給を受けて発電する燃料電池とを
    備える燃料電池システムであって、 前記燃料改質装置は、冷却媒体として水を用いる請求項
    ３ないし６いずれか記載の一酸化炭素選択酸化装置を備
    え、 更に、前記圧力調整手段から放出される水または水蒸気
    の少なくとも一部を前記燃料ガスおよび／または前記酸
    化ガスに導入する導入手段を備える燃料電池システム。