JPH11302001A

JPH11302001A - 一酸化炭素除去器及び燃料電池発電システム

Info

Publication number: JPH11302001A
Application number: JP10336300A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Ueda; 雅敏上田; Takamasa Matsubayashi; 孝昌松林; Shigeru Sakamoto; 滋坂本; Katsuya Oda; 勝也小田; Yasuo Miyake; 泰夫三宅; Koji Nishio; 晃治西尾
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1998-11-26
Publication date: 1999-11-02

Abstract

(57)【要約】【課題】空気を取り込む量を調整することにより選択
酸化触媒層を適正な運転温度にコントロールすることが
可能で、且つ装置構成が簡単な一酸化炭素除去器を提供
する。【解決手段】開口部５３から取り込まれようとする空
気は、形状変化部材５４１の先端５４１ａと蓋板５４３
との間隙５４４を通過して絞られるようになっている。
形状変化部材５４１は、バイメタルで形成されており、
高温のときには彎曲して間隙５４４が小さく、低温のと
きには伸びて間隙５４４が大きくなるように取り付けら
れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型の燃
料電池システム等に用いられる一酸化炭素除去器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電システムにおいては、通
常、燃料電池の燃料極に水素リッチなガスを供給すると
共に空気極に空気を供給し、電気化学的に反応させて発
電を行う。この水素リッチなガスは、比較的容易かつ安
価に入手することができる天然ガス，ナフサ等の軽質炭
化水素やメタノール等のアルコール類の燃料を原料と
し、これに水蒸気を混合して、改質器で水蒸気改質を行
うことにより生成している。

【０００３】ここにおいて、改質器における水蒸気改質
反応は、改質用触媒層を高温に加熱しながら行われる
が、このとき水素と共に一酸化炭素も生成される。燃料
電池の燃料極には、白金などの触媒が用いられている
が、一酸化炭素は、この触媒を劣化させて発電性能を低
下させる原因となるので、改質器の後にＣＯ変成器を設
け、下記化１式のように一酸化炭素を水蒸気で変成する
ことにより一酸化炭素の濃度を低減してから燃料電池に
供給するようにしているものが多い。

【０００４】

【化１】ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ しかし、ＣＯ変成器では、一酸化炭素の濃度を１％程度
までしか低減することができないので、リン酸型や固体
高分子型のように比較的低温で作動する燃料電池に対し
て改質ガスを供給するには、更に改質ガス中の一酸化炭
素の濃度を低減する必要がある。

【０００５】そこで、例えば、特開平８−１３３７０１
号公報に開示されている燃料電池発電システムでは、一
酸化炭素除去器を設け、改質装置で改質した改質ガス
を、空気と混合し選択酸化触媒層を通過させて下記化２
式のように一酸化炭素を選択的に酸化することにより一
酸化炭素を除去してから燃料電池に供給する方法がとら
れている。

【０００６】

【化２】２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂ この一酸化炭素除去器においては、選択性を良好に保つ
こと、即ち、できるだけ水素を燃焼させることなく一酸
化炭素をよく燃焼させることが望まれるが、そのために
は、選択酸化触媒層を適正な温度範囲に保つことが重要
である。この適正な温度範囲は、触媒の種類によって異
なるが、例えば、Ｒｕ系の触媒で、適正温度が１６０℃
〜２２０℃程度のものがよく知られている。

【０００７】そして、選択酸化触媒層の温度が、この温
度範囲より高くなると酸化反応の選択性が悪くなり、こ
の温度範囲より低くなると一酸化炭素が効率よく燃焼さ
れなくなる。このような一酸化炭素除去器では、選択酸
化触媒層内で選択酸化反応により発熱するので、改質ガ
ス及び空気を各々一定の流量で送り込むと共に、選択酸
化触媒層を一定の冷却力で冷却することで、選択酸化触
媒層の温度を略一定に保つことができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃料電
池システムにおける改質ガスの流量は、燃料電池の出力
の変化に伴って制御されるようになっているので、選択
酸化触媒層を上記の適正な温度範囲に保つためには制御
が必要である。この温度制御の方法としては、例えば、
選択酸化触媒層を冷媒で冷却し、その冷却力を調整する
ことによって温度制御する方法が知られている。

【０００９】また、空気の混合量を多くするほど発熱量
が大きくなることを利用して、空気の混合比率を調整す
ることによって温度制御する方法も知られている。例え
ば、特開平８−１３３７０１号公報には、温度センサで
選択酸化触媒層内の温度を検出し、その検出結果に基づ
いて、供給する空気の流量を流量コントローラで調整し
て温度制御する方法が開示されている。この方式によれ
ば、装置構成を比較的簡素にすることができるが、更な
る簡素化が望まれる。

【００１０】本発明は、このような背景のもとでなされ
たものであって、空気を取り込む量を調整することによ
り選択酸化触媒層を適正な運転温度にコントロールする
ことが可能で、且つ装置構成が簡単な一酸化炭素除去器
を提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、一酸化炭素を含む水素リッチなガスを、空
気取入口から取り入れた空気と混合して選択酸化触媒部
を通過させることによって、当該ガス中の一酸化炭素を
選択的に酸化する一酸化炭素除去器において、温度に依
存して形状が変化する形状変化部材を選択酸化触媒部と
伝熱可能な状態で設け、その形状変化部材の変形量によ
って空気取入口の開口量を調整し空気の取入量を制御す
る空気量制御機構を設けた。

【００１２】このように、本発明の空気量制御機構にお
いては、形状変化部材の変形する量を利用して空気取入
口の開口量を調整するようにしているので、温度センサ
や流量コントローラを設けなくてもよく、簡単な装置構
成で選択酸化触媒層を適正な運転温度にコントロールす
ることができる。ここで、空気取入口を、選択酸化触媒
部の入口側から出口側にわたる複数の位置に設け、空気
量制御機構を、複数の位置に設けられた空気取入口の各
々に設けるようにすれば、選択酸化触媒部の入口側から
出口側に対する温度分布を均一化することができ、これ
によって効率よくＣＯ濃度を低減できる。

【００１３】ここで、温度に依存して形状が変化する形
状変化部材として、バイメタルや形状記憶合金を用いる
ことが望ましく、選択酸化触媒部との伝熱がなされる状
態とするために、少なくともその一部を選択酸化触媒部
に隣接して設けることが好ましい。また、形状変化部材
の変形に伴って変位する部分を空気取入口に臨む状態で
設ければ、形状変化部材自体で空気取入口の開口度を調
整することができる。即ち、空気取入口の開口度を調整
するための開閉板およびこれを形状変化部材に連動する
機構を設ける必要がないので、更に簡素な構成とするこ
とができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）図１は、本実施
の形態にかかる固体高分子型の燃料電池発電システムの
構成図である。〔システム全体の構成についての説明〕この燃料電池発
電システムは、天然ガス，都市ガス，ナフサ等の燃料ガ
スを用いて発電を行うものであって、燃料ガス中の硫黄
成分を除去する脱硫器１と、脱硫された燃料ガスと水蒸
気とを混合するエゼクタ２と、この混合ガスを水素リッ
チな改質ガスに水蒸気改質する改質器３と、改質ガス中
に含まれる一酸化炭素を水蒸気で変成するＣＯ変成器４
と、改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化して除去す
るＣＯ除去器５と、ＣＯ除去器５からの改質ガスを燃料
極６ａに取り入れると共に空気を空気極６ｂに取り入れ
て発電を行なう固体高分子型の燃料電池６と、改質器３
からの改質ガスの熱で水蒸気を加温する熱交換器８等か
ら構成されている。

【００１５】脱硫器１は、脱硫用の触媒が充填された触
媒層を備えている。用いる触媒の種類によって運転温度
は異なるが、高温用の触媒を用いる場合は、脱硫器１を
ヒータ等で加熱しながら高温（２００〜３００℃）で運
転する。エゼクタ２では、水蒸気をノズルから噴射しな
がら燃料ガスを吸引して、両者を混合する。

【００１６】改質器３には、水蒸気改質用の触媒が充填
された円筒形状の改質槽３１と、高温の燃焼ガスを発生
して改質槽３１を加熱するバーナ３２とが設けられてお
り、エゼクタ２からの燃料ガスを水蒸気改質して水素リ
ッチな改質ガスを生成しＣＯ変成器４へ送る。ＣＯ変成
器４は、改質器３の外周を取り巻く円環状の容器の中に
ＣＯ変成用の触媒が充填されているものであって、改質
器３から熱を受けて１８０℃〜２５０℃程度の温度範囲
に保たれるようになっている。このＣＯ変成器４では、
改質ガスに含まれている一酸化炭素を上記化１式のよう
に水蒸気で変成して、一酸化炭素の濃度を１％（１０，
０００ｐｐｍ）程度まで低減する。

【００１７】ＣＯ除去器５は、この改質ガス中の一酸化
炭素を、上記化２式のように選択酸化することによっ
て、更にその濃度を低レベルまで落として燃料電池６に
供給する。このＣＯ除去器５の構成については後で詳述
する。なお、燃料電池６の固体高分子膜を加湿するた
め、ＣＯ除去器５からの改質ガスは、加湿器７で加湿さ
れた後に燃料電池６に送られる。

【００１８】〔配管及び弁についての説明〕図１に示す
ように、燃料ガス系の配管として、燃料ガス供給源から
脱硫器１を経てエゼクタ２に燃料ガスを送る配管１０
１、燃料ガス供給源から改質器３のバーナ３２に燃料ガ
スを送る配管１０２、エゼクタ２から改質器３に燃料ガ
スと水蒸気の混合ガスを送る配管１０３、改質器３から
熱交換器８を経てＣＯ変成器４に改質ガスを送る配管１
０４、ＣＯ変成器４からＣＯ除去器５に改質ガスを送る
配管１０５、ＣＯ除去器５から加湿器７を経て燃料電池
６の燃料極６ａに改質ガスを送る配管１０６、燃料極６
ａから未反応改質ガスをバーナ３２に送る配管１０７、
ＣＯ除去器５からバーナ３２に直接ガスを送るための配
管１０８等が配設されている。

【００１９】また、水蒸気供給源からは、熱交換器８を
経由してエゼクタ２に水蒸気を送る配管１１０が配設さ
れている。また、空気系の配管として、空気ファン１１
から空気極６ｂに空気を送る配管１１１、ブロア１２か
らＣＯ除去器５に空気を送る配管１１２、改質器３のバ
ーナ３２に空気を送る配管１１３等が配設されている。

【００２０】これらの配管に対して、配管１０１には改
質槽３１に供給する燃料ガスの流量を調整する調整弁１
２１が、配管１０２にはバーナ３２に供給する燃料ガス
の流量を調整する調整弁１２２が、配管１０６及び配管
１０８には流路切り換え用の開閉弁１２３ａ，１２３ｂ
及び開閉弁１２４が、各々挿設されている。〔ＣＯ除去
器についての説明〕図２は、ＣＯ除去器５の構成を示す
斜視図である。

【００２１】ＣＯ除去器５は、改質ガスの流通路となる
円筒缶５１の上流部分５１ａに、空気の流通路となる環
状缶５２が取り巻くように設けられ、円筒缶５１の下流
部分５１ｂの中に選択酸化用の触媒が充填されて選択酸
化触媒層５５が形成された構造であって、上流部分５１
ａで改質ガスに空気が混合され、下流部分５１ｂで改質
ガス中の一酸化炭素が選択的に燃焼されるようになって
いる。

【００２２】円筒缶５１の上流部分５１ａには、環状缶
５２内から円筒缶５１内に空気を取り込む開口部５３が
複数箇所に等間隔で開設され（本図では４箇所に開設さ
れている。）、各開口部５３には、選択酸化触媒層５５
の温度に基づいて開口度を調整するための開口度調整機
構５４が設置されている。なお、開口部５３が複数箇所
に等間隔で開設されているのは、改質ガスと直交する面
内おいて空気を均一的に混合するためである。

【００２３】図３は、円筒缶５１上に取り付けられてい
る開口度調整機構５４を示す斜視図である。この開口度
調整機構５４は、開口部５３をカバーするように設けら
れ、円筒缶５１に端部５４１ｂが固定された形状変化部
材５４１と、この形状変化部材５４１の周囲を囲むよう
に円筒缶５１上に立設された枠体５４２とから構成され
ている。

【００２４】そして、枠体５４２の上側の開口部には、
形状変化部材５４１の先端５４１ａ側の端部に蓋板５４
３が設けられ、開口部５３から取り込まれようとする空
気は、形状変化部材５４１の先端５４１ａと蓋板５４３
との間隙５４４を通過して絞られるようになっている。
図４は、ＣＯ除去器５の断面図である。

【００２５】形状変化部材５４１は、バイメタルで形成
されており、高温のときには彎曲して間隙５４４が小さ
く、低温のときには伸びて間隙５４４が大きくなるよう
に取り付けられている。なお、バイメタルとは、低熱膨
張の金属板と高熱膨張鋼の金属板を接合してなる金属複
合材料であって、温度変化に伴って彎曲する性質を有す
るものである。

【００２６】また、形状変化部材５４１の端部５４１ｂ
は、選択酸化触媒層５５に隣接する位置に取り付けられ
ており、形状変化部材５４１の温度が選択酸化触媒層５
５の温度に従うようになっている。このような開口度調
整機構５４の構成によって、選択酸化触媒層５５の温度
に従って形状変化部材５４１が変形し、円筒缶５１内に
取り込まれる空気の流量が調整される。

【００２７】なお、開口度調整機構５４の詳細な構成に
ついては後述する。選択酸化触媒層５５の触媒として
は、１００℃〜２５０℃程度の温度範囲で一酸化炭素の
選択酸化作用を有する触媒を用いる。具体的には、白金
（Ｐｔ），金（Ａｕ），ロジウム（Ｒｈ），ルテニウム
（Ｒｕ）といった金属を１種以上含有する触媒であっ
て、この金属触媒を、ハニカム状に成型されたアルミナ
多孔体，粒状のアルミナ担体，或は粒状のゼオライト等
に担持させて、円筒缶５１内に充填する。

【００２８】これらの触媒の活性温度域、即ち選択酸化
性の優れた温度域は、大体１６０〜２２０℃である。な
お、選択酸化触媒層５５の体積は、燃料電池の容量に基
づいて、燃料電池に供給する改質ガスの選択酸化触媒層
５５に対する空間速度（ＧＨＳＶ）が１０００〜１５０
００ｈｒ^-1の範囲内に入るように設定する。

【００２９】〔運転動作の説明〕起動時：起動時には、ＣＯ除去器５を通過したガスが燃
料電池６を経ずに直接バーナ３２に送られるように、開
閉弁１２３ａ，１２３ｂは閉じ、開閉弁１２４は開いて
おく。

【００３０】配管１１３から空気を送り込むと共に調整
弁１２２を開いて燃料ガスを送り込みバーナ３２を燃焼
して改質槽３１を加熱昇温する。また、配管１１０から
エゼクタ２に水蒸気を送り込むと共に、調整弁１２１を
開いて燃料ガスをエゼクタ２に送り込む。これによっ
て、エゼクタ２で燃料ガスと水蒸気とが混合され、改質
槽３１を通過しながら暖められ、ＣＯ変成器４及びＣＯ
除去器５を加温しながら通過し、配管１０８を通ってバ
ーナ３２に送られる。

【００３１】このようにして、バーナ３２の熱で、改質
器３の改質槽３１，ＣＯ変成器４，ＣＯ除去器５の選択
酸化触媒層５５などが加熱されて昇温する。ここで、改
質槽３１がある程度昇温すれば、水蒸気改質反応が開始
され、水素リッチなガスが生成される。次に、ブロア１
２を駆動して、ＣＯ除去器５に空気を供給してこれを起
動する。そして、選択酸化触媒層５５が所定の温度（１
６０℃）まで昇温すれば、選択酸化反応によって一酸化
炭素が低濃度となるので、開閉弁１２４を閉じ、開閉弁
１２３ａ，１２３ｂを開いて、燃料電池６の燃料極６ａ
に改質ガスの供給を開始すると共に、空気ファン１１に
よる空気極６ｂへの空気供給を開始すると、燃料電池６
は、発電を開始する。

【００３２】通常運転時：通常運転時には、改質槽３１
は７５０〜８００℃、ＣＯ変成器４は１８０〜３００
℃、燃料電池６は７０〜８０℃の温度で運転を行い、燃
料電池６から外部負荷（不図示）への電力供給を行う。
ＣＯ変成器４から送り出される改質ガスの温度は２００
℃〜３００℃であるが、ＣＯ除去器５には約１２０℃で
入ってくる。

【００３３】そして、上記の空気量調整による温度コン
トロールによって、選択酸化触媒層５５は好ましい温度
範囲（１６０〜２２０℃）に保たれ、これによって、Ｃ
Ｏ除去器５から燃料電池には、一酸化炭素濃度が１００
ｐｐｍ以下の水素リッチなガスが送られる。なお、通常
運転中は、調整弁１２２は閉じておき、燃料極６ａから
排出された未反応の改質ガスでバーナ３２の燃焼を行
う。

【００３４】〔ＣＯ除去器５の開口度調整機構について
の説明〕一般的なバイメタルに用いる金属板の組み合わ
せについては、例えば、「先端材料応用辞典」（株式会
社産業調査会辞書出版センター発行）に掲載されてい
る。当該文献では、高温用（実用温度０〜３７０℃）バ
イメタル並びに低温用（実用温度−２００〜１５０℃）
バイメタルに分けて金属板の組み合わせが記載されてい
るが、本実施形態の形状変化部材５４１に対しては、こ
の中で高温用として掲載されている組み合わせを用いる
こととする。

【００３５】即ち、低熱膨張の金属板として、Ｆｅ−Ｎ
i３６（熱膨張率：１．２×１０^-6／℃）を用い、高熱
膨張の金属板として、Ｎｉ（熱膨張率：１４．５×１０
^-6／℃）、Ｆｅ７４−Ｎｉ２０−Ｍｎ６（熱膨張率：２
１．０×１０^-6／℃）あるいは、Ｆｅ７５−Ｎｉ２２−
Ｍｎ３（熱膨張率：１８．５×１０^-6／℃）を用いる。

【００３６】なお、この文献によれば、Ｆｅ−Ｎi３６
とＦｅ７４−Ｎｉ２０−Ｍｎ６との組み合わせでは、彎
曲係数が１６．５×１０^-6であり、Ｆｅ−Ｎi３６とＦ
ｅ７５−Ｎｉ２２−Ｍｎ３との組み合わせでは、彎曲係
数が１３．５×１０^-6であると記載されている。形状変
化部材５４１は、このようなバイメタルを用いて作製す
るが、各温度における間隙５４４の大きさは、その板厚
や長さを調整することによって調整する。

【００３７】各温度における間隙５４４の値を設定する
に際して、以下のように実験及び考察を行った。上記の
ＣＯ除去器５について、１％のＣＯを含む約１２０℃の
改質ガスを一定の流量（燃料電池６の出力１００％に相
当する流量）で送り込みながら、空気の流量を変化させ
て、選択酸化触媒層（中央部）の温度、並びに出口側で
のＣＯ濃度を測定する実験を行った。

【００３８】図５は、その実験結果を示すグラフであ
る。図５のＣＯ濃度のグラフと触媒温度のグラフとか
ら、ＣＯ濃度を１００ｐｐｍ以下にするには、触媒温度
を１６０℃以上とする必要があることがわかる。なお、
図５には表わされないが、２５０℃を越えると触媒の選
択性が低下し、水素が燃焼する割合がかなり多くなるこ
とも考慮すると、触媒温度は、１６０〜２２０℃の範囲
に制御することが好ましい。

【００３９】また、図５の触媒温度のグラフでは、Ｏ₂
／ＣＯ比が大きくなるにつれて触媒温度が上昇してい
る。これは、Ｏ₂／ＣＯ比が大きいほど選択酸化触媒層
における発熱量が大きくなるためである。また、図５の
触媒温度のグラフより、Ｏ₂／ＣＯ比の値を５〜８の範
囲に調整すれば、触媒温度は１６０℃〜１８０℃の範囲
にコントロールされることがわかる。

【００４０】このような実験結果に基づいて考察する
と、本実施形態のＣＯ除去器５において、例えば、触媒
温度が１７０℃のときに、出力１００％に相当する流量
の改質ガスに対してＯ₂／ＣＯ比の値が７となるように
設定すれば、出力１００％のときには、選択酸化触媒層
５５が１７０℃程度でバランスが保たれる。また、触媒
温度が１６０℃のときの間隙５４４の大きさが、１００
％出力に相当する流量の改質ガスに対してＯ₂／ＣＯ比
の値が８となるように設定し、更に、触媒温度が２００
℃のときの間隙５４４の大きさが、１００％出力に相当
する流量の改質ガスに対してＯ₂／ＣＯ比の値が５とな
るように設定すれば、以下に説明するように、電池出力
７０〜１３０％に相当する範囲で改質ガスの流量が変動
しても、触媒温度は１６０℃〜２００℃の範囲内にコン
トロールされることがわかる。

【００４１】改質ガスの流量を低減させると、Ｏ₂／Ｃ
Ｏ比が高くなるので触媒温度は上昇するが、触媒温度の
上昇に伴い、形状変化部材５４１の変形により間隙５４
４が狭められるので、触媒温度の上昇は抑えられる。例
えば、触媒温度は１７０℃の状態で、改質ガス流量を、
出力１００％相当から７０％程度に低減した直後は、Ｏ
₂／ＣＯ比の値は７÷０．７０＝１０となるので、触媒
温度は１７０℃から上昇する。

【００４２】しかし、改質ガス流量約７０％の状態で、
仮に触媒温度が２００℃まで上昇したとすれば、間隙５
４４が狭められて、空気取入量は、１００％出力に相当
する流量の改質ガスに対してＯ₂／ＣＯ比の値が５とな
るように調整される。この空気取入量は、７０％相当の
改質ガス流量に対しては、Ｏ₂／ＣＯ比の値が５÷０．
７０＝７．１となるので、実際には２００℃より低い温
度までしか上昇しない（図５の触媒温度のグラフでは、
Ｏ₂／ＣＯ比が７．１のとき、触媒温度が１７５℃程度
である）。

【００４３】一方、改質ガスの流量を増加させると、Ｏ
₂／ＣＯ比が低くなるので触媒温度は下降するが、触媒
温度の下降に伴い、形状変化部材５４１の変形により間
隙５４４が広められるので、触媒温度の低減は抑えられ
る。例えば、触媒温度は１７０℃の状態で、改質ガス流
量を、出力１００％相当から１３０％程度に増加した直
後は、Ｏ₂／ＣＯ比の値は７÷１．３＝５．４となるの
で、触媒温度は１７０℃から下降する（図５の触媒温度
グラフから、Ｏ₂／ＣＯ比が５．４程度では、触媒温度
１６０℃程度であることからわかる）。

【００４４】しかし、改質ガス流量約１３０％の状態
で、仮に触媒温度が１６０℃に下降したとすれば、間隙
５４４が広められて、空気取入量は、１００％出力に相
当する流量の改質ガスに対してＯ₂／ＣＯ比の値が８と
なるように調整される。この空気取入量は、１３０％相
当の改質ガス流量に対しては、Ｏ₂／ＣＯ比の値が８÷
１．３＝６．１となるので、実際には、触媒温度１６０
℃より高い温度までしか下降しない（図５の触媒温度の
グラフでは、Ｏ₂／ＣＯ比が６．１のとき、触媒温度が
１６５℃程度である）。

【００４５】（実施の形態２）本実施の形態は、燃料電
池発電システムの全体構成は実施の形態１と同様であ
る。図６は、本実施の形態にかかるＣＯ除去器の断面図
である。図６に示すように、本実施形態のＣＯ除去器
は、実施の形態１のＣＯ除去器５と同様のＣＯ除去器５
ａ及びＣＯ除去器５ｂが連結された構成である。

【００４６】このＣＯ除去器において、改質ガスがＣＯ
除去器５ａを通過した後にＣＯ除去器５ｂを通過するよ
うに連結管５６が接続され、空気がＣＯ除去器５ａ及び
ＣＯ除去器５ｂに分配されるように分配管５７が接続さ
れている。このように、連結した構成とすることによっ
て、以下のような効果を奏する。上記実施の形態１のＣ
Ｏ除去器５の場合、選択酸化触媒層５５の入口付近で
は、ＣＯ濃度及び酸素濃度が高いので、この部分で酸化
反応が激しく生じ、選択酸化触媒層５５の他の部分より
も高温になりやすい傾向にある。

【００４７】そのため、運転条件によっては、選択酸化
触媒層５５の中央部の温度は２５０℃以下であるのに、
入口付近の温度が２５０℃を越えることになる。これに
対して、本実施形態のＣＯ除去器では、空気がＣＯ除去
器５ａ及びＣＯ除去器５ｂに分配して供給されるように
なっているので、トータルの空気量は同等でも、ＣＯ除
去器５ａの選択酸化触媒層の入口に供給される空気量
は、実施の形態１の場合よりも少なくなる。従って、選
択酸化触媒層の入口付近での酸化反応は、実施の形態１
の場合よりも穏やかになる。よって、選択酸化触媒層の
入口付近と他の部分との温度差を、実施の形態１の場合
より小さくすることができる。

【００４８】（実施の形態３）本実施の形態も、燃料電
池発電システムの全体構成は実施の形態１と同様であ
る。実施の形態１のＣＯ除去器５では、選択酸化触媒層
の入口側でのみ空気が改質ガスに混合されるようになっ
ていたが、本実施形態のＣＯ除去器２０５では、選択酸
化触媒層の入口側から出口側にわたって分散して空気が
取り込まれ、改質ガスに混合されるようになっている。

【００４９】図７は、本実施形態にかかるＣＯ除去器の
斜視図である。本図において、実施の形態１と同様の構
成要素については、同一の番号を付してある。改質ガス
の流通路となる円筒缶５１の外周面の全体を取り巻くよ
うに、空気の流通路となる環状缶２５２が設けられ、円
筒缶５１内には、実施の形態１と同様に選択酸化用の触
媒が充填されて選択酸化触媒層５５が形成されている。

【００５０】そして、円筒缶５１の外周面には、環状缶
２５２内から円筒缶５１内に空気を取り込む開口部２５
３が、選択酸化触媒層５５の入口側から出口側にわたる
複数の位置に、全周にわたって開設され、各開口部２５
３には、選択酸化触媒層５５の温度に基づいて開口度を
調整するための開口度調整機構２５４が設置されてい
る。

【００５１】本図では、開口部２５３は、選択酸化触媒
層５５の入口側から出口側にわたってほぼ等間隔に設定
された５つの各位置において、４箇所づつ等間隔に開設
され、合計２０箇所に開口部２５３が開設されている。
開口度調整機構２５４は、図３に示した実施の形態１の
開口度調整機構５４と同様の構成である。

【００５２】各開口度調整機構２５４は、形状変化部材
の端部は、選択酸化触媒層５５に隣接して取り付けられ
ており、これによって、選択酸化触媒層５５の対応する
各部位の温度に従って、形状変化部材が変形し、円筒缶
５１内に取り込まれる空気の流量が調整されるようにな
っている。本実施の形態は、改質ガスと直交する面内お
いて空気が均一的に混合されるのは、実施の形態１と同
様であるが、更に以下の効果を奏する。

【００５３】上記実施の形態２で説明したように、実施
の形態１のＣＯ除去器５の場合、選択酸化触媒層５５の
入口付近では、ＣＯ濃度及び酸素濃度が高いので、この
部分で酸化反応が激しく生じ、選択酸化触媒層５５の他
の部分よりも高温になりやすい傾向にある。これに対し
て、本実施の形態では、選択酸化触媒層５５の入口側か
ら出口側にわたる複数の位置で空気が取り込まれて改質
ガスと混合されるようになっているので、トータルの空
気量は実施の形態１の場合とほぼ同等であったとして
も、選択酸化触媒層の各空気取入れ位置に供給される空
気量は少なくなる。従って、各空気取入口付近での酸化
反応は穏やかになり、選択酸化触媒層の入口側から出口
側にかけての温度差を小さくすることができる。

【００５４】なお、図７に示した例では、各開口部２５
３は、その長手が円筒缶５１の円周に沿う方向に形成さ
れているが、当該長手を円筒缶５１の軸に沿う方向に形
成しても実施することができ同様の効果を奏する。ま
た、開口部２５３を開設する位置についてもこれに限ら
れず、円筒缶５１の外周面に均一的に分散するように開
設すれば、同様の効果が期待できる。

【００５５】本実施の形態の効果を確かめるために、以
下の実験を行った。（実験１）実施の形態１及び本実施の形態のＣＯ除去器
を用いて同等の条件で運転し、選択酸化触媒層の入口側
から出口側にかけての温度分布を測定した。運転条件に
ついては、供給ガス組成は、Ｈ₂：７９．５％、ＣＯ₂：
２０％、ＣＯ：０．５％とし、供給ガスの入口での温度
は１５０℃、選択酸化触媒層に対する改質ガスの空間速
度（ＧＨＳＶ）は５０００ｈｒ^-1、Ｏ₂／ＣＯ比は２と
した。

【００５６】図８はこの測定結果を表わす図であって、
図中の「触媒層無次元長さ」は、触媒層の入口側端から
の距離を入口側端から出口側端までの長さで割った値で
ある。実施の形態１のＣＯ除去器では、入口付近（無次
元長さ０．２〜０．３付近）で最高温度２２０℃程度に
上がり、出口側端（無次元長さ１．０付近）で１６０℃
程度に低下している。

【００５７】一方、本実施形態のＣＯ除去器では、入口
側から出口側にかけて１７０℃〜１９０℃の範囲内に納
まっている。（実験２）本実施の形態のＣＯ除去器を用いて、１％の
ＣＯを含む約１２０℃の改質ガスを一定の流量（燃料電
池６の出力１００％に相当する流量）で送り込みなが
ら、空気の流量をＯ₂／ＣＯ比１〜５の間で変化させ
て、選択酸化触媒層（中央部）の温度、並びに出口側で
のＣＯ濃度を測定する実験を行った。

【００５８】図９はこの測定結果を表わすものである。
図９の結果から、Ｏ₂／ＣＯ比が１．５〜３．５の範囲
で、出口側のＣＯ濃度が低い値となっている。従って、
本実施の形態においては、Ｏ₂／ＣＯ比をこの範囲に設
定することが望ましいことがわかる。この図９の結果と
実施の形態１の図５とを比較すると、図９では、Ｏ₂／
ＣＯ比が１．５〜３．５の範囲でＣＯ濃度が最低となり
その最低値が１０ｐｐｍ程度であるのに対して、図５で
は、Ｏ₂／ＣＯ比が７〜８でＣＯ濃度が最低となりその
最低値が３０ｐｐｍ程度である。従って_、実施の形能１
と比べて本実施形態は_、Ｏ₂／ＣＯ比をより低い値に設定
しても、ＣＯ濃度をより低い値まで低減することができ
ることになる。

【００５９】（その他の事項）なお、上記実施の形態１
〜３のＣＯ除去器では、形状変化部材としてバイメタル
を用いる例を示したが、形状変化部材として形状記憶合
金を用いることも可能と考えられる。ただし、バイメタ
ルの方が形状記憶合金よりも、温度変化に対して滑らか
に変形する点で好ましいと考えられる。

【００６０】また、上記実施の形態１〜３のＣＯ除去器
では、形状変化部材が空気取入口に取り付けられ、形状
変化部材がで空気取入口の開口度を調整する調整板を兼
ねる構成になっているが、空気取入口に、形状変化部材
とは別個の調整板を設け、形状変化部材の変形に伴って
変位する部位に調整板が連動するような構成にすること
も可能である。

【００６１】また、上記実施の形態１〜３のＣＯ除去器
では、ブロア１２から環状缶内に空気を送り込み、開口
部から空気が取り込まれるようになっているが、空気を
取り込む方式はこれに限定されない。例えば、実施の形
態１では、円筒缶５１の上流部分５１ａに、通常のガス
バーナに設けられているのと同様のエゼクタ機構を設け
て、開口部から空気を引き込むようにし、その開口部に
開口度調整機構を設けても、同様に実施することは可能
である。

【００６２】また、上記実施の形態１〜３のＣＯ除去器
では、選択酸化触媒部が円柱状である例を示したが、本
発明は、選択酸化触媒部の形状に関わらず適用できる。

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、一酸化
炭素除去器において、バイメタルや形状記憶合金などの
温度に依存して形状が変化する形状変化部材を選択酸化
触媒部と伝熱可能な状態で設け、その形状変化部材の変
形量によって空気取入口の開口量を調整し空気の取入量
を制御する空気量制御機構を設けることによって、温度
センサや流量コントローラを設けなくてもよく、簡単な
装置構成で選択酸化触媒層を適正な運転温度にコントロ
ールできるようにした。

【００６４】ここで、空気取入口を、選択酸化触媒部の
入口側から出口側にわたる複数の位置に設け、空気量制
御機構を、複数の位置に設けられた空気取入口の各々に
設けるようにすれば、選択酸化触媒部の入口側から出口
側に対する温度分布を均一化することができ、これによ
って効率よくＣＯ濃度を低減できる。また、バイメタル
などの形状変化部材の変形に伴って変位する部分を空気
取入口に臨む状態で設ければ、更に簡素な構成とするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１にかかる燃料電池発電システムの
構成図である。

【図２】上記燃料電池発電システムに用いられているＣ
Ｏ除去器の構成を示す斜視図である。

【図３】図２のＣＯ除去器において、円筒缶上に取り付
けられている開口度調整機構を示す斜視図である。

【図４】図２に示すＣＯ除去器の断面図である。

【図５】上記ＣＯ除去器を用いた実験結果を示すグラフ
である。

【図６】実施の形態２にかかるＣＯ除去器の断面図であ
る。

【図７】実施の形態３にかかるＣＯ除去器の斜視図であ
る。

【図８】実施の形態３にかかる実験１の結果を表わす図
である。

【図９】実施の形態３にかかる実験２の結果を表わす図
である。

【符号の説明】

３改質器４ＣＯ変成器５ＣＯ除去器６燃料電池５１円筒缶５２環状缶５３開口部５４開口度調整機構５５選択酸化触媒層２０５ＣＯ除去器２５２環状缶２５３開口部２５４開口度調整機構５４１形状変化部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小田勝也大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者三宅泰夫大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者西尾晃治大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一酸化炭素を含む水素リッチなガスを、
空気取入口から取り入れた空気と混合して選択酸化触媒
部を通過させることによって、当該ガス中の一酸化炭素
を選択的に酸化する一酸化炭素除去器であって、前記選択酸化触媒部と熱伝達可能な状態で設けられ温度
に依存して形状が変化する形状変化部材を有し、当該形
状変化部材の変形量によって前記空気取入口の開口量を
調整し空気の取入量を制御する空気量制御機構が設けら
れていることを特徴とする一酸化炭素除去器。
【請求項２】前記空気取入口は、選択酸化触媒部の入口側から出口側にわたる複数の位置
に設けられ、前記空気量制御機構は、複数の位置に設けられた空気取入口の各々に設けられて
いることを特徴とする請求項１記載の一酸化炭素除去
器。
【請求項３】前記形状変化部材は、バイメタル又は形状記憶合金からなり、少なくともその一部が前記選択酸化触媒部に隣接して設
けられていることを特徴とする請求項１または２記載の
一酸化炭素除去器。
【請求項４】前記空気取入量調整機構において、前記形状変化部材は、変形に伴って変位する部分が前記空気取入口に臨む状態
で設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいず
れかに記載の一酸化炭素除去器。
【請求項５】燃料を水素リッチなガスに改質する改質
器と、当該改質器からのガスを、空気取入口から取り入れた空
気と混合して選択酸化触媒部を通過させることによっ
て、当該ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化する一酸化
炭素除去器とを備える燃料電池用燃料供給システムにお
いて、前記一酸化炭素除去器には、前記選択酸化触媒部と伝熱可能な状態で設けられ温度に
依存して形状が変化する形状変化部材を有し、当該形状
変化部材の変形量によって前記空気取入口の開口量を調
整し空気の取入量を制御する空気量制御機構が設けられ
ていることを特徴とする燃料電池用燃料供給システム。
【請求項６】前記空気取入口は、選択酸化触媒部の入口側から出口側にわたる複数の位置
に設けられ、前記空気量制御機構は、複数の位置に設けられた空気取入口の各々に設けられて
いることを特徴とする請求項５記載の燃料電池用燃料供
給システム。
【請求項７】燃料を水素リッチなガスに改質する改質
器と、当該改質器からのガスを、空気取入口から取り入れた空
気と混合して選択酸化触媒部を通過させることによっ
て、当該ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化する一酸化
炭素除去器と、当該一酸化炭素除去器からのガスを用いて発電する燃料
電池とを備える燃料電池発電システムにおいて、前記一酸化炭素除去器には、前記選択酸化触媒部と伝熱可能な状態で設けられ温度に
依存して形状が変化する形状変化部材を有し、当該形状
変化部材の変形量によって前記空気取入口の開口量を調
整し空気の取入量を制御する空気量制御機構が設けられ
ていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項８】前記空気取入口は、選択酸化触媒部の入口側から出口側にわたる複数の位置
に設けられ、前記空気量制御機構は、複数の位置に設けられた空気取入口の各々に設けられて
いることを特徴とする請求項７記載の燃料電池発電シス
テム。