JPH11502366A - 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

Abstract

(57)【要約】 燃料電池発電装置に用いられる、燃料ガス選択的酸化装置集合体（２）である。この集合体は、それぞれ複数の分離式選択的酸化ガス通路（２０）と、複数の隣接する冷却通路（２２）とをそれぞれ備えた一連のコンポーネントの反復構造により形成される。選択的酸化ガスと冷却通路とは、好ましくは波形の金属シート（１６、１８）により形成され、これらの金属シートは、平板金属シート（１０、１２、１４）の間に配置されている。平板金属シート（１４）のひとつは、選択的酸化ガス通路と冷媒通路との間に共通壁を形成し、選択的酸化ガス通路内の改質ガスと冷媒との間での熱交換効率を高めている。各コンポーネントは、第一の外側平板金属シート（１０）、中間平板シート（１４）、第二の外側平板金属シート（１２）をそれぞれ有する。平板金属シートのそれぞれは、波形金属ガス（１６）と冷媒通路シート（１８）とにより分離されている。

Description

【発明の詳細な説明】 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 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 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２ ２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１ ０、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２２ ０ｏＦ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２２ ０ｏＦ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３００−５０ ０ｐｐｍ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 (1)

1. 【特許請求の範囲】 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管に設けられており、 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す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．前記アセンブリは、互いに隣接する複数のゾーンを有し、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、前記複数のゾーンは、前記 第一のゾーンから冷媒をうける熱交換手段によって分離され、かつ、この熱交換 手段は、前記第二のゾーンへ入る前の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請求項３記載のアセンブリ。 ５．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。 ６．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、前記冷媒とが、 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。 ７．前記アセンブリは、互いに隣接する複数のゾーンを有し、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備えており、かつ、前記複数のゾ ーンは、前記第一のゾーンから冷媒を受ける熱交換手段によって分離されており 、かつ、前記熱交換手段は、前記第二のゾーンに入る前の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、前記第一のゾーンに接続され、前記流出ラ インは、前記第二のゾーンに接続されておりことを特徴とする請求項６記載のア センブリ。 ８．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 二のプレートとの管に設けられており、 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、 ｇ）前記第一及び第二の流入及び流出ラインは、前記アセンブリの互いに対向 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アセンブリ。 ９．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管に設けられており、 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、 ｇ）前記第一及び第二の流入ラインは、前記アセンブリの互いに隣接するサイ 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、前記冷媒フローと交差する方向に流 通することを特徴とするアセンブリ。 １０．改質された燃料ガスを選択的に酸化して、前記燃料ガス内の一酸化炭素 を二酸化炭素に酸化する方法であって、 ａ）燃料ガスと酸素との混合物のストリームを用意するステップと、 ｂ）前記燃料ガスと酸素とのストリームを、前記燃料ガスストリーム内の一酸 化炭素の選択的酸化が可能である白金触媒を通じて流通させるステップと、 ｃ）冷媒ストリームを、前記燃料ガスと酸素のストリームと熱交換可能な状態 で、前記燃料ガスと酸素のストリームと隣接して流通させ、かつ、前記燃料ガス ストリームは、前記冷媒ストリームと向流にするステップと、を有することを特 徴とする方法。