ＣＯ選択酸化器

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【発明の名称】	ＣＯ選択酸化器
【発明者】	【氏名】千々岩榮【氏名】水澤実【氏名】渡部武憲
【要約】	【課題】改質ガスの流れに空気を分散混入し、改質ガスの温度を所定範囲に維持できるようにしたＣＯ選択酸化器を提供する。【解決手段】内部を改質ガスが流れる円筒体１１と、この円筒体内に設けられ伝熱フィン１３と伝熱媒体を流す伝熱管１２とから構成される伝熱部１８と、この伝熱部１８を円筒体の一部とともに覆うように設けられた多孔板１７と、円筒体内に設けられ空気を噴出する多孔質材よりなる空気管１４と、伝熱管１２と空気管１４とを支持し改質ガスを蛇行して流すじゃま板１５と、フィン１３の間に充填されＣＯの選択酸化を促進する触媒１６と、を備える。

【特許請求の範囲】
【請求項１】内部を改質ガスが流れる円筒体と、この円筒体内に設けられた伝熱フィンと伝熱媒体を流す伝熱管とから構成される伝熱部と、この伝熱部を円筒体の一部とともに覆うように設けられた多孔板と、円筒体内に設けられ空気を流出する多孔質材よりなる空気管と、前記伝熱管と前記空気管とを支持し改質ガスを蛇行して流すじゃま板と、を備え、前記伝熱フィンの間にＣＯの選択酸化を促進する触媒を充填したことを特徴とするＣＯ選択酸化器。
【請求項２】前記伝熱フィンの間にＣＯの選択酸化を促進する触媒を充填することに代え、前記伝熱フィン表面にＣＯの選択酸化を促進する触媒を付着させたことを特徴とする請求項１記載のＣＯ選択酸化器。
【請求項３】内部を改質ガスが流れる円筒体と、この円筒体内に設けられ伝熱媒体を流す伝熱管と、この伝熱管を円筒体の一部とともに覆うように設けられた多孔板と、円筒体内に設けられ空気を流出する多孔質材よりなる空気管と、前記伝熱管と前記空気管とを支持し改質ガスを蛇行して流すじゃま板と、前記多孔板と円筒体の一部とで囲われた空間に充填されＣＯの選択酸化を促進する触媒と、を備えたことを特徴とするＣＯ選択酸化器。
【請求項４】前記空気管の多孔の範囲を前記じゃま板によって区画される特定の区画のみとしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のＣＯ選択酸化器。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池の改質器により生成された改質ガスのＣＯを選択酸化させるＣＯ選択酸化器に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は室温でも発電でき、高い出力密度が得られることから、小型の定置型、可搬電源や電気自動車用の電源として期待されている。燃料電池は電池本体と、この電池本体に水素を主とするガスを供給する改質器が主要機器を構成し、燃料としてメタノール等が用いられている。改質器は燃料を改質触媒の存在下で、水蒸気と接触反応させることにより水素を主とする改質ガスに改質する。
【０００３】メタノールと水蒸気の反応式は次のようになる。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂…（１）
この反応は２５０～３００℃で行われ、吸熱反応である。改質触媒としてＣｕやＺｎ系統が用いられる。
【０００４】ＣＯ₂＋Ｈ₂→ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ…（２）
（１）式の反応と同時に（２）式の逆シフト反応も起こり、少量のＣＯが発生する。ＰＥＦＣは低温動作であるため、改質ガスに含まれるＣＯが少量であっても、燃料電池の白金触媒がＣＯ被毒（白金に強く吸着して水素の反応を阻害する作用）を受けて電池の発電の障害となる。ＰＥＦＣではこのＣＯ被毒対策が、改質ガスを用いる場合の最大の問題となっている。このため、改質ガスに少量の空気を混入させて選択的にＣＯを酸化させる方法、パラジウムの薄膜でＣＯを除去する方法、Ｐｔ－Ｒｕ合金触媒を燃料極に用いる方法などの対策が検討されているが、簡便で決定的な解決方法はまだ見いだされていない。
【０００５】図７は従来用いられたＣＯ選択酸化器を模式的に示す。選択酸化触媒を充填した容器を複数直列に配置し、各容器に改質ガスと選択酸化用の少量の空気を供給する。ＣＯの酸化は発熱反応であり容器内の温度が上昇すると改質ガスの主成分の水素ガスが燃焼してしまうので、各容器の温度を水素ガスが燃焼しない温度、例えば１５０℃前後に維持するため、冷却空気が伝熱管などの手段をもって流され、容器内の温度を調整しているのが一般的である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上述のＣＯ選択酸化器において、冷却が十分でない場合、容器内の温度をＣＯの選択酸化に適した温度範囲に維持することが困難であり、局部的に温度の高くなるホットスポットが発生し、ＣＯの選択酸化率が低下し、ＣＯ除去が不十分になり、また、必要以上に水素が燃焼するため、燃料電池の発電効率を低下させていた。
【０００７】本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、改質ガスの流れに空気を多段に混入し、改質ガスの温度を所定範囲に維持できるようにしたＣＯ選択酸化器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、請求項１の発明では、内部を改質ガスが流れる円筒体と、この円筒体内に設けられた伝熱フィンと伝熱媒体を流す伝熱管とから構成される伝熱部と、この伝熱部を円筒体の一部とともに覆うように設けられた多孔板と、円筒体内に設けられ空気を流出する多孔質材よりなる空気管と、前記伝熱管と前記空気管とを支持し改質ガスを蛇行して流すじゃま板と、を備え、前記伝熱フィンの間にＣＯの選択酸化を促進する触媒を充填したことを特徴とするＣＯ選択酸化器。
【０００９】改質ガスはじゃま板により蛇行しながら伝熱フィンの間を流れ、伝熱フィンの間に充填されたＣＯ選択酸化触媒と十分に接触しながら流れる。これとともに空気管の多孔より空気がじゃま板で仕切られた区画へ流出され、蛇行して流れる改質ガスと混合してＣＯ選択酸化触媒内を流れる。伝熱管内には伝熱媒体が流れ、伝熱媒体の温度を調整することにより改質ガスの温度をＣＯ選択酸化に適した温度範囲に均一に保持できる。これによりＣＯの選択酸化が適切に行われる。
【００１０】請求項２の発明では、前記伝熱フィンの間にＣＯの選択酸化を促進する触媒を充填することに代え、前記伝熱フィン表面にＣＯの選択酸化を促進する触媒を付着させる。
【００１１】伝熱フィン表面にＣＯの選択酸化を促進する触媒を付着させることにより、触媒の温度をより精確に管理することが可能になり、ＣＯの選択酸化をより適切に実施するかとができる。
【００１２】請求項３の発明では、内部を改質ガスが流れる円筒体と、この円筒体内に設けられ伝熱媒体を流す伝熱管と、この伝熱管を円筒体の一部とともに覆うように設けられた多孔板と、円筒体内に設けられ空気を流出する多孔質材よりなる空気管と、前記伝熱管と前記空気管とを支持し改質ガスを蛇行して流すじゃま板と、前記多孔板と円筒体の一部とで囲われた空間に充填されＣＯの選択酸化を促進する触媒と、を備える。
【００１３】改質ガスはじゃま板により蛇行しながら、多孔板と円筒体の一部で覆われた空間に入り、その空間内に設けられた伝熱管により温度調整され、充填されたＣＯ選択酸化触媒と十分に接触して流れる。これとともに空気管の多孔より空気がじゃま板で仕切られた区画へ流出され、蛇行して流れる改質ガスと混合して前記空間内に入り、ＣＯの選択酸化反応と一部の水素が燃焼反応し発熱する。伝熱管内には伝熱媒体が流れ、伝熱媒体の温度を調整することにより改質ガスの温度をＣＯ選択酸化に適した温度範囲に均一に保持できる。これによりＣＯの選択酸化が適切に行われる。
【００１４】請求項４の発明では、前記空気管の多孔の範囲を前記じゃま板によって区画される特定の区画のみとする。
【００１５】空気管の多孔より吹き出す空気は、じゃま板で仕切られる各区画毎に吹き出さなくても改質ガスに混合できる場合があり、この場合空気を吹き出さない区画を１区画毎とか２区画置きとか、任意の区画にする。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１はＣＯ選択酸化器を用いた燃料電池システムを示す。燃料電池システムは、燃料ガスと水とから改質ガスを生成する改質器１と、改質ガスに含まれるＣＯを選択酸化する選択酸化器２と、ＣＯを除去した改質ガスと空気により電池反応を行い発電する燃料電池３とから構成される。選択酸化器２には、改質ガスと、改質ガス中に少量含まれるＣＯを選択酸化する空気と、伝熱媒体が供給される。伝熱媒体は改質ガスをＣＯ選択酸化を行うのに適した温度、これは使用するＣＯ選択酸化触媒によっても異なるが、例えば１５０℃±１０℃に改質ガスの温度を維持するために用いられる。このため選択酸化器２には熱媒体循環ライン４が設けられ、この熱媒体循環ライン４には伝熱媒体を循環させるポンプ５と、伝熱媒体を所定の温度に維持するための冷却器やヒータを備えた温度調整器が６が設けられている。伝熱媒体の変わりに水蒸気などを用いることができる。
【００１７】図２は第１実施形態のＣＯ選択酸化器の構成を示し、図３は図２のＸ－Ｘ断面図である。円筒体１１の内部中央には伝熱管１２が複数本配置され、この伝熱管１２には伝熱フィン１３が設けられ伝熱部１８を構成している。円筒体１１の上部と下部空間には空気管１４が配置され、ＣＯ選択酸化に必要な空気を供給する。じやま板１５が間隔をおいて設けられ、円筒体１１内部を流れる改質ガスを蛇行して流すとともに、伝熱管１２、空気管１４を支持する。伝熱フィン１３の間にはＣＯ選択酸化を促進する触媒１６が充填されている。円筒体１１と伝熱管１２とじゃま板１５との構成はシェルアンドチューブ形の熱交換器に類似した構成となっている。
【００１８】伝熱管１２を流れる伝熱媒体は通常油を用いるが、水蒸気なども用いられる。空気管１４は、セラミックスを焼結した多孔質材で構成され、空気がこの多孔より流出するようになっている。
【００１９】このように構成された選択酸化器の動作について説明する。改質ガスはじゃま板１５によって仕切られた区画を蛇行しながら流れ、伝熱フィン１３と接触してＣＯ選択酸化を行うのに適した温度範囲、例えば、１５０±１０℃に調整される。空気管１４の多孔からは空気が選択酸化に必要な程度に流出し、改質ガスと混合し、ＣＯ選択酸化触媒１６の下で、ＣＯは酸化され、無害なＣＯ₂となる。改質ガスの温度を制御しているので、ＣＯの選択酸化性が高く、水素ガスの燃焼を最小限に抑えることができる。
【００２０】なお、伝熱フィン１３の間にＣＯ選択酸化触媒１６を充填する代わりに、伝熱フィン表面にＣＯの選択酸化を促進する触媒を付着させるようにしてもよい。これにより、触媒の温度をより精確に管理することが可能になり、ＣＯの選択酸化をより適切に実施するかとができる。
【００２１】次に第２実施形態を図４を用いて説明する。図２と同一符号は同一のものを表す。第２実施形態は、第１実施形態に対して空気管１４を全て多孔質材で構成せず、じゃま板１５で仕切られる区画の１つ置きに、多孔質材の配管とし、他は多孔質でない配管としたものである。このようにすることにより流入する空気量を多孔質の表面積の大きさ、メッシュの選定で調整することができる。なお、この多孔質材の配置は上下の空気管１４で千鳥状に配置してもよく、その配置は任意とすることができる。
【００２２】次に第３実施形態を図５と図６を用いて説明する。図５は第３実施形態の構成を示し、図６は図５のＹ－Ｙ断面図である。これらの図において、図２、図３と同一符号は同一のものを表す。第３実施形態は、第１実施形態に対して伝熱フィン１３の代わりに、伝熱管１２の上部と下部に多孔板１７を水平に設け、円筒体１１の一部とで伝熱管１２を覆い、この内部にＣＯ選択酸化触媒１６を充填している。伝熱管１２の数が同じであれば、伝熱フィン１３に比べ伝熱性は劣るが、伝熱管１２の数を増すことによりほぼ同じ伝熱性が得られる。伝熱管１２が多くなっても伝熱フィン１３を設ける構造より簡単な構造となる。ＣＯ選択酸化動作については、第１実施形態と同じである。第３実施形態でも、第２実施形態のように空気管１４の多孔の位置を変えることができる。
【００２３】
【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明は、円筒内に伝熱管と多孔質材よりなる空気管を設け、これをじゃま板で支持し、伝熱管の周囲にＣＯ選択酸化触媒を充填したので、改質ガスを選択酸化に適した温度に保持して空気を供給することができ、ＣＯガスを確実に選択酸化することができる。

【出願人】	【識別番号】０００００００９９【氏名又は名称】石川島播磨重工業株式会社
【出願日】	平成１０年７月８日（１９９８．７．８）
【代理人】	【識別番号】１０００９７５１５【弁理士】【氏名又は名称】堀田実（外１名）
【公開番号】	特開２０００－２６１０４（Ｐ２０００－２６１０４Ａ）
【公開日】	平成１２年１月２５日（２０００．１．２５）
【出願番号】	特願平１０－１９３１６７