JP2004355965A - Exhaust gas treatment technology for fuel cells - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池の排出ガス中の燃料を酸化処理する技術に関し、特に、触媒層により燃料を酸化処理する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池のアノード側の排ガス(アノードオフガス)には、燃料電池反応をしていない燃料が残留しているのでアノードオフガス中の燃料を酸化する処理が行われていた。燃料の酸化処理技術としては、例えば、本出願人により、燃料を酸化触媒により酸化させる技術が開示されている(例えば、特許文献1および特許文献2参照。)。この技術では、燃料が低濃度であってもアノードオフガス中の燃料を酸化処理することが可能となる。
【0003】
【特許文献1】
特開2001−313059号広報
【特許文献2】
特開2002−289237号広報
【特許文献3】
特開平11−233129号広報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アノードオフガスと酸化性ガスの混合が不十分なとき、触媒層中に燃料濃度が高い領域と、燃料濃度が低い領域とが発生する。燃料濃度が高い領域では、酸化反応の反応量が多くなり、反応熱が局所的に蓄積する。蓄積した反応熱により触媒層の温度が上昇すると、反応の活性度が高まり更に反応量が増加するため、触媒層は過昇温の状態となる可能性がある。
【0005】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、触媒層内の局所的な温度上昇を抑制する技術を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第1の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化性ガスの反応によって電力を発生し、使用済みの燃料ガスと酸化性ガスであるアノードオフガスとカソードオフガスを排出する燃料電池と、前記燃料電池に接続され、前記アノードオフガスを外部に排出するアノードオフガス排出配管と、前記アノードオフガス排出配管に接続され、前記アノードオフガスに残留する燃料を酸化する酸化触媒を担体に担持した触媒層と、を備え、前記触媒層は、前記触媒層内の前記燃料の拡散を促進するガス拡散構造を有することを特徴とする。
【0007】
この燃料電池では、触媒層内の燃料濃度が高い領域で酸化反応による反応熱が多く発生すると、局所的に温度上昇と圧力上昇とが生じる。触媒層内のガス拡散構造は、この圧力上昇に応じて、燃料濃度の高いガスと反応熱を燃料濃度のより低い領域に拡散させる。従って、触媒層内の温度を均一化することができる。
【0008】
前記ガス拡散構造は、前記担体に設けられ、前記触媒層内のガスの主流方向と異なる方向の流路を有する構造であるものとしてもよい。
【0009】
この構成によれば、主流方向と異なる方向の流路を介して速やかにガスが拡散するため、燃料濃度の偏りが大きい場合にも触媒層内の燃料濃度と温度を均一化できる。
【0010】
前記担体は、前記触媒層内のガスの主流方向に形成された複数の主流路を有し、前記ガス拡散構造は、隣接する前記主流路間を連通する連通孔を有する構造であるものとしてもよい。
【0011】
担体の主流路間に連通孔を設けることにより、より容易にガスを拡散させることができる。
【0012】
なお、前記担体は、コア部材に連通孔を有するメタルハニカムとしてもよい。
【0013】
この構成では、担体の機械的強度が高いので、衝撃などを受けても壊れにくくすることができる。
【0014】
前記ガス拡散構造は、前記担体に設けられたランダムな流路であるものとしてもよい。
【0015】
担体にランダムな流路を設けることにより、より容易にガスを拡散させることができる。
【0016】
なお、前記ランダムな流路を有する担体は、多孔質体としてもよい。
【0017】
この構成によれば、容積あたりの表面積を大きくすることができる。従って、触媒層全体をより小さくすることができる。
【0018】
前記多孔質体は、発泡金属で形成されているものとしてもよい。
【0019】
この構成によっても、担体の機械的強度が高くできるので、衝撃などを受けても壊れにくくすることができる。
【0020】
前記触媒層は、上流側の第1領域と下流側の第2領域の2つの領域を有し、前記第1と第2の領域は、互いに分離させて同一の燃料濃度のガスをそれぞれ供給したと仮定した場合に、前記第1領域が前記第2領域よりも容積あたりの酸化反応量が少なくなる構成を有しており、前記第1領域と、前記第2領域との少なくとも一方が、前記ガス拡散構造を有する、燃料電池システム。
【0021】
この構成によれば、燃料濃度の高く、かつ、燃料濃度の偏りが大きいガスが流入した場合にも、前記第1領域で過昇温を起こすことなく燃料濃度を低減できるので、触媒層の過昇温を抑制することができる。また、濃度の低い燃料も容易に酸化できるので、触媒層全体を小型化できる。
【0022】
また、前記第1領域は、前記第2領域より容積あたりの熱容量が大きいか、前記第1領域は、前記第2領域より容積あたりの表面積が小さいか、の少なくとも一方の構成を有するものとしてもよい。
【0023】
容積あたりの熱容量が大きい場合、温度上昇が抑制され酸化反応の活性が抑えられるので、酸化反応量を低減することができる。また、容積あたりの表面積が小さい場合、触媒との接触面積が小さくなり、触媒反応である酸化反応量が低減できる。
【0024】
さらに、前記第1領域は、前記第2領域より担体内の熱伝導が良いものとしてもよい。
【0025】
この構成によれば、燃料濃度の高い領域で発生する大量の反応熱を、熱伝導により燃料濃度の低い領域に分散することができる。これにより、燃料濃度が高く、かつ、偏りがある場合であっても、触媒層の過昇温を抑制できる。
【0026】
なお、前記第1領域の長さが前記第2領域より短いものとしてもよい。
【0027】
この構成により、触媒層全体をより小さくすることができる。
【0028】
さらに上述の燃料電池システムは、前記燃料電池から排出されたカソードオフガスを、前記アノードオフガス排出配管の前記触媒層の上流側の流路に導くカソードオフガス排出配管を備えるものとしてもよい。
【0029】
酸化性ガスはカソード室から供給されるので、酸化性ガス供給のための動力負担が軽減され、システム効率を向上させることができる。
【0030】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、ガス拡散構造を有する触媒層、触媒層の製造方法、その触媒層を備える燃料電池システム、およびその燃料電池システムを備える車両・移動体や発電システム、等の形態で実現することができる。
【0031】
【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以下の順序で説明する。
A.実施例1:
B.実施例2:
C.実施例3:
D.実施例4:
E.実施例5:
F.変形例:
【0032】
A.実施例1:
図1は、本発明の一実施例としての電気自動車の概略構成図である。この電気自動車(以下、単に「車両」と呼ぶ)の車輪駆動機構は、モータ20と、減速機40とを備えている。モータ20は、回転軸13を介して減速機40に結合されている。減速機40は、出力軸15と、ディファレンシャルギア16と、車軸17とを介して車輪に結合されている。このように、モータ20の回転は車輪18に伝達され、また、車輪18の回転はモータ20に伝達される。
【0033】
モータ20は、ロータ22とステータ24を備えている。ロータ22には、複数個の永久磁石が設けられている。ステータ24は複数のコイルを有し、各コイルに適当な位相の交流電流が流されることにより、ロータ22部分に回転磁界が生じる。この回転磁界と、ロータ22に設けられた永久磁石の磁界の相互作用により、ロータ22が回転する。また、ロータ22に外力が加わったときは、永久磁石の磁界により、ステータ24に設けられたコイルに電流が生じ、モータ20は発電機として作用する。
【0034】
本実施例の車両は直流電源として、バッテリ50と、燃料電池システム60とを備えている。バッテリ50に接続されている双方向コンバータ51は、バッテリ側の電圧を調整してバッテリ50の充放電を制御する。双方向コンバータ51と、燃料電池システム60と、インバータ80とは互いに接続され、直流電流の授受が相互に行われる。
【0035】
インバータ80は、双方向コンバータ51もしくは燃料電池システム60から供給される直流電流を、トランジスタのオン・オフにより交流電流に変換する。
インバータ80から供給される交流電流がモータ20に伝えられることにより、回転磁界が誘起されモータ20が回転する。また、車両の減速時には、モータ20からの電力がインバータ80と、双方向コンバータ51とを介してバッテリ50に供給され、エネルギーの回生が行われる。
【0036】
制御ユニット70は、シフトレバー72と、アクセルペダル74と、ブレーキペダル76とから与えられた運転者からの指令に従って、車両各部を制御する。
制御ユニット70は、インバータ80に備えられたトランジスタのオン・オフ時間等を制御することにより、モータ20の回転速度を制御する。
【0037】
なお、制御ユニット70による車両の制御は、制御ユニット70に組み込まれたメモリに記録されたコンピュータプログラムを実行することにより実現される。このプログラムは、制御ユニット内のROMやハードディスクなどの種々の媒体によって提供される。
【0038】
図2は、燃料電池システム60の構成を示す説明図である。この燃料電池システム60は、燃料電池100と、アノードオフガス処理装置200とを有している。燃料電池100は、カソード室102と、アノード室104と、カソード106と、アノード108と、電解質110とを備えている。アノード室104に導入された燃料ガスは、カソード室102に導入された酸化性ガスと燃料電池反応を起こす。燃料電池反応は、カソード106と、アノード108、および電解質110を介して行われる。燃料電池反応に伴い、電力がカソード106とアノード108から外部の負荷に送出される。
【0039】
酸化性ガス供給ポンプ126は、外部の酸化性ガス供給源からカソード室102に酸化性ガスを供給する。燃料電池反応に使用された酸化性ガス(カソードオフガス)は、カソードオフガス排出配管160を通して外部に排出される。
【0040】
燃料ガスは、外部の燃料ガス供給源から、燃料ガス供給バルブ120と燃料ガス供給配管142を通して、アノード室104に導入される。燃料ガスは、アノード室104内でその一部が反応する。燃料ガス循環ポンプ124は、燃料ガス循環配管144から燃料ガス供給配管を通して、未反応の燃料を含むガスをアノード室104に還流する。このように、未反応の燃料を含むガスを還流することにより、燃料の大部分を燃料電池反応に使用することができる。
【0041】
燃料ガス循環配管144は、燃料電池100と燃料ガス循環ポンプ124の間に分岐を有する。分岐した配管146は、アノードオフガス排出バルブ122に接続している。アノードオフガス排出バルブ122は、必要に応じて燃料排ガス(アノードオフガス)を外部に排出するための開閉弁である。
【0042】
アノードオフガス排出バルブ122より排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス排出配管140を経て、アノードオフガス処理装置200内部の予混合部202に導入される。予混合部202には、酸化性ガス供給ポンプ128により、外部の酸化性ガス供給源より酸化性ガスが供給される。予混合部202は、供給されたアノードオフガスと酸化性ガスを混合し、混合されたガス(混合ガス)を触媒層220に供給する。
【0043】
触媒層220には、燃料を酸化するための酸化触媒が担持されている。この酸化触媒の作用により、触媒層220に流入した混合ガス中の燃料は、触媒層220を通過する間に混合ガス中の酸化性ガスと反応し酸化する。燃料が酸化した混合ガスは、排出ガスとして燃料電池システム60の外部に放出される。なお、触媒層220に担持されている酸化触媒は、燃料の種類や燃料電池システムの運転条件などに応じて適宜選択され、例えば燃料が水素の場合には白金などが用いられる。
【0044】
図3(a)は触媒層220の縦断面の模式図であり、図3(b)は触媒層220の横断面の模式図である。触媒層220は、平板部材232と、波状部材234とを備えている。平板部材232と波状部材234は、ハニカム担体230を形成する。図3(a)に示すように、ハニカム担体230は左から右に向かう多数の主流路を有している。左側から触媒層220に流入する混合ガスは、全体としては右側へ向かう主流方向に沿って流れ、右側から排出ガスとして流出する。
平板部材232と波状部材234には、それぞれ多数の通気孔(連通孔)が形成されている。これらの部材232,234は通気性を有するため、ハニカム担体230内には主流方向と異なる方向の流路が存在し、混合ガスはこの流路を介して拡散する。
【0045】
ところで、触媒層220に導入される混合ガスは、予混合部202において十分に均一化されることが望ましい。しかし、予混合部202は、逆火防止のため大きくすることができない。小さい予混合部ではガスの拡散が不十分となりがちであるので、アノードオフガスと酸化性ガスの混合は不十分となりやすい。
【0046】
アノードオフガスと酸化性ガスの混合が不十分な場合、混合ガス中に燃料の濃度が高い部分と濃度の低い部分とが生じる。この不均一な混合ガスが触媒層220に流入すると、燃料濃度が高い領域(以下、「高濃度領域」ともいう)では酸化反応の反応量が多くなる。そのため、高濃度領域では局所的に、反応熱により温度が上昇し、同時に温度上昇により圧力が上昇する。
【0047】
図3(c)は、燃料濃度が不均一な混合ガス中が流入した場合における、触媒層220の主流方向に沿った平均温度の変化を示している。この図の比較例のグラフは、平板部材232と波状部材234に通気孔が設けられていない場合の例を示している。比較例では、一部の主流路のみで燃料濃度が高くなるため、触媒層220の上流部で温度が著しく上昇する。一方、触媒層220の下流部では、触媒層全域で燃料濃度が低くなり、酸化反応の活性が低下するため、温度がほとんど上昇しない。これに対し、本実施例では、触媒層220内における温度分布が比較例に比べて均一化されており、触媒層220全域で酸化反応の活性が良好に保たれている。
【0048】
ところで、触媒の担体は容積あたりの表面積を大きくするため、流路壁が薄くされる場合が多い。薄い流路壁は熱抵抗が高いので、担体内部の熱伝導は良好でない。そのため、触媒層220中でガスが拡散しない比較例では、多量の反応熱が高濃度領域に蓄積する。反応熱の蓄積による昇温が更に酸化反応の活性を高めるため、燃料濃度が高い領域では酸化反応が過度に進行する可能性がある。この場合、触媒層220は局所的に過昇温の状態となり、触媒が劣化する。一方、本実施例では、局所的な圧力の上昇は高濃度の燃料と反応熱の拡散を促進する。従って、過度の酸化反応が起きず、触媒層220の過昇温は抑えられる。
【0049】
また比較例の場合、燃料の濃度が低い領域(以下、「低濃度領域」ともいう)では、酸化反応の反応量が小さいため熱の発生が少ない。また高濃度領域等の他の部分から熱の供給もほとんどないため、低濃度領域の温度は十分に上昇しない。触媒層220の温度が上昇しない低濃度領域では、酸化反応の活性が低くなる。このように、比較例では、酸化反応の活性が低い領域が存在するため、燃料を十分に酸化させ所定の濃度まで減少させるためには、触媒層220の長さを主流方向に長くすることが必要となる。
【0050】
本実施例では、主流方向と異なる方向の流路を介して高温・高濃度のガスが拡散するため、触媒層220全体にわたって燃料の濃度と温度とが均一となる。このように、混合ガス中の燃料濃度に偏りがあっても、触媒層220全体で酸化反応は良好に活性化される。従って、混合ガス中の燃料濃度に偏りがあっても酸化反応は十分に進行し、触媒層の主流方向の長さを短縮することができる。
【0051】
さらに、主流路間に連通を有しない比較例では、局所的に圧力が上昇した領域で主流路が閉塞された状態となるため、触媒層220の圧力損失が増大する。これに対し本実施例では、主流方向と異なる方向の流路を通して圧力が解放されるので、流路が閉塞した状態とならない。従って、触媒層220の圧力損失は増大せず、排気抵抗を低減することができる。そして、排気抵抗の低減により、酸化性ガス供給ポンプ128等の動力負担が減り、システム効率が向上する。
【0052】
なお、本実施例のハニカム担体230としては、ハニカムの流路壁が通気性を有するものであればよく、例えばパンチングメタルをコア部材としたメタルハニカムや、通気性のセラミックハニカムなどが利用できる。
【0053】
本実施例では、平板部材232と波状部材234のいずれもが通気性を有するものとして説明したが、平板部材232と波状部材234のいずれか一方のみが通気性を有するものとしてもよい。また、平板部材232は平坦でなく曲面となっていてもよい。
【0054】
B.実施例2:
図4は、本発明の第2の実施例における触媒層240の模式図である。本実施例では、第1実施例のハニカム担体230に換えて、多孔質体250からなる担体を使用している。多孔質体250としては、多数の連通した空孔を有するものであればよく、例えば発泡金属などが利用できる。
【0055】
第1実施例と同様に、図4(a)において左側から触媒層240に流入する混合ガスは、全体としては右側へ向かう主流方向に沿って流れ、右側から排出ガスとして流出する。多孔質体250は、互いに連通した多数の空孔を有している。
この多数の空孔がランダムな流路を形成するため、多孔質体250内には主流方向と異なる流路が存在し、混合ガスはこの流路を介して拡散する。
【0056】
この第2実施例の触媒層240によっても、前述した第1実施例とほぼ同じ効果を得ることができる。また、多孔質体250はガスの拡散効果が高いので、ガスの均一化を図る点では第1実施例のハニカム担体230よりも好ましい。一方、第1実施例のハニカム担体230は、製造が容易であり、触媒層の大きさを比較的自由にできる点で第2実施例の多孔質体250よりも好ましい。
【0057】
C.実施例3:
図5(a)は、第3実施例の触媒層260の断面を示している。触媒層260は、上流側と下流側の2つの同一材質からなる担体270,280を備えている。上流側の担体270の流路壁272は、下流側の担体280の流路壁282より厚くされている。また、上流側の担体270の流路壁272は連通孔を有さず、下流側の担体280の流路壁282は連通孔を有している。このため、担体270は担体280よりも、容積あたりの熱容量(以下、単に「熱容量」という)が大きく、容積あたりの表面積(以下、単に「比表面積」という)が小さい。
【0058】
流路壁272は流路壁282より厚いので、流路壁272の断面積は、薄い流路壁282の断面積よりも大きい。また、同一材質の流路壁272と流路壁282とは熱伝導度が等しいので、断面積の大きい流路壁272の方が断面積の小さい流路壁282よりも、流路壁の断面と垂直な方向における熱伝導が良好である。このように、流路壁を通した担体内の熱伝導は、担体270の方が担体280よりも良好である。従って、以下に説明するように、この触媒層260は一時的に燃料濃度の高いガスが供給されたときに、過度に温度が上昇することを防止できる。
【0059】
燃料電池100のアノードオフガス排出配管140(図2)には、一時的に燃料濃度の高いガスが排出される場合がある。例えば、燃料電池100の起動時にはアノード室104中の低純度ガスを掃気するため、また、燃料電池100の停止時にはアノード室104中の燃料ガスの残圧除去とのため、燃料ガスが燃料電池100から放出される。また、循環している燃料ガスは、一定の条件の下でアノードオフガスとして放出される。この燃料ガスもしくはアノードオフガスの放出時には、触媒層260に燃料濃度の高い混合ガスが一時的に流入する。
【0060】
図5(b)および図5(c)は、このような燃料濃度の高い混合ガスが流入した場合における、触媒層260の主流方向に沿った平均温度と燃料濃度の変化の様子を示している。この図の比較例のグラフは、担体として連通孔のない単一のメタルハニカムを触媒層に用いた場合の例を示している。なお、比較例で用いた担体の熱容量は、本実施例の上流側の担体270より小さく、下流側の担体280より大きくされている。また、比較例の担体の比表面積は、本実施例の上流側の担体270より大きく、下流側の担体280より小さくされている。このため、仮に同一濃度の燃料ガスが流入した場合、比較例での酸化反応量は、本実施例の上流側よりも多く、また、下流側よりも少ない。
【0061】
比較例では、燃料濃度が高い上流部では酸化反応量が多いため、多量の反応熱が発生する。この多量の発熱に対し触媒層の熱容量が十分でないため、上流部で触媒層の温度が急激に上昇する。そして、温度の上昇により酸化反応の活性が高くなり、燃料濃度は急速に低下する。また、触媒層下流部では、燃料濃度が低下し酸化反応量が少なくなるため、発熱量が少なくなる。この発熱量に対し触媒層の熱容量が大きいため、触媒層の温度は十分に上昇しない。そして、温度が十分に上昇しないため酸化反応の活性が低下し、短い触媒層では燃料の酸化処理を完全に行うことができない。
【0062】
一方、本実施例では、上流部のハニカム担体270は、比較例の担体よりも、熱容量が大きく比表面積が小さくされている。そのため、燃料濃度が高い混合ガスが流入しても、担体270部分での反応量と温度上昇は低く抑えられる。従って、グラフに示すように、担体270の温度上昇は緩やかで、燃料濃度の低下も大きくない。
【0063】
また、本実施例の下流部のハニカム担体280は、比較例の担体よりも、熱容量が小さく比表面積が大きくされている。この担体280は、熱容量が小さいため、燃料が低濃度で発熱量が小さい場合であっても、容易に温度が上昇し酸化反応の活性が高くなる。そのため、燃料濃度が低いガスが流入する下流部においても、担体280の温度は高くなり、触媒層260通過後の燃料濃度は十分に低減される。
【0064】
このように、本実施例の触媒層260では、担体270の熱容量・比表面積と主流方向の長さとを適宜選択することにより、高濃度の燃料を下流側で過昇温が生じない程度にまで低減できる。なお、上流部の担体270の熱容量と比表面積は、下流部よりも短い上流部で所望の燃料濃度まで低減できるよう選択されることが、触媒の小型化の点で好ましい。
【0065】
ところで、混合ガスの燃料濃度が不均一で、触媒層260内に高濃度領域が生じた場合、比較例の触媒層では局所的に過昇温となる可能性がある。これに対し、本実施例の上流側の担体270では、担体内部の熱伝導が比較例より良好なため、反応熱は担体全体に分散される。そのため、担体270の部分では、ガス拡散構造を備えていないが、局所的な過昇温が抑えられている。さらに、下流側の担体280では、流路壁282に連通孔が設けられ、主流方向と異なる流路を形成している。このように、担体280はガス拡散構造を備えているため、燃料濃度が不均一であっても局所的な過昇温は抑えられる。
【0066】
なお、本実施例の他の構成や効果は、第1実施例のものとほぼ同じなので、ここではその説明を省略する。
【0067】
本実施例では、連通孔がなく厚い流路壁272を有するメタルハニカム270を上流側に使用したが、上流側の担体としては、下流側の担体よりも、熱容量が大きいか、比表面積が小さいか、のいずれかであればよい。例えば本実施例のハニカム担体270に換えて、流路壁の厚いセラミックハニカムやピッチの大きいメタルハニカム等も使用できる。
【0068】
本実施例では、連通孔を備え薄い流路壁282を有するメタルハニカム280を下流側に使用したが、例えば本実施例の担体280に換えて、流路壁の薄いセラミックハニカムやピッチの小さいメタルハニカム等も使用できる。
【0069】
さらに、本実施例では、触媒層260の下流側の担体280のみがガス拡散構造を備えているが、燃料濃度の均一化のためには、上流側の担体か、下流側の担体か、の少なくとも一方がガス拡散構造を備えていればよい。
【0070】
D.実施例4:
図6は、第4の実施例における触媒層290の断面模式図である。図5に示した第3実施例との違いは、下流側のハニカム担体280に換えて、多孔質体300を使用している点である。本実施例では、多孔質体300を用いることによって、上流側の担体270よりも、熱容量が小さく、また、比表面積が大きくされている。なお、多孔質体300としては、多数の連通した空孔を有するものであればよく、例えば発泡金属などが利用できる。
【0071】
第3実施例と同様に、燃料濃度の高い混合ガスの流入した上流部の担体270では、過昇温を起こすことなく燃料濃度が所望の濃度まで低減できる。燃料濃度の低いガスが流入する下流部においても、多孔質体300の温度は高くなり、触媒層290通過後の燃料濃度は十分低減される。また、触媒層290に燃料濃度の偏ったガスが流入した場合、下流部の多孔質体300では、互いに連通した空孔を介してガスが拡散し局所的な過昇温が抑えられる。
【0072】
このように、第4実施例の触媒層290によっても、前述した第3実施例とほぼ同じ効果を得ることができる。また、多孔質体300はガスの拡散効果が高いので、ガスの均一化を図る点では第3実施例のハニカム担体280よりも好ましい。一方、第3実施例のハニカム担体280は、製造が容易であり、触媒層の大きさを比較的自由にできる点で第4実施例の多孔質体300よりも好ましい。
【0073】
また、第3実施例と第4実施例では、触媒層の上流側と下流側とで横断面の形状が異なる担体を用いているが、触媒層内の上流側と下流側の領域は、これ以外の種々の構成を採用することができる。一般には、仮に上流側と下流側の領域を切断して2つに分離し、それぞれに同一燃料濃度のガスを流入させたと仮定した場合に、上流側での酸化反応量が下流側よりも少ない構成とされていればよい。
例えば、上流側の担体に担持する触媒量を、下流側の担体に担持する触媒量より少なくすることによっても、上記実施例とほぼ同じ効果を得ることができる。
【0074】
E.実施例5:
図7は、第5の実施例における燃料電池システム60の構成を示す説明図である。図2に示した第1の実施例との違いは、外部より供給される酸化性ガスに換えて、カソードオフガスが予混合部202に導入される点にある。
【0075】
カソード室102は、酸化性ガス供給ポンプ126により外部より供給される酸化性ガスによって加圧されている。加圧されたカソード室102から排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出配管162を通して、触媒層220上流の予混合部202に導かれる。そのため、第1実施例で使用した酸化性ガス供給ポンプ127が不要となる。このように酸化性ガス供給ポンプ127の動力負担がなくなることで、燃料電池システム60のシステム効率が向上する。
【0076】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【0077】
F.変形例:
上記実施例では、燃料電池システム60を使用した電気自動車の例について説明したが、本発明は、車輪駆動用の原動機として、モータと内燃機関との2つの原動機を用いたハイブリッド自動車(ハイブリッド車両)にも適用することができる。また、本発明は、船舶や電車などのような、自動車以外の移動体にも適用可能である。さらに、本発明は、可搬式発電装置や家庭用発電装置などのような、小型の燃料電池発電システムにも適用可能である。すなわち、本発明は、一般に、燃料電池と、アノードオフガス処理装置と、を備える電力供給システムに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例としての電気自動車の概略構成図。
【図2】第1の実施例における燃料電池システム60の構成を示す説明図。
【図3】第1の実施例における触媒層220の構成とその効果を示す説明図。
【図4】第2の実施例における触媒層240の模式図。
【図5】第3の実施例における触媒層260の構成とその効果を示す説明図。
【図6】第4の実施例における触媒層290の模式図。
【図7】第5の実施例における燃料電池システム60の構成を示す説明図。
【符号の説明】
13…回転軸
15…出力軸
16…ディファレンシャルギア
17…車軸
18…車輪
20…モータ
22…ロータ
24…ステータ
40…減速機
50…バッテリ
51…双方向コンバータ
60…燃料電池システム
70…制御ユニット
72…シフトレバー
74…アクセルペダル
76…ブレーキペダル
80…インバータ
100…燃料電池
102…カソード室
104…アノード室
106…カソード
108…アノード
110…電解質
120…燃料ガス供給バルブ
122…アノードオフガス排出バルブ
124…燃料ガス循環ポンプ
126…酸化性ガス供給ポンプ
128…酸化性ガス供給ポンプ
140…アノードオフガス排出配管
142…燃料ガス供給配管
144…燃料ガス循環配管
146…分岐配管
150…酸化性ガス供給配管
152…酸化性ガス供給配管
160…カソードオフガス排出配管
162…カソードオフガス排出配管
200…アノードオフガス処理装置
202…予混合部
220…触媒層
230…ハニカム担体
232…平板部材
234…波状部材
240…触媒層
250…多孔質体
260…触媒層
270…ハニカム担体
272…流路壁
280…ハニカム担体
282…流路壁
290…触媒層
300…多孔質体[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for oxidizing fuel in exhaust gas of a fuel cell, and more particularly to a technique for oxidizing fuel using a catalyst layer.
[0002]
[Prior art]
Since the fuel that has not undergone the fuel cell reaction remains in the exhaust gas (anode off-gas) on the anode side of the fuel cell, a process for oxidizing the fuel in the anode off-gas has been performed. As a fuel oxidation treatment technique, for example, the present applicant has disclosed a technique of oxidizing fuel with an oxidation catalyst (see, for example,
[0003]
[Patent Document 1]
JP 2001-313059 PR
[Patent Document 2]
JP 2002-289237 A
[Patent Document 3]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-233129
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the mixing of the anode off-gas and the oxidizing gas is insufficient, a region where the fuel concentration is high and a region where the fuel concentration is low occur in the catalyst layer. In the region where the fuel concentration is high, the reaction amount of the oxidation reaction increases, and the heat of reaction accumulates locally. When the temperature of the catalyst layer rises due to the accumulated reaction heat, the activity of the reaction increases and the amount of reaction further increases, so that the temperature of the catalyst layer may become excessively high.
[0005]
The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and has as its object to provide a technique for suppressing a local temperature rise in a catalyst layer.
[0006]
[Means for Solving the Problems and Their Functions and Effects]
In order to achieve at least a part of the above object, a first fuel cell system of the present invention generates electric power by a reaction between a fuel gas and an oxidizing gas, and uses a spent fuel gas and an anode off gas which is an oxidizing gas. A fuel cell for discharging the cathode offgas, an anode offgas discharge pipe connected to the fuel cell for discharging the anode offgas to the outside, and a fuel cell connected to the anode offgas discharge pipe for oxidizing fuel remaining in the anode offgas. A catalyst layer having an oxidation catalyst supported on a carrier, wherein the catalyst layer has a gas diffusion structure that promotes diffusion of the fuel in the catalyst layer.
[0007]
In this fuel cell, when a large amount of reaction heat due to the oxidation reaction is generated in a region where the fuel concentration in the catalyst layer is high, a temperature rise and a pressure rise occur locally. The gas diffusion structure in the catalyst layer diffuses the gas having a high fuel concentration and the heat of reaction to a region having a lower fuel concentration in response to the pressure increase. Therefore, the temperature in the catalyst layer can be made uniform.
[0008]
The gas diffusion structure may be a structure provided on the support and having a flow path in a direction different from a main flow direction of the gas in the catalyst layer.
[0009]
According to this configuration, since the gas is rapidly diffused through the flow path in a direction different from the main flow direction, the fuel concentration and the temperature in the catalyst layer can be made uniform even when the fuel concentration is largely uneven.
[0010]
The carrier may have a plurality of main flow paths formed in a main flow direction of the gas in the catalyst layer, and the gas diffusion structure may have a communication hole communicating between the adjacent main flow paths. Good.
[0011]
By providing communication holes between the main flow paths of the carrier, gas can be more easily diffused.
[0012]
The carrier may be a metal honeycomb having a communication hole in a core member.
[0013]
In this configuration, the mechanical strength of the carrier is high, so that the carrier can be hardly broken even when subjected to an impact or the like.
[0014]
The gas diffusion structure may be a random flow path provided in the carrier.
[0015]
By providing a random flow path in the carrier, the gas can be more easily diffused.
[0016]
The carrier having the random flow path may be a porous body.
[0017]
According to this configuration, the surface area per volume can be increased. Therefore, the entire catalyst layer can be made smaller.
[0018]
The porous body may be formed of a foamed metal.
[0019]
With this configuration also, the mechanical strength of the carrier can be increased, so that the carrier can be hardly broken even when subjected to an impact or the like.
[0020]
The catalyst layer has two regions, a first region on the upstream side and a second region on the downstream side, and the first and second regions are separated from each other and supplied with a gas having the same fuel concentration. Assuming that, the first region has a configuration in which the amount of oxidation reaction per volume is smaller than the second region, and at least one of the first region and the second region is A fuel cell system having a gas diffusion structure.
[0021]
According to this configuration, even when a gas having a high fuel concentration and a large unevenness in the fuel concentration flows in, the fuel concentration can be reduced without causing an excessive temperature rise in the first region. Temperature rise can be suppressed. In addition, since a fuel having a low concentration can be easily oxidized, the entire catalyst layer can be downsized.
[0022]
In addition, the first region may have at least one of a heat capacity per volume larger than the second region and a surface area per volume smaller than the second region. Good.
[0023]
When the heat capacity per volume is large, the temperature rise is suppressed and the activity of the oxidation reaction is suppressed, so that the amount of the oxidation reaction can be reduced. Further, when the surface area per volume is small, the contact area with the catalyst becomes small, and the amount of oxidation reaction as a catalytic reaction can be reduced.
[0024]
Further, the first region may have better heat conduction in the carrier than the second region.
[0025]
According to this configuration, a large amount of reaction heat generated in the high fuel concentration region can be dispersed to the low fuel concentration region by heat conduction. Thereby, even if the fuel concentration is high and there is a bias, it is possible to suppress excessive temperature rise of the catalyst layer.
[0026]
Note that the length of the first region may be shorter than that of the second region.
[0027]
With this configuration, the entire catalyst layer can be made smaller.
[0028]
Further, the above-described fuel cell system may include a cathode off-gas discharge pipe that guides the cathode off-gas discharged from the fuel cell to a flow path on the upstream side of the catalyst layer of the anode off-gas discharge pipe.
[0029]
Since the oxidizing gas is supplied from the cathode chamber, the power load for supplying the oxidizing gas is reduced, and the system efficiency can be improved.
[0030]
The present invention can be realized in various forms, and includes, for example, a catalyst layer having a gas diffusion structure, a method for manufacturing the catalyst layer, a fuel cell system including the catalyst layer, and the fuel cell system. The present invention can be realized in the form of a vehicle, a moving body, a power generation system, or the like.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Example 1
B. Example 2:
C. Example 3
D. Example 4:
E. FIG. Example 5:
F. Modification:
[0032]
A. Example 1
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an electric vehicle as one embodiment of the present invention. The wheel drive mechanism of the electric vehicle (hereinafter simply referred to as “vehicle”) includes a
[0033]
The
[0034]
The vehicle of this embodiment includes a
[0035]
The
When the alternating current supplied from the
[0036]
The
The
[0037]
Control of the vehicle by the
[0038]
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the configuration of the
[0039]
The oxidizing
[0040]
Fuel gas is introduced into the
[0041]
The fuel
[0042]
The anode off-gas discharged from the anode off-
[0043]
The
[0044]
FIG. 3A is a schematic diagram of a vertical cross section of the
A large number of ventilation holes (communication holes) are formed in the
[0045]
Incidentally, it is desirable that the mixed gas introduced into the
[0046]
When the mixing of the anode off-gas and the oxidizing gas is insufficient, a portion where the fuel concentration is high and a portion where the fuel concentration is low occur in the mixed gas. When the heterogeneous mixed gas flows into the
[0047]
FIG. 3C shows a change in the average temperature in the mainstream direction of the
[0048]
By the way, in order to increase the surface area per volume of the catalyst carrier, the flow path wall is often thinned. Since the thin channel wall has high thermal resistance, heat conduction inside the carrier is not good. Therefore, in the comparative example in which the gas does not diffuse in the
[0049]
In addition, in the case of the comparative example, in a region where the fuel concentration is low (hereinafter, also referred to as a “low concentration region”), the amount of heat of the oxidation reaction is small and thus the amount of heat generated is small. Further, since heat is hardly supplied from other portions such as the high concentration region, the temperature of the low concentration region does not rise sufficiently. In a low concentration region where the temperature of the
[0050]
In this embodiment, since the high-temperature and high-concentration gas diffuses through the flow path in a direction different from the main flow direction, the concentration and temperature of the fuel are uniform over the
[0051]
Further, in the comparative example having no communication between the main flow paths, the main flow path is closed in a region where the pressure is locally increased, so that the pressure loss of the
[0052]
The
[0053]
In the present embodiment, both the
[0054]
B. Example 2:
FIG. 4 is a schematic diagram of the
[0055]
As in the first embodiment, the mixed gas flowing into the
Since the large number of holes form a random flow path, a flow path different from the main flow direction exists in the
[0056]
With the
[0057]
C. Example 3
FIG. 5A shows a cross section of the
[0058]
Since the
[0059]
A gas having a high fuel concentration may be temporarily discharged to the anode off-gas discharge pipe 140 (FIG. 2) of the
[0060]
FIGS. 5B and 5C show how the average temperature and the fuel concentration change along the mainstream direction of the
[0061]
In the comparative example, a large amount of reaction heat is generated because the oxidation reaction amount is large in the upstream portion where the fuel concentration is high. Since the heat capacity of the catalyst layer is not sufficient for this large amount of heat generation, the temperature of the catalyst layer rises rapidly in the upstream part. Then, as the temperature rises, the activity of the oxidation reaction increases, and the fuel concentration rapidly decreases. Further, in the downstream portion of the catalyst layer, the calorific value decreases because the fuel concentration decreases and the amount of oxidation reaction decreases. Since the heat capacity of the catalyst layer is larger than the calorific value, the temperature of the catalyst layer does not rise sufficiently. Then, since the temperature does not rise sufficiently, the activity of the oxidation reaction decreases, and the oxidation treatment of the fuel cannot be completely performed with a short catalyst layer.
[0062]
On the other hand, in the present embodiment, the
[0063]
Further, the
[0064]
As described above, in the
[0065]
Meanwhile, when the fuel concentration of the mixed gas is not uniform and a high concentration region occurs in the
[0066]
Note that other configurations and effects of the present embodiment are almost the same as those of the first embodiment, and a description thereof will not be repeated.
[0067]
In the present embodiment, the
[0068]
In the present embodiment, the
[0069]
Further, in this embodiment, only the
[0070]
D. Example 4:
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the
[0071]
As in the third embodiment, in the
[0072]
As described above, the same effect as that of the third embodiment can be obtained by the
[0073]
In the third embodiment and the fourth embodiment, the carriers having different cross-sectional shapes are used on the upstream side and the downstream side of the catalyst layer. Various configurations other than the above can be adopted. In general, if it is assumed that the upstream and downstream regions are cut and separated into two, and gases having the same fuel concentration flow into each of them, the oxidation reaction amount on the upstream side is smaller than that on the downstream side. What is necessary is just a structure.
For example, by setting the amount of the catalyst supported on the upstream carrier to be smaller than the amount of the catalyst supported on the downstream carrier, substantially the same effect as in the above embodiment can be obtained.
[0074]
E. FIG. Example 5:
FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating the configuration of the
[0075]
The
[0076]
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, but can be implemented in various modes without departing from the gist of the invention, and for example, the following modifications are possible.
[0077]
F. Modification:
In the above embodiment, an example of an electric vehicle using the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an electric vehicle as one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a configuration of a
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a configuration and an effect of a
FIG. 4 is a schematic view of a
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a configuration and effects of a
FIG. 6 is a schematic view of a
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a configuration of a
[Explanation of symbols]
13 ... Rotary axis
15 Output shaft
16 ... Differential gear
17 ... axle
18 ... wheels
20 ... motor
22 ... rotor
24 ... stator
40 ... reducer
50 ... Battery
51 ... Bidirectional converter
60 ... Fuel cell system
70 ... Control unit
72 ... Shift lever
74 ... accelerator pedal
76… Brake pedal
80 ... Inverter
100 ... fuel cell
102 ... Cathode chamber
104… Anode chamber
106 ... Cathode
108… Anode
110 ... electrolyte
120 ... Fuel gas supply valve
122 ... Anode off-gas discharge valve
124 ... Fuel gas circulation pump
126 ... Oxidizing gas supply pump
128 oxidizing gas supply pump
140… Anode off-gas discharge pipe
142 ... Fuel gas supply pipe
144: fuel gas circulation pipe
146 ... Branch piping
150: Oxidizing gas supply pipe
152: Oxidizing gas supply pipe
160 ... Cathode offgas discharge pipe
162 ... Cathode offgas discharge pipe
200 ... Anode off-gas treatment device
202 ... Premixing part
220 ... catalyst layer
230 ... honeycomb carrier
232 flat plate member
234: corrugated member
240 ... catalyst layer
250 ... porous body
260 ... catalyst layer
270 ... Honeycomb carrier
272: Channel wall
280: honeycomb carrier
282: Channel wall
290: catalyst layer
300: porous body
Claims (12)
燃料ガスと酸化性ガスの反応によって電力を発生し、使用済みの燃料ガスと酸化性ガスであるアノードオフガスとカソードオフガスを排出する燃料電池と、
前記燃料電池に接続され、前記アノードオフガスを外部に排出するアノードオフガス排出配管と、
前記アノードオフガス排出配管に接続され、前記アノードオフガスに残留する燃料を酸化する酸化触媒を担体に担持した触媒層と、を備え、
前記触媒層は、前記触媒層内の前記燃料の拡散を促進するガス拡散構造を有する、燃料電池システム。A fuel cell system,
A fuel cell that generates electric power by a reaction between the fuel gas and the oxidizing gas and discharges the used fuel gas and the oxidizing gas, ie, the anode off gas and the cathode off gas,
An anode offgas discharge pipe connected to the fuel cell and discharging the anode offgas to the outside,
A catalyst layer which is connected to the anode offgas discharge pipe and has a carrier carrying an oxidation catalyst for oxidizing fuel remaining in the anode offgas,
The fuel cell system, wherein the catalyst layer has a gas diffusion structure that promotes diffusion of the fuel in the catalyst layer.
前記ガス拡散構造は、前記担体に設けられ、前記触媒層内のガスの主流方向と異なる方向の流路を有する構造である、燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 1, wherein
The fuel cell system, wherein the gas diffusion structure is a structure provided on the support and having a flow path in a direction different from a main flow direction of the gas in the catalyst layer.
前記担体は、前記触媒層内のガスの主流方向に形成された複数の主流路を有し、
前記ガス拡散構造は、隣接する前記主流路間を連通する連通孔を有する構造である、燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 1 or 2,
The carrier has a plurality of main flow paths formed in a main flow direction of the gas in the catalyst layer,
The fuel cell system, wherein the gas diffusion structure has a communication hole communicating between the adjacent main flow paths.
前記担体は、コア部材に連通孔を有するメタルハニカムである、燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 3, wherein
The fuel cell system, wherein the carrier is a metal honeycomb having a communication hole in a core member.
前記ガス拡散構造は、前記担体に設けられたランダムな流路である、燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 1 or 2,
The fuel cell system, wherein the gas diffusion structure is a random flow path provided in the carrier.
前記ランダムな流路を有する担体は、多孔質体である、燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 5, wherein
The fuel cell system, wherein the carrier having the random flow path is a porous body.
前記多孔質体は、発泡金属で形成されている、燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 6, wherein
The fuel cell system, wherein the porous body is formed of a foam metal.
前記触媒層は、上流側の第1領域と下流側の第2領域の2つの領域を有し、
前記第1と第2の領域は、互いに分離させて同一の燃料濃度のガスをそれぞれ供給したと仮定した場合に、前記第1領域が前記第2領域よりも容積あたりの酸化反応量が少なくなる構成を有しており、
前記第1領域と、前記第2領域との少なくとも一方が、前記ガス拡散構造を有する、燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 1, wherein:
The catalyst layer has two regions, a first region on the upstream side and a second region on the downstream side,
Assuming that the first and second regions are separated from each other and supply gases having the same fuel concentration, the first region has a smaller amount of oxidation reaction per volume than the second region. Has a configuration,
A fuel cell system, wherein at least one of the first region and the second region has the gas diffusion structure.
前記第1領域は、前記第2領域より容積あたりの熱容量が大きいか、
前記第1領域は、前記第2領域より容積あたりの表面積が小さいか、の少なくとも一方の構成を有する、燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 8, wherein
Whether the first region has a larger heat capacity per volume than the second region,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the first region has at least one of a surface area per volume smaller than that of the second region.
前記第1領域は、前記第2領域より担体内の熱伝導が良い、燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 8, wherein:
The fuel cell system, wherein the first region has better heat conduction in the carrier than the second region.
前記第1領域の長さが前記第2領域より短い、燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 8, wherein:
A fuel cell system, wherein the length of the first region is shorter than the second region.
前記燃料電池から排出されたカソードオフガスを、前記アノードオフガス排出配管の前記触媒層の上流側の流路に導くカソードオフガス排出配管を備える、燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 1, further comprising:
A fuel cell system, comprising: a cathode offgas discharge pipe that guides a cathode offgas discharged from the fuel cell to a flow path of the anode offgas discharge pipe upstream of the catalyst layer.
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