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JP2004355965A - Exhaust gas treatment technology for fuel cells - Google Patents

Exhaust gas treatment technology for fuel cells Download PDF

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JP2004355965A
JP2004355965A JP2003152569A JP2003152569A JP2004355965A JP 2004355965 A JP2004355965 A JP 2004355965A JP 2003152569 A JP2003152569 A JP 2003152569A JP 2003152569 A JP2003152569 A JP 2003152569A JP 2004355965 A JP2004355965 A JP 2004355965A
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JP
Japan
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fuel cell
cell system
gas
catalyst layer
fuel
Prior art date
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Application number
JP2003152569A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tomoji Yamada
知司 山田
Shinpei Miura
晋平 三浦
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Toyota Motor Corp
Soken Inc
Original Assignee
Nippon Soken Inc
Toyota Motor Corp
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Publication date
Application filed by Nippon Soken Inc, Toyota Motor Corp filed Critical Nippon Soken Inc
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    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology of suppressing local temperature rise in a catalyst layer. <P>SOLUTION: This fuel cell comprises an anode offgas exhaust piping for exhausting anode offgas to the outside and a catalyst layer 220 which carries in the carrier an oxidation catalyst for oxidizing the fuel remaining in the anode offgas. The catalyst layer 220 has a gas diffusion structure for promoting diffusion of the fuel in the catalyst layer 220. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

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, Patent Documents 1 and 2). According to this technique, the fuel in the anode off-gas can be oxidized even if the fuel has a low concentration.
[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 motor 20 and a speed reducer 40. The motor 20 is connected to the speed reducer 40 via the rotating shaft 13. The speed reducer 40 is connected to wheels via an output shaft 15, a differential gear 16, and an axle 17. Thus, the rotation of the motor 20 is transmitted to the wheel 18, and the rotation of the wheel 18 is transmitted to the motor 20.
[0033]
The motor 20 includes a rotor 22 and a stator 24. The rotor 22 is provided with a plurality of permanent magnets. The stator 24 has a plurality of coils, and an alternating current having an appropriate phase is applied to each coil to generate a rotating magnetic field in the rotor 22. The interaction between the rotating magnetic field and the magnetic field of the permanent magnet provided on the rotor 22 causes the rotor 22 to rotate. When an external force is applied to the rotor 22, a current is generated in a coil provided on the stator 24 by the magnetic field of the permanent magnet, and the motor 20 acts as a generator.
[0034]
The vehicle of this embodiment includes a battery 50 and a fuel cell system 60 as a DC power supply. The bidirectional converter 51 connected to the battery 50 controls charging and discharging of the battery 50 by adjusting the voltage on the battery side. The bidirectional converter 51, the fuel cell system 60, and the inverter 80 are connected to each other, and exchange DC current with each other.
[0035]
The inverter 80 converts a DC current supplied from the bidirectional converter 51 or the fuel cell system 60 into an AC current by turning on / off a transistor.
When the alternating current supplied from the inverter 80 is transmitted to the motor 20, a rotating magnetic field is induced and the motor 20 rotates. When the vehicle decelerates, electric power from the motor 20 is supplied to the battery 50 via the inverter 80 and the bidirectional converter 51, and energy is regenerated.
[0036]
The control unit 70 controls each part of the vehicle according to a command from the driver given from the shift lever 72, the accelerator pedal 74, and the brake pedal 76.
The control unit 70 controls the rotation speed of the motor 20 by controlling the on / off time of the transistor provided in the inverter 80 and the like.
[0037]
Control of the vehicle by the control unit 70 is realized by executing a computer program recorded in a memory incorporated in the control unit 70. This program is provided by various media such as a ROM and a hard disk in the control unit.
[0038]
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the configuration of the fuel cell system 60. The fuel cell system 60 includes a fuel cell 100 and an anode off-gas processing device 200. The fuel cell 100 includes a cathode chamber 102, an anode chamber 104, a cathode 106, an anode 108, and an electrolyte 110. The fuel gas introduced into the anode chamber 104 causes a fuel cell reaction with the oxidizing gas introduced into the cathode chamber 102. The fuel cell reaction takes place via cathode 106, anode 108, and electrolyte 110. With the fuel cell reaction, power is delivered from the cathode 106 and the anode 108 to an external load.
[0039]
The oxidizing gas supply pump 126 supplies an oxidizing gas to the cathode chamber 102 from an external oxidizing gas supply source. The oxidizing gas (cathode off-gas) used in the fuel cell reaction is discharged outside through a cathode off-gas discharge pipe 160.
[0040]
Fuel gas is introduced into the anode chamber 104 from an external fuel gas supply source through a fuel gas supply valve 120 and a fuel gas supply pipe 142. A part of the fuel gas reacts in the anode chamber 104. The fuel gas circulation pump 124 recirculates gas containing unreacted fuel to the anode chamber 104 from the fuel gas circulation pipe 144 through the fuel gas supply pipe. Thus, by refluxing the gas containing the unreacted fuel, most of the fuel can be used for the fuel cell reaction.
[0041]
The fuel gas circulation pipe 144 has a branch between the fuel cell 100 and the fuel gas circulation pump 124. The branched pipe 146 is connected to the anode offgas discharge valve 122. The anode off-gas discharge valve 122 is an on-off valve for discharging fuel exhaust gas (anode off-gas) to the outside as necessary.
[0042]
The anode off-gas discharged from the anode off-gas discharge valve 122 is introduced into the premixing section 202 inside the anode off-gas processing device 200 via the anode off-gas discharge pipe 140. An oxidizing gas is supplied to the premixing unit 202 from an external oxidizing gas supply source by an oxidizing gas supply pump 128. The premixing unit 202 mixes the supplied anode off-gas and the oxidizing gas, and supplies the mixed gas (mixed gas) to the catalyst layer 220.
[0043]
The catalyst layer 220 supports an oxidation catalyst for oxidizing fuel. By the action of the oxidation catalyst, the fuel in the mixed gas flowing into the catalyst layer 220 reacts with the oxidizing gas in the mixed gas while passing through the catalyst layer 220 and is oxidized. The mixed gas obtained by oxidizing the fuel is discharged to the outside of the fuel cell system 60 as an exhaust gas. The oxidation catalyst carried on the catalyst layer 220 is appropriately selected according to the type of fuel, operating conditions of the fuel cell system, and the like. For example, when the fuel is hydrogen, platinum is used.
[0044]
FIG. 3A is a schematic diagram of a vertical cross section of the catalyst layer 220, and FIG. 3B is a schematic diagram of a horizontal cross section of the catalyst layer 220. The catalyst layer 220 includes a flat plate member 232 and a wavy member 234. The flat plate member 232 and the corrugated member 234 form the honeycomb carrier 230. As shown in FIG. 3A, the honeycomb carrier 230 has a large number of main flow paths from left to right. The mixed gas flowing into the catalyst layer 220 from the left side flows along the main flow direction toward the right side as a whole, and flows out as exhaust gas from the right side.
A large number of ventilation holes (communication holes) are formed in the flat plate member 232 and the corrugated member 234, respectively. Since these members 232 and 234 have air permeability, a channel in a direction different from the main flow direction exists in the honeycomb carrier 230, and the mixed gas is diffused through the channel.
[0045]
Incidentally, it is desirable that the mixed gas introduced into the catalyst layer 220 be sufficiently homogenized in the premixing section 202. However, the premixing unit 202 cannot be made large to prevent flashback. Since gas diffusion tends to be insufficient in a small premixing section, mixing of the anode off-gas and the oxidizing gas tends to be insufficient.
[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 catalyst layer 220, the reaction amount of the oxidation reaction increases in a region where the fuel concentration is high (hereinafter, also referred to as a “high concentration region”). Therefore, in the high concentration region, the temperature rises locally due to the heat of reaction, and at the same time, the pressure rises due to the temperature rise.
[0047]
FIG. 3C shows a change in the average temperature in the mainstream direction of the catalyst layer 220 when a mixed gas having a non-uniform fuel concentration flows. The graph of the comparative example in this figure shows an example in which the flat plate member 232 and the corrugated member 234 are not provided with the ventilation holes. In the comparative example, the fuel concentration is increased only in some of the main flow passages, so that the temperature is significantly increased in the upstream portion of the catalyst layer 220. On the other hand, in the downstream part of the catalyst layer 220, the fuel concentration becomes low throughout the catalyst layer, and the activity of the oxidation reaction decreases, so that the temperature hardly increases. On the other hand, in the present embodiment, the temperature distribution in the catalyst layer 220 is more uniform than in the comparative example, and the activity of the oxidation reaction is well maintained throughout the catalyst layer 220.
[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 catalyst layer 220, a large amount of reaction heat accumulates in the high concentration region. Since the temperature rise due to the accumulation of reaction heat further enhances the activity of the oxidation reaction, the oxidation reaction may proceed excessively in the region where the fuel concentration is high. In this case, the temperature of the catalyst layer 220 locally becomes excessively high, and the catalyst deteriorates. On the other hand, in this embodiment, the local increase in pressure promotes the diffusion of high-concentration fuel and reaction heat. Therefore, an excessive oxidation reaction does not occur, and an excessive temperature rise of the catalyst layer 220 is suppressed.
[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 catalyst layer 220 does not rise, the activity of the oxidation reaction is low. Thus, in the comparative example, since there is a region where the activity of the oxidation reaction is low, the length of the catalyst layer 220 needs to be increased in the mainstream direction in order to sufficiently oxidize the fuel and reduce the concentration to a predetermined concentration. Required.
[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 entire catalyst layer 220. As described above, even if the fuel concentration in the mixed gas is uneven, the oxidation reaction is favorably activated in the entire catalyst layer 220. Therefore, even if the fuel concentration in the mixed gas is uneven, the oxidation reaction proceeds sufficiently, and the length of the catalyst layer in the mainstream direction can be reduced.
[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 catalyst layer 220 increases. On the other hand, in the present embodiment, the pressure is released through the flow path in a direction different from the main flow direction, so that the flow path is not closed. Therefore, the pressure loss of the catalyst layer 220 does not increase, and the exhaust resistance can be reduced. The reduction of the exhaust resistance reduces the power burden on the oxidizing gas supply pump 128 and the like, and improves the system efficiency.
[0052]
The honeycomb carrier 230 of the present embodiment may be any as long as the flow path wall of the honeycomb has air permeability. For example, a metal honeycomb using punched metal as a core member, a gas-permeable ceramic honeycomb, or the like can be used.
[0053]
In the present embodiment, both the flat plate member 232 and the wavy member 234 have been described as having air permeability. However, only one of the flat plate member 232 and the wavy member 234 may have air permeability. Further, the flat plate member 232 may be a curved surface instead of being flat.
[0054]
B. Example 2:
FIG. 4 is a schematic diagram of the catalyst layer 240 according to the second embodiment of the present invention. In this embodiment, a carrier made of a porous body 250 is used instead of the honeycomb carrier 230 of the first embodiment. The porous body 250 only needs to have a large number of communicating pores, and for example, foamed metal can be used.
[0055]
As in the first embodiment, the mixed gas flowing into the catalyst layer 240 from the left side in FIG. 4A flows along the main flow direction toward the right side as a whole, and flows out as the exhaust gas from the right side. The porous body 250 has a large number of pores communicating with each other.
Since the large number of holes form a random flow path, a flow path different from the main flow direction exists in the porous body 250, and the mixed gas is diffused through this flow path.
[0056]
With the catalyst layer 240 of the second embodiment, substantially the same effects as those of the first embodiment can be obtained. Further, since the porous body 250 has a high gas diffusion effect, the porous body 250 is more preferable than the honeycomb carrier 230 of the first embodiment in making the gas uniform. On the other hand, the honeycomb carrier 230 of the first embodiment is preferable to the porous body 250 of the second embodiment in that the manufacture is easy and the size of the catalyst layer can be made relatively large.
[0057]
C. Example 3
FIG. 5A shows a cross section of the catalyst layer 260 of the third embodiment. The catalyst layer 260 includes two supports 270 and 280 made of the same material on the upstream side and the downstream side. The flow path wall 272 of the carrier 270 on the upstream side is thicker than the flow path wall 282 of the carrier 280 on the downstream side. The flow path wall 272 of the carrier 270 on the upstream side does not have a communication hole, and the flow path wall 282 of the carrier 280 on the downstream side has a communication hole. Therefore, the carrier 270 has a larger heat capacity per volume (hereinafter simply referred to as “heat capacity”) and a smaller surface area per volume (hereinafter simply referred to as “specific surface area”) than the carrier 280.
[0058]
Since the flow path wall 272 is thicker than the flow path wall 282, the cross-sectional area of the flow path wall 272 is larger than the cross-sectional area of the thin flow path wall 282. In addition, since the channel walls 272 and 282 of the same material have the same thermal conductivity, the channel wall 272 having a large cross-sectional area has a larger cross-section than the channel wall 282 having a small cross-sectional area. And heat conduction in a direction perpendicular to the direction. Thus, the heat conduction in the carrier through the flow path wall is better in the carrier 270 than in the carrier 280. Therefore, as described below, this catalyst layer 260 can prevent an excessive rise in temperature when a gas having a high fuel concentration is temporarily supplied.
[0059]
A gas having a high fuel concentration may be temporarily discharged to the anode off-gas discharge pipe 140 (FIG. 2) of the fuel cell 100. For example, when the fuel cell 100 is started, low-purity gas in the anode chamber 104 is scavenged, and when the fuel cell 100 is stopped, the residual pressure of the fuel gas in the anode chamber 104 is removed. Released from Further, the circulating fuel gas is released as an anode off-gas under certain conditions. When the fuel gas or the anode off-gas is released, a mixed gas having a high fuel concentration temporarily flows into the catalyst layer 260.
[0060]
FIGS. 5B and 5C show how the average temperature and the fuel concentration change along the mainstream direction of the catalyst layer 260 when such a mixed gas having a high fuel concentration flows. . The graph of the comparative example in this figure shows an example in which a single metal honeycomb having no communication hole is used for the catalyst layer as the carrier. The heat capacity of the carrier used in the comparative example is smaller than that of the carrier 270 on the upstream side in this embodiment, and is larger than that of the carrier 280 on the downstream side in this embodiment. Further, the specific surface area of the carrier of the comparative example is larger than that of the carrier 270 on the upstream side in the present example, and smaller than that of the carrier 280 on the downstream side. For this reason, if fuel gas of the same concentration flows in, the oxidation reaction amount in the comparative example is larger than that in the upstream side of this embodiment, and smaller than that in the downstream side.
[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 upstream honeycomb carrier 270 has a larger heat capacity and a smaller specific surface area than the carrier of the comparative example. Therefore, even if a mixed gas having a high fuel concentration flows, the reaction amount and temperature rise in the carrier 270 can be suppressed to a low level. Therefore, as shown in the graph, the temperature of the carrier 270 rises slowly and the fuel concentration does not decrease much.
[0063]
Further, the honeycomb carrier 280 at the downstream portion of this embodiment has a smaller heat capacity and a larger specific surface area than the carrier of the comparative example. Since the heat capacity of the carrier 280 is small, even when the fuel concentration is low and the calorific value is small, the temperature easily rises and the activity of the oxidation reaction increases. Therefore, even in the downstream portion where the gas with a low fuel concentration flows, the temperature of the carrier 280 increases, and the fuel concentration after passing through the catalyst layer 260 is sufficiently reduced.
[0064]
As described above, in the catalyst layer 260 of the present embodiment, by appropriately selecting the heat capacity / specific surface area of the carrier 270 and the length in the main flow direction, the high-concentration fuel can be heated to the extent that excessive temperature does not occur on the downstream side. Can be reduced. The heat capacity and the specific surface area of the carrier 270 in the upstream portion are preferably selected so that the desired fuel concentration can be reduced to the desired fuel concentration in the upstream portion shorter than the downstream portion, from the viewpoint of miniaturization of the catalyst.
[0065]
Meanwhile, when the fuel concentration of the mixed gas is not uniform and a high concentration region occurs in the catalyst layer 260, the temperature of the catalyst layer of the comparative example may be locally excessively increased. On the other hand, in the carrier 270 on the upstream side in the present embodiment, the heat of reaction inside the carrier is better than that in the comparative example, and the heat of reaction is dispersed throughout the carrier. Therefore, the carrier 270 does not have a gas diffusion structure, but suppresses local excessive temperature rise. Further, in the carrier 280 on the downstream side, a communication hole is provided in the flow path wall 282 to form a flow path different from the main flow direction. As described above, since the carrier 280 has the gas diffusion structure, local excessive temperature rise can be suppressed even when the fuel concentration is not uniform.
[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 metal honeycomb 270 having a thick flow path wall 272 without a communication hole is used on the upstream side. However, the upstream carrier has a larger heat capacity or a smaller specific surface area than the downstream carrier. Or any of them. For example, instead of the honeycomb carrier 270 of the present embodiment, a ceramic honeycomb having a thick channel wall or a metal honeycomb having a large pitch can be used.
[0068]
In the present embodiment, the metal honeycomb 280 having the communication hole and the thin channel wall 282 is used on the downstream side. However, for example, instead of the carrier 280 of the present embodiment, a ceramic honeycomb having a thin channel wall or a metal having a small pitch Honeycombs and the like can also be used.
[0069]
Further, in this embodiment, only the carrier 280 on the downstream side of the catalyst layer 260 has the gas diffusion structure. However, in order to make the fuel concentration uniform, the carrier on the upstream side or the carrier on the downstream side is used. At least one has only to have a gas diffusion structure.
[0070]
D. Example 4:
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the catalyst layer 290 according to the fourth embodiment. The difference from the third embodiment shown in FIG. 5 is that a porous body 300 is used instead of the honeycomb carrier 280 on the downstream side. In this embodiment, by using the porous body 300, the heat capacity is smaller and the specific surface area is larger than that of the carrier 270 on the upstream side. The porous body 300 may have any of a large number of communicating pores, and for example, a foamed metal can be used.
[0071]
As in the third embodiment, in the carrier 270 in the upstream portion into which the mixed gas having a high fuel concentration flows, the fuel concentration can be reduced to a desired concentration without causing excessive temperature rise. The temperature of the porous body 300 also increases in the downstream part where the gas with a low fuel concentration flows, and the fuel concentration after passing through the catalyst layer 290 is sufficiently reduced. Further, when a gas having a non-uniform fuel concentration flows into the catalyst layer 290, the gas is diffused through the pores communicating with each other in the porous body 300 at the downstream portion, and local excessive temperature rise is suppressed.
[0072]
As described above, the same effect as that of the third embodiment can be obtained by the catalyst layer 290 of the fourth embodiment. Further, since the porous body 300 has a high gas diffusion effect, the porous body 300 is more preferable than the honeycomb carrier 280 of the third embodiment in making the gas uniform. On the other hand, the honeycomb carrier 280 of the third embodiment is more preferable than the porous body 300 of the fourth embodiment in that the manufacture is easy and the size of the catalyst layer can be made relatively free.
[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 fuel cell system 60 according to the fifth embodiment. The difference from the first embodiment shown in FIG. 2 is that the cathode off-gas is introduced into the premixing unit 202 instead of the oxidizing gas supplied from the outside.
[0075]
The cathode chamber 102 is pressurized by an oxidizing gas supplied from outside by an oxidizing gas supply pump 126. The cathode offgas discharged from the pressurized cathode chamber 102 is led to the premixing section 202 upstream of the catalyst layer 220 through the cathode offgas discharge pipe 162. Therefore, the oxidizing gas supply pump 127 used in the first embodiment becomes unnecessary. By eliminating the power burden on the oxidizing gas supply pump 127 in this manner, the system efficiency of the fuel cell system 60 is improved.
[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 fuel cell system 60 has been described. However, the present invention relates to a hybrid vehicle (hybrid vehicle) using two motors, a motor and an internal combustion engine, as motors for driving wheels. Can also be applied. The present invention is also applicable to mobile objects other than automobiles, such as ships and trains. Further, the present invention is also applicable to a small fuel cell power generation system such as a portable power generation device and a home power generation device. That is, the present invention is generally applicable to a power supply system including a fuel cell and an anode offgas processing device.
[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 fuel cell system 60 according to the first embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a configuration and an effect of a catalyst layer 220 in the first embodiment.
FIG. 4 is a schematic view of a catalyst layer 240 according to a second embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a configuration and effects of a catalyst layer 260 in a third embodiment.
FIG. 6 is a schematic view of a catalyst layer 290 according to a fourth embodiment.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a configuration of a fuel cell system 60 according to a fifth embodiment.
[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)

燃料電池システムであって、
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.
請求項1記載の燃料電池システムであって、
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.
請求項1または2記載の燃料電池システムであって、
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.
請求項3記載の燃料電池システムであって、
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.
請求項1または2記載の燃料電池システムであって、
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.
請求項5記載の燃料電池システムであって、
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.
請求項6記載の燃料電池システムであって、
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.
請求項1ないし7記載の燃料電池システムであって、
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.
請求項8記載の燃料電池システムであって、
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.
請求項8または9記載の燃料電池システムであって、
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.
請求項8ないし10記載の燃料電池システムであって、
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.
請求項1ないし11記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
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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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009179504A (en) * 2008-01-30 2009-08-13 Honda Motor Co Ltd Fuel reformer

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01298651A (en) * 1988-05-26 1989-12-01 Fuji Electric Corp Res & Dev Ltd Combustion control device for catalytic combustor for fuel cells
JPH0992311A (en) * 1995-09-22 1997-04-04 Sanyo Electric Co Ltd Fuel cell and its control method
JP2001017835A (en) * 1999-07-09 2001-01-23 Nissan Motor Co Ltd Method for cleaning exhaust gas of fuel cell system and exhaust gas cleaning device
JP2001021112A (en) * 1999-07-09 2001-01-26 Nissan Motor Co Ltd Combustion device of fuel cell system
JP2001313059A (en) * 2000-04-27 2001-11-09 Toyota Motor Corp Fuel cell device and mobile body having the same
CA2428522A1 (en) * 2000-11-15 2002-05-23 Mtu Friedrichshafen Gmbh Fuel cell assembly
JP2002289237A (en) * 2001-01-18 2002-10-04 Toyota Motor Corp In-vehicle fuel cell system and method for discharging hydrogen off-gas
JP2003142131A (en) * 2001-08-23 2003-05-16 Toyota Motor Corp Fuel cell exhaust hydrogen treatment system
JP2004273354A (en) * 2003-03-11 2004-09-30 Toyota Motor Corp Internal combustion engine with fuel cell in exhaust system

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01298651A (en) * 1988-05-26 1989-12-01 Fuji Electric Corp Res & Dev Ltd Combustion control device for catalytic combustor for fuel cells
JPH0992311A (en) * 1995-09-22 1997-04-04 Sanyo Electric Co Ltd Fuel cell and its control method
JP2001017835A (en) * 1999-07-09 2001-01-23 Nissan Motor Co Ltd Method for cleaning exhaust gas of fuel cell system and exhaust gas cleaning device
JP2001021112A (en) * 1999-07-09 2001-01-26 Nissan Motor Co Ltd Combustion device of fuel cell system
JP2001313059A (en) * 2000-04-27 2001-11-09 Toyota Motor Corp Fuel cell device and mobile body having the same
CA2428522A1 (en) * 2000-11-15 2002-05-23 Mtu Friedrichshafen Gmbh Fuel cell assembly
JP2002289237A (en) * 2001-01-18 2002-10-04 Toyota Motor Corp In-vehicle fuel cell system and method for discharging hydrogen off-gas
JP2003142131A (en) * 2001-08-23 2003-05-16 Toyota Motor Corp Fuel cell exhaust hydrogen treatment system
JP2004273354A (en) * 2003-03-11 2004-09-30 Toyota Motor Corp Internal combustion engine with fuel cell in exhaust system

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009179504A (en) * 2008-01-30 2009-08-13 Honda Motor Co Ltd Fuel reformer

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