JP3900570B2 - りん酸型燃料電池用ｃｏ削減装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、りん酸型燃料電池に供給する改質ガス中のＣＯを削減するりん酸型燃料電池用ＣＯ削減装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
りん酸型燃料電池は天然ガスなどに水蒸気を加え改質器で触媒を用いて高温下で水素を含む改質ガスとし、ＣＯコンバータでＣＯを削減してアノードに供給して化学反応により電気を発生する。
【０００３】
図４は従来の改質ガスよりＣＯを削減する装置を示す図である。水蒸気を添加された燃料ガスは改質器１で水素を主体としＣＯ（一酸化炭素）を含む改質ガスとなる。改質ガスは７００℃前後の高温であるため熱交換器２によりＣＯを除去するのに適した温度、例えば２００℃程度に冷却され、ＣＯコンバータ３でＣＯを除去されて、燃料電池４のアノードに供給される。
【０００４】
改質器１は改質室と燃焼室より構成され、改質室には改質用触媒が充填されており、燃焼室には未燃焼成分を含む燃料電池４のアノード排ガス等が供給され、高温で燃焼し燃料ガスと水蒸気とを加熱して改質に適した温度とする。熱交換器２は冷却ガスまたは冷却水により改質器１で発生した改質ガスを冷却する。冷却ガスとしては改質器１に入る前の燃料ガスが使われ、冷却水としては電池冷却水が使われる。ＣＯコンバータ３にはＣＯ除去触媒が充填されており、次の式によりＣＯをＣＯ２に変換する。
【０００５】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２…（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２…（２）
【０００６】
（１）式は燃料ガスの主成分のメタンガスが、添加された水蒸気と反応して改質室で水素ガスとＣＯになることを示し、（２）式はＣＯコンバータ３での反応式でこの反応をシフト反応と呼んでいる。（２）式は平衡式を表し、例えばＣＯを０．５％に削減するには２１０℃前後の温度領域が必要となる。このため熱交換器２で改質器１で発生した高温の改質ガスを冷却する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
改質ガス中にＣＯが含まれると燃料電池のアノード電極は被毒され劣化する。このため熱交換器２やＣＯコンバータ３が用いられているが、これらはかなりの大きさを有し、広い設置面積が必要となる。
【０００８】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、熱交換器とＣＯコンバータを一体にして小型化することを目的とする。
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【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の発明は、改質器で改質した水素を含む改質ガスを冷却し改質ガスに含まれるＣＯを削減してりん酸型燃料電池に供給するりん酸型燃料電池用ＣＯ削減装置において、改質ガス流路とこの改質ガス流路に接して設けられた冷却ガス流路とから構成した熱交換器と、この熱交換器の冷却ガス流路をバイパスするバイパスラインとを備え、改質ガス流路にはＣＯ除去触媒が充填され、改質ガスと冷却ガスとを対向する流れとしており、前記冷却ガス流路は、前記改質ガス流路の出側から所定範囲の隣接部分に位置し伝熱促進剤が充填された伝熱促進剤充填領域と、前記改質ガス流路に隣接し且つ前記伝熱促進剤充填領域よりも冷却ガスの上流側に位置し伝熱促進剤が充填されていない伝熱促進剤非充填領域を有する。
【００１４】
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、参考例及び本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は第１参考例を示し、（Ａ）は熱交換器型ＣＯ削減装置、（Ｂ）は温度分布を示す図である。熱交換器型ＣＯ削減装置１０は改質ガス流路１１と、この改質ガス流路１１に接して設けられた冷却ガス流路１２から構成される。改質ガス流路１１には（２）式で示したシフト反応によりＣＯをＣＯ２に変換させる反応を促進するＣＯ除去触媒が充填されている。冷却ガス流路１２には改質ガス流路１１からの熱を冷却ガスに効率よく伝達する伝熱促進材が充填されている。伝熱促進材としてはアルミニウムを小さな球状にしたアルミボールが用いられる。改質ガス流路１１と冷却ガス流路１２とは並行して配置されており、改質ガスと冷却ガスの流れの向きは互いに対向するようにする。つまり冷却ガスの入側に改質ガスの出側が配置され、冷却ガスの出側に改質ガスの入側が配置されている。
【００１６】
図１（Ｂ）は改質ガス流路１１内を流れる改質ガスの温度分布ａと、冷却ガス流路１２内を流れる冷却ガスの温度分布ｂの一例を示す。横軸の距離は（Ａ）に示す改質ガス流路１１および冷却ガス流路１２の長さを表す。冷却ガスの入側温度は１１５℃で改質ガスより熱伝達されて昇温し出側で３５０℃となって排出される。改質ガスは改質器１より３６０℃で供給され、冷却ガスにより冷却されながら（２）式に示すシフト反応を行い、出側ではＣＯが０．５％程度まで削減される２３０℃まで冷却されて排出される。
【００１７】
第１参考例では熱交換器の高温流路にＣＯ除去触媒を充填して改質ガスのＣＯ除去を促進し、冷却ガス流路にアルミナボールを充填して熱伝達率を向上させているので、熱交換器とＣＯコンバータを一体化でき、かつ熱伝達の向上により熱交換に必要な流路を短くできるので、装置がコンパクトになり、設置面積も小さくすることができる。
【００１８】
図２は第２参考例を示し、（Ａ）は熱交換器型ＣＯ削減装置と補助ＣＯ削減装置、（Ｂ）は温度分布を示す。本実施形態は第１実施形態の性能を改良したもので、（２）式のシフト反応が活発になる温度、つまり２００℃程度の温度に改質ガスをさらす期間を長くしている。このため熱交換器型ＣＯ削減装置１０の改質ガス流路１１の出側に補助ＣＯ削減装置１３設けている。また、冷却ガス流路１２にはバイパスライン１４を設け、流量制御弁１５により冷却ガスの流量を調整し改質ガス流路１１の改質ガスの温度を改質ガスの流量に応じて調整し、改質ガスの温度分布を（２）式で示すシフト反応に適切なものにする。
【００１９】
改質ガス流路１１と冷却ガス流路１２の構造は第１参考例と同様であり、補助ＣＯ削減装置１３は改質ガスの流路にＣＯ除去触媒を充填したものである。第２参考例は形の上では図４に示した従来例と同じとなるが、冷却ガス流路１２にアルミナボールを充填して熱伝達率を大きくしているので、熱交換器型ＣＯ削減装置１０は従来の熱交換器よりも小さくなっている。また補助ＣＯ削減装置１３は改質ガス流路１１でかなりシフト反応が行われＣＯの除去も行われているので、従来のＣＯコンバータよりもかなり小さくなっている。
【００２０】
図２（Ｂ）は改質ガス流路１１の温度分布ａと冷却ガス流路１２の温度分布ｂおよび補助ＣＯ削減装置１３の温度分布ａを示す。横軸の距離は（Ａ）に示す改質ガス流路１１の長さ、冷却ガス流路１２の長さ、および補助ＣＯ削減装置１３の長さを表す。改質ガス流路１１の温度分布ａと冷却ガス流路１２の温度分布ｂは第１参考例の場合とほぼ同じであるが、補助ＣＯ削減装置１３の温度分布ａは２００℃近傍のほぼ一定値であり、（２）式に示すシフト反応が活発に行われ、ＣＯがほぼ０．５％程度まで削減される。
【００２１】
図３は本発明の実施形態を示し、（Ａ）は熱交換器型ＣＯ削減装置、（Ｂ）は温度分布を示す。本実施形態は第２参考例を改良したもので、第２参考例の熱交換器型ＣＯ削減装置１０と補助ＣＯ削減装置１３とを一体化しこれを熱交換器型ＣＯ削減装置１０としたものである。改質ガス流路１１にはＣＯ除去触媒が充填されている。冷却ガス流路１２には出側より、隣接して流れる改質ガスの温度が２００℃程度に冷却される位置までアルミナボールが充填されている。その位置より入側までは空間で冷却ガスが流れるだけである。冷却ガス流路１２にはバイパスライン１４が設けられ、流量制御弁１５により改質ガスの流量に応じて冷却ガスの流量を調整し、改質ガスの温度分布を（２）式のシフト反応を促進するようにする。また改質ガスと冷却ガスの流れ方向は互いに対向するようにする。
【００２２】
図３（Ｂ）は改質ガス流路１１の温度分布ａと冷却ガス流路１２の温度分布ｂの一例を示す。横軸の距離は（Ａ）に示す改質ガス流路１１および冷却ガス流路１２の長さを表す。アルミナボールは改質ガスの温度ａが入側の３６０℃より２２０℃まで冷却される位置まで出側より充填されている。また冷却ガスの温度ｂは入側よりアルミナボールまでは１１５℃であり、アルミナボールより熱伝達されて出側では３５０℃となっている。改質ガスは（２）式のシフト反応を促進するのに適した２２０℃でＣＯ除去触媒中をＣＯが所定の濃度、例えば０．５％に削減される長さ流れる。
【００２３】
本実施形態では、第２参考例の補助ＣＯ削減装置１３を熱交換器型ＣＯ削減装置１０と一体化することにより装置自体のコンパクト化および設置面積の低減を実現している。またシフト反応を促進する温度（例えば２２０℃）に改質ガスを保持するので、改質ガス中のＣＯを極めて低い濃度にすることができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は、熱交換器の改質ガス流路にＣＯ除去触媒を充填し、冷却ガス流路にアルミナボールなどの伝熱促進材を充填することにより、熱交換器とＣＯコンバータを一体にすることができ、装置のコンパクト化が実現され、この装置の設置面積も削減することができる。また改質ガスがシフト反応の促進する温度領域を通過する距離を長くすることにより、ＣＯを確実に削減することができる。また冷却ガス流路にバイパスラインを設けることにより改質ガスの温度を適切に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１参考例を示し、（Ａ）は構成を示し、（Ｂ）は温度分布を示す図である。
【図２】 第２参考例を示し、（Ａ）は構成を示し、（Ｂ）は温度分布を示す図である。
【図３】 本発明の実施形態を示し、（Ａ）は構成を示し、（Ｂ）は温度分布を示す図である。
【図４】 従来のＣＯ削減装置の配置を示す図である。
【符号の説明】
１ 改質器
２ 熱交換器
３ ＣＯコンバータ
４ 燃料電池
１０ 熱交換器型ＣＯ削減装置
１１ 改質ガス流路
１２ 冷却ガス流路
１３ 補助ＣＯ削減装置
１４ バイパスライン
１５ 流量制御弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、りん酸型燃料電池に供給する改質ガス中のＣＯを削減するりん酸型燃料電池用ＣＯ削減装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
りん酸型燃料電池は天然ガスなどに水蒸気を加え改質器で触媒を用いて高温下で水素を含む改質ガスとし、ＣＯコンバータでＣＯを削減してアノードに供給して化学反応により電気を発生する。
【０００３】
図４は従来の改質ガスよりＣＯを削減する装置を示す図である。水蒸気を添加された燃料ガスは改質器１で水素を主体としＣＯ（一酸化炭素）を含む改質ガスとなる。改質ガスは７００℃前後の高温であるため熱交換器２によりＣＯを除去するのに適した温度、例えば２００℃程度に冷却され、ＣＯコンバータ３でＣＯを除去されて、燃料電池４のアノードに供給される。
【０００４】
改質器１は改質室と燃焼室より構成され、改質室には改質用触媒が充填されており、燃焼室には未燃焼成分を含む燃料電池４のアノード排ガス等が供給され、高温で燃焼し燃料ガスと水蒸気とを加熱して改質に適した温度とする。熱交換器２は冷却ガスまたは冷却水により改質器１で発生した改質ガスを冷却する。冷却ガスとしては改質器１に入る前の燃料ガスが使われ、冷却水としては電池冷却水が使われる。ＣＯコンバータ３にはＣＯ除去触媒が充填されており、次の式によりＣＯをＣＯ２に変換する。
【０００５】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２…（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２…（２）
【０００６】
（１）式は燃料ガスの主成分のメタンガスが、添加された水蒸気と反応して改質室で水素ガスとＣＯになることを示し、（２）式はＣＯコンバータ３での反応式でこの反応をシフト反応と呼んでいる。（２）式は平衡式を表し、例えばＣＯを０．５％に削減するには２１０℃前後の温度領域が必要となる。このため熱交換器２で改質器１で発生した高温の改質ガスを冷却する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
改質ガス中にＣＯが含まれると燃料電池のアノード電極は被毒され劣化する。このため熱交換器２やＣＯコンバータ３が用いられているが、これらはかなりの大きさを有し、広い設置面積が必要となる。
【０００８】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、熱交換器とＣＯコンバータを一体にして小型化することを目的とする。
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【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の発明は、改質器で改質した水素を含む改質ガスを冷却し改質ガスに含まれるＣＯを削減してりん酸型燃料電池に供給するりん酸型燃料電池用ＣＯ削減装置において、改質ガス流路とこの改質ガス流路に接して設けられた冷却ガス流路とから構成した熱交換器と、この熱交換器の冷却ガス流路をバイパスするバイパスラインとを備え、改質ガス流路にはＣＯ除去触媒が充填され、改質ガスと冷却ガスとを対向する流れとしており、前記冷却ガス流路は、前記改質ガス流路の出側から所定範囲の隣接部分に位置し伝熱促進剤が充填された伝熱促進剤充填領域と、前記改質ガス流路に隣接し且つ前記伝熱促進剤充填領域よりも冷却ガスの上流側に位置し伝熱促進剤が充填されていない伝熱促進剤非充填領域を有する。
【００１４】
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、参考例及び本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は第１参考例を示し、（Ａ）は熱交換器型ＣＯ削減装置、（Ｂ）は温度分布を示す図である。熱交換器型ＣＯ削減装置１０は改質ガス流路１１と、この改質ガス流路１１に接して設けられた冷却ガス流路１２から構成される。改質ガス流路１１には（２）式で示したシフト反応によりＣＯをＣＯ２に変換させる反応を促進するＣＯ除去触媒が充填されている。冷却ガス流路１２には改質ガス流路１１からの熱を冷却ガスに効率よく伝達する伝熱促進材が充填されている。伝熱促進材としてはアルミニウムを小さな球状にしたアルミボールが用いられる。改質ガス流路１１と冷却ガス流路１２とは並行して配置されており、改質ガスと冷却ガスの流れの向きは互いに対向するようにする。つまり冷却ガスの入側に改質ガスの出側が配置され、冷却ガスの出側に改質ガスの入側が配置されている。
【００１６】
図１（Ｂ）は改質ガス流路１１内を流れる改質ガスの温度分布ａと、冷却ガス流路１２内を流れる冷却ガスの温度分布ｂの一例を示す。横軸の距離は（Ａ）に示す改質ガス流路１１および冷却ガス流路１２の長さを表す。冷却ガスの入側温度は１１５℃で改質ガスより熱伝達されて昇温し出側で３５０℃となって排出される。改質ガスは改質器１より３６０℃で供給され、冷却ガスにより冷却されながら（２）式に示すシフト反応を行い、出側ではＣＯが０．５％程度まで削減される２３０℃まで冷却されて排出される。
【００１７】
第１参考例では熱交換器の高温流路にＣＯ除去触媒を充填して改質ガスのＣＯ除去を促進し、冷却ガス流路にアルミナボールを充填して熱伝達率を向上させているので、熱交換器とＣＯコンバータを一体化でき、かつ熱伝達の向上により熱交換に必要な流路を短くできるので、装置がコンパクトになり、設置面積も小さくすることができる。
【００１８】
図２は第２参考例を示し、（Ａ）は熱交換器型ＣＯ削減装置と補助ＣＯ削減装置、（Ｂ）は温度分布を示す。本実施形態は第１実施形態の性能を改良したもので、（２）式のシフト反応が活発になる温度、つまり２００℃程度の温度に改質ガスをさらす期間を長くしている。このため熱交換器型ＣＯ削減装置１０の改質ガス流路１１の出側に補助ＣＯ削減装置１３設けている。また、冷却ガス流路１２にはバイパスライン１４を設け、流量制御弁１５により冷却ガスの流量を調整し改質ガス流路１１の改質ガスの温度を改質ガスの流量に応じて調整し、改質ガスの温度分布を（２）式で示すシフト反応に適切なものにする。
【００１９】
改質ガス流路１１と冷却ガス流路１２の構造は第１参考例と同様であり、補助ＣＯ削減装置１３は改質ガスの流路にＣＯ除去触媒を充填したものである。第２参考例は形の上では図４に示した従来例と同じとなるが、冷却ガス流路１２にアルミナボールを充填して熱伝達率を大きくしているので、熱交換器型ＣＯ削減装置１０は従来の熱交換器よりも小さくなっている。また補助ＣＯ削減装置１３は改質ガス流路１１でかなりシフト反応が行われＣＯの除去も行われているので、従来のＣＯコンバータよりもかなり小さくなっている。
【００２０】
図２（Ｂ）は改質ガス流路１１の温度分布ａと冷却ガス流路１２の温度分布ｂおよび補助ＣＯ削減装置１３の温度分布ａを示す。横軸の距離は（Ａ）に示す改質ガス流路１１の長さ、冷却ガス流路１２の長さ、および補助ＣＯ削減装置１３の長さを表す。改質ガス流路１１の温度分布ａと冷却ガス流路１２の温度分布ｂは第１参考例の場合とほぼ同じであるが、補助ＣＯ削減装置１３の温度分布ａは２００℃近傍のほぼ一定値であり、（２）式に示すシフト反応が活発に行われ、ＣＯがほぼ０．５％程度まで削減される。
【００２１】
図３は本発明の実施形態を示し、（Ａ）は熱交換器型ＣＯ削減装置、（Ｂ）は温度分布を示す。本実施形態は第２参考例を改良したもので、第２参考例の熱交換器型ＣＯ削減装置１０と補助ＣＯ削減装置１３とを一体化しこれを熱交換器型ＣＯ削減装置１０としたものである。改質ガス流路１１にはＣＯ除去触媒が充填されている。冷却ガス流路１２には出側より、隣接して流れる改質ガスの温度が２００℃程度に冷却される位置までアルミナボールが充填されている。その位置より入側までは空間で冷却ガスが流れるだけである。冷却ガス流路１２にはバイパスライン１４が設けられ、流量制御弁１５により改質ガスの流量に応じて冷却ガスの流量を調整し、改質ガスの温度分布を（２）式のシフト反応を促進するようにする。また改質ガスと冷却ガスの流れ方向は互いに対向するようにする。
【００２２】
図３（Ｂ）は改質ガス流路１１の温度分布ａと冷却ガス流路１２の温度分布ｂの一例を示す。横軸の距離は（Ａ）に示す改質ガス流路１１および冷却ガス流路１２の長さを表す。アルミナボールは改質ガスの温度ａが入側の３６０℃より２２０℃まで冷却される位置まで出側より充填されている。また冷却ガスの温度ｂは入側よりアルミナボールまでは１１５℃であり、アルミナボールより熱伝達されて出側では３５０℃となっている。改質ガスは（２）式のシフト反応を促進するのに適した２２０℃でＣＯ除去触媒中をＣＯが所定の濃度、例えば０．５％に削減される長さ流れる。
【００２３】
本実施形態では、第２参考例の補助ＣＯ削減装置１３を熱交換器型ＣＯ削減装置１０と一体化することにより装置自体のコンパクト化および設置面積の低減を実現している。またシフト反応を促進する温度（例えば２２０℃）に改質ガスを保持するので、改質ガス中のＣＯを極めて低い濃度にすることができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は、熱交換器の改質ガス流路にＣＯ除去触媒を充填し、冷却ガス流路にアルミナボールなどの伝熱促進材を充填することにより、熱交換器とＣＯコンバータを一体にすることができ、装置のコンパクト化が実現され、この装置の設置面積も削減することができる。また改質ガスがシフト反応の促進する温度領域を通過する距離を長くすることにより、ＣＯを確実に削減することができる。また冷却ガス流路にバイパスラインを設けることにより改質ガスの温度を適切に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１参考例を示し、（Ａ）は構成を示し、（Ｂ）は温度分布を示す図である。
【図２】 第２参考例を示し、（Ａ）は構成を示し、（Ｂ）は温度分布を示す図である。
【図３】 本発明の実施形態を示し、（Ａ）は構成を示し、（Ｂ）は温度分布を示す図である。
【図４】 従来のＣＯ削減装置の配置を示す図である。
【符号の説明】
１ 改質器
２ 熱交換器
３ ＣＯコンバータ
４ 燃料電池
１０ 熱交換器型ＣＯ削減装置
１１ 改質ガス流路
１２ 冷却ガス流路
１３ 補助ＣＯ削減装置
１４ バイパスライン
１５ 流量制御弁
Claims (1)
- 改質器で改質した水素を含む改質ガスを冷却し改質ガスに含まれるＣＯを削減してりん酸型燃料電池に供給するりん酸型燃料電池用ＣＯ削減装置において、
改質ガス流路とこの改質ガス流路に接して設けられた冷却ガス流路とから構成した熱交換器と、この熱交換器の冷却ガス流路をバイパスするバイパスラインとを備え、改質ガス流路にはＣＯ除去触媒が充填され、改質ガスと冷却ガスとを対向する流れとしており、
前記冷却ガス流路は、前記改質ガス流路の出側から所定範囲の隣接部分に位置し伝熱促進剤が充填された伝熱促進剤充填領域と、前記改質ガス流路に隣接し且つ前記伝熱促進剤充填領域よりも冷却ガスの上流側に位置し伝熱促進剤が充填されていない伝熱促進剤非充填領域を有することを特徴とするりん酸型燃料電池用ＣＯ削減装置。
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|---|---|---|---|
| JP32666196A JP3900570B2 (ja) | 1996-12-06 | 1996-12-06 | りん酸型燃料電池用ｃｏ削減装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32666196A JP3900570B2 (ja) | 1996-12-06 | 1996-12-06 | りん酸型燃料電池用ｃｏ削減装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10172597A JPH10172597A (ja) | 1998-06-26 |
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Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32666196A Expired - Fee Related JP3900570B2 (ja) | 1996-12-06 | 1996-12-06 | りん酸型燃料電池用ｃｏ削減装置 |
Country Status (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1996
- 1996-12-06 JP JP32666196A patent/JP3900570B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013183350A1 (ja) | 2012-06-07 | 2013-12-12 | 株式会社Ihi | マイクロリアクタ |
| US9370761B2 (en) | 2012-06-07 | 2016-06-21 | Ihi Corporation | Microreactor |
Also Published As
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| JPH10172597A (ja) | 1998-06-26 |
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