JPH11260387A - Ｃｏ除去装置およびｃｏ除去装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池システムのＣＯ除去装置において、
装置の改質ガス導入口付近で急激に生じる高温のＣＯ除
去反応に伴う有害な水素燃焼反応を防止する問題を回避
し、従来に比べて簡単な構成で良好なＣＯ除去反応を行
うことが可能なＣＯ除去装置およびその運転方法を提供
する。 【解決手段】 ２重円筒缶構造をなす選択酸化反応器５
１ｂ（内筒）と改質ガス室５１ａ（外筒）、および２つ
の冷却器５２、５３を用い、約２００℃の改質ガスを改
質ガス室５１ａに流通させることにより選択酸化反応器
５１ｂ中の選択酸化触媒５１１に伝熱してこれを昇温さ
せ、当該改質ガスを冷却器５２で約１００℃前後に冷却
して選択酸化反応器５１ｂに導入し、反応温度を約２５
０℃以下に抑えてＣＯ除去反応を行う。ＣＯ除去後、冷
却器５３によって改質ガスを約７０〜８０℃に冷却し、
これを燃料電池６に導入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
におけるＣＯ除去装置およびその運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池システムにおける発電は、燃料
電池のアノード側に水素を含むアノードガス、カソード
側に酸素を含むカソードガスをそれぞれ供給し、水素と
酸素を電気化学的に反応させて行っている。通常カソー
ドガスとしては空気が用いられるが、アノードガスとし
ては、比較的容易に入手可能な天然ガスやナフサ等の軽
質炭化水素またはメタノール等のアルコール類の燃料を
水蒸気と混合し、改質装置で水蒸気改質等の反応を行い
水素リッチな改質ガスとしたものが用いられる。

【０００３】改質装置では、バーナで予め高温に加熱し
た改質用触媒に燃料と水蒸気を通過させて改質反応を行
うが、この改質反応に際しては一酸化炭素（以下ＣＯ）
の生成が副反応として起きる。このＣＯは、リン酸型燃
料電池では電極触媒を被毒して性能低下を引き起こすの
で、これを防止するためにＣＯ変成器で１％程度の濃度
まで低減される。しかし、固体高分子型燃料電池システ
ムでは、燃料電池の白金電極の被毒を効果的に防止する
ために、ＣＯ変成器に加えて、ＣＯ除去装置によりＣＯ
を選択酸化反応して１００ｐｐｍ程度の濃度にまで低減
させる必要がある。

【０００４】このようなＣＯ除去装置において効果的に
ＣＯを除去するためには、空気と混合した改質ガスの温
度が約３００℃付近に達すると燃料電池システムとして
有害な水素燃焼反応等の副反応が生じるのを避けるた
め、選択酸化反応の温度を約２５０℃までに抑制するこ
とが望ましい。したがって、ＣＯ除去装置に導入する改
質ガスを選択酸化反応が開始可能な温度範囲で低温（約
１００℃付近）に冷却し、これにより反応温度を抑える
等の工夫をすべきであるが、最初に改質ガスが選択酸化
触媒と接触するＣＯ除去装置のガス導入口付近では、ど
うしても反応が急激に進行して温度上昇が起こりやすい
という問題がある。

【０００５】これに対しては、例えばＣＯ除去装置の改
質ガス導入口付近を複数の板状触媒担持体を使用した積
層構造とし、この積層間に冷却水等の冷媒を循環させる
冷媒循環路を交互に挟み込み、改質ガスと選択酸化触媒
の両方を冷却して温度制御する技術（特開平７-８５３
０３号公報に記載）が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで上記した従来
技術においては、改質ガスの導入口付近という限られた
スペースを用いて高温の改質ガスとともに選択酸化触媒
を冷却させるので、冷媒を高速循環させるための配管設
備や熱交換動作の煩雑性が伴わざるを得ない。また、約
２００℃の改質ガスを一気に数十℃まで冷却する場合等
には選択酸化触媒が過冷却される可能性があり、選択酸
化反応が開始されるタイミングが遅れて反応効率が低下
する可能性がある。

【０００７】現在では、このようにＣＯ除去装置の温度
制御が十分に確立されておらず、さらなる技術開発に期
待が寄せられている。本発明は上記課題に鑑みてなされ
たものであって、その目的は比較的簡単な構造および方
法で合理的にＣＯ除去装置を温度制御し、水素燃焼反応
を防止しつつ、従来より反応効率が不安定であった改質
ガス導入口付近での部分酸化反応を円滑に行い、改質ガ
ス中のＣＯの除去を良好に行うことが可能なＣＯ除去装
置およびＣＯ除去装置の運転方法を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決する手段】上記課題を解決するために、本
発明は改質器または改質器とＣＯ変成器にて生成した高
温の改質ガスを冷却する冷却器と、前記冷却器にて冷却
した改質ガスに酸素もしくは少なくとも酸素を含むガス
を混合し、混合ガスを選択酸化触媒の表面に曝露させ、
改質ガス中のＣＯを選択酸化して除去する選択酸化反応
器と、前記選択酸化反応器と熱交換可能に結合された改
質ガス室と、前記冷却器に供給される高温の改質ガス
を、前記改質ガス室に流通させた後に冷却器へ導入する
よう配管接続された配管路とを備える燃料電池システム
のＣＯ除去装置とした。

【０００９】このような構成とし、酸化反応が急激に進
行する温度より低い温度に冷却した改質ガスを選択酸化
反応器に供給することで、選択酸化反応器ガス導入口付
近での急激な酸化反応は防止される。そして、改質ガス
質を流通するガスによって選択酸化反応器の触媒層を徐
々に加熱昇温することで、比較的低温から酸化反応を開
始・進行させる。このようにすることで、反応熱の一部
が反応ガスの温度上昇に使われ、冷却手段により除熱す
べき熱量が低減することから、触媒層の温度制御が容易
になる。酸化反応の発熱により、反応ガスおよび触媒の
温度が改質ガス室を流通するガスの温度より高温になる
と、反応ガスおよび触媒は改質ガス室を流通するガスに
より冷却されるため、過度の温度上昇が防止され、水素
燃焼反応等の副反応を抑制することができる。

【００１０】ここで前記ＣＯ除去装置は、選択酸化反応
器を内筒内部、改質ガス室を前記内筒と外筒との間にそ
れぞれ設けた２重筒体とし、筒体の軸方向にガスを流通
させながら内筒を介して熱交換させると、装置の構成を
簡単かつコンパクトにまとめることができる。また前記
選択酸化反応器と前記改質ガス室の筒長をほぼ同一と
し、選択酸化反応器及び改質ガス室のガス流通方向を揃
えた前記ＣＯ除去装置とすることで、筒体内部のガス流
通過程の全域において、改質ガス室中の改質ガスと選択
酸化触媒の熱交換を簡単に行うことができる。

【００１１】また、選択酸化反応器の筒長さよりも短い
改質ガス室を、選択酸化反応器のガス入口側に設けるこ
とにより、改質ガス室中の改質ガスが選択酸化反応器側
に一方的に伝熱する構成となり、改質ガス室から送出さ
れるガスの温度を低く抑えられるため、選択酸化反応器
に導入する改質ガスの冷却をスムーズに行うことができ
る。

【００１２】また、筒長さが選択酸化反応器よりも短い
改質ガス室が設けられた前記選択酸化反応器のガス出口
寄りにおいて、選択酸化反応器と熱交換可能な反応器冷
却装置を外挿すると、反応器の冷却制御を独立して行う
ことで選択酸化反応の温度上昇をさらに効果的に抑制で
き、適切に水素燃焼反応を防止できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】（実施の形態１） （燃料電池システムの全体構成の説明）図１は、本発明
の実施の形態１にかかる固体高分子型燃料電池システム
の主要な構成を示す図である。

【００１４】この燃料電池システムは、天然ガス，都市
ガス，ナフサ等の燃料ガスをアノードガス原料として発
電するものであって、燃料ガス中の硫黄成分を除去する
脱硫器１と、燃料ガスを水蒸気と混合するエジェクタ２
と、この混合ガスを水蒸気改質して水素リッチな改質ガ
スを生成する改質装置３と、改質ガス中のＣＯを水蒸気
によりＣＯ₂に酸化して除去するＣＯ変成器４と、改質
ガス中のＣＯを選択酸化してさらに除去するＣＯ除去装
置５と、ＣＯ除去装置５からの改質ガスを燃料極（アノ
ード）６ｂに取り入れると共に空気を空気極（カソー
ド）６ａに取り入れて発電を行なう固体高分子型の燃料
電池６とに大きく分けられる。

【００１５】脱硫器１は、脱硫用の触媒（コバルト-モ
リブデン系および酸化亜鉛系触媒等）が充填された触媒
担持体を内部に備えている。触媒の種類によって運転温
度は異なるが、高温（２００〜３００℃）用の触媒が用
いられている場合は、脱硫器１をヒータ等で加熱しなが
ら運転する必要がある。改質装置３には、水蒸気改質用
の触媒（ニッケル系触媒等）が充填された触媒担持体を
有する改質器３１と、高温の燃焼ガスを発生して改質器
３１を外部より加熱するバーナ３２とが設けられてお
り、エジェクタ２で混合された燃料ガスと水蒸気の混合
ガスを水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成し、
これをＣＯ変成器４へ送る。

【００１６】ＣＯ変成器４は、円筒缶状の容器にＣＯ変
成用触媒（銅-亜鉛系触媒等）が充填されているもので
あって、改質装置３から送出される高温の改質ガスによ
り１８０℃〜２５０℃程度の運転温度に保たれ、改質ガ
スを筒長さ方向に流通する。これにより水蒸気を用いて
改質ガス中のＣＯを酸化し（シフト反応）、ＣＯの濃度
を約１％（１０，０００ｐｐｍ）程度まで低減させる。

【００１７】ＣＯ除去装置５は、２重円筒ユニット５１
と、冷却器５２、５３等から構成され、ＣＯ変成器４か
ら送出される改質ガス中のＣＯを選択酸化することによ
ってＣＯ濃度を更に１００ｐｐｍ程度まで低減する。当
該ＣＯ除去装置５の構成は、具体的には以下の通りであ
る。なおＣＯ除去装置５から送出される改質ガスは、燃
料電池６の燃料極６ｂに送られ、さらに発電後に残った
未反応ガスは改質装置３のバーナ３２に送られ、改質器
３１の加熱昇温に利用されるようになっている。

【００１８】（ＣＯ除去装置についての詳細な説明）図
２は、ＣＯ除去装置５の主要な構成を示す部分断面斜視
図である。ＣＯ除去装置５の中核をなす２重円筒ユニッ
ト５１は、円筒ユニットの両端面Ａ、Ｂにおいて配管１
０５〜１０８等と連結し、これらの配管によって２つの
冷却器５２、５３と接続されている。

【００１９】２重円筒ユニット５１は、円筒缶状の選択
酸化反応器５１ｂと、この選択酸化反応器５１ｂとほぼ
同様の筒長さを有し、選択酸化反応器５１ｂの筒周面に
外挿された中空円筒状の改質ガス室５１ａとによって構
成される２重構造をしている。その内部はカット領域Ｘ
に示すように、２重円筒ユニット５１側の内部に部分酸
化触媒５１１、改質ガス室５１ａ側の内部には伝熱粒子
５１０がそれぞれ充填されている。部分酸化触媒５１１
としては１００〜２５０℃程度の温度でＣＯの選択酸化
作用を促進する白金-アルミナ（Ｐｔ/Ａｌ₂Ｏ₃）等の触
媒が用いられる。一方伝熱粒子５１０はアルミナや銅、
鉄等の金属を主成分とする伝熱性に優れた材料が好適と
される。

【００２０】冷却器５２は水冷式を採用した公知の熱交
換器であり、内部には配管１１１により冷媒が循環され
るようになっている。改質ガスはこの冷却器５２内部に
挿通された配管１０６を流通することで、冷却器５２に
満たされた冷媒によって熱を奪われ冷却される。この冷
却器５２による冷却温度の設定は、冷媒および改質ガス
の流量を調節することでなされる。

【００２１】図２では図示しないが、冷却器５３も冷却
器５２と同様の構成となっており、これは選択酸化反応
器５１ｂから送出されるＣＯ除去後の改質ガスを冷却す
る働きをもつ。本実施の形態における冷却器５２と冷却
器５３は、それぞれ改質ガスを約１００℃付近または約
８０℃付近にまで冷却するように設定されている。以上
のような構成のＣＯ除去装置５によれば、図２に示した
ように、改質ガスは最初配管１０５から２重円筒ユニッ
ト５１の側面Ａにおけるガス導入口１０５ａより改質ガ
ス室５１ａに入り、改質ガス室５１ａ内を流通した後に
当該ユニット５１の側面Ｂのガス排出口１０６ａより配
管１０６に送出され、冷却器５２と配管１０７を経て改
質ガス導入口１０７ａより選択酸化反応器５１ｂに入
り、この内部を流通した後にガス排出口１０８ａより配
管１０８に送出され、冷却器５３に導入される。

【００２２】（配管についての説明）燃料電池システム
全体での燃料ガス（改質ガス）系の配管としては、図１
に示すように、ボンベ等の燃料ガス供給源から脱硫器１
を経てエジェクタ２に燃料ガスを送る配管１０１、燃料
ガス供給源から改質装置３のバーナ３２に燃料ガスを送
る配管１０２、エジェクタ２から改質装置３に燃料ガス
と水蒸気の混合ガスを送る配管１０３、改質装置３から
ＣＯ変成器４に改質ガスを送る配管１０４、ＣＯ変成器
４からＣＯ除去装置５の改質ガス室５１ａに改質ガスを
送る配管１０５、改質ガス室５１ａから冷却器５２に改
質ガスを送出する配管１０６、冷却器５２から選択酸化
反応器５１ｂに改質ガスを送る配管１０７、選択酸化反
応器５１ｂから冷却器５３に改質ガスを送る１０８、冷
却器５３から燃料電池６の燃料極６ｂに改質ガスを送る
配管１０９、燃料極６ｂからバーナ３２に未反応ガスを
送る配管１１０等が配設されている。

【００２３】なお、システム起動時にＣＯ除去装置５か
ら送出されるガスを燃料電池６を迂回させてバーナ３２
に送るため、配管１０９の経路の中程に、三方弁１１９
と、当該三方弁１１９から配管１１０へのガス流通経路
としてバイパス配管１２０が備わっている。水（冷媒・
水蒸気）系の配管としては、冷却器５２の内部に冷媒
（水）を流通させる配管１１１、冷却器５２とほぼ同様
に冷却器５３の内部に冷媒を流通させる配管１１２、さ
らに熱水蒸気供給源（不図示）からエジェクタ２に水蒸
気を送る配管１１５等が配設されている。

【００２４】また空気系の配管としては、ブロワ８から
空気極６ａに空気を送る配管１１６、選択酸化反応器５
１ｂに空気を送る配管１１４、バーナ３２に空気を送る
配管１１３等がそれぞれ配設されている。図示しない
が、これらの配管には流量を調節する流量調節弁（不図
示）が各々挿設され、燃料電池システムの運転状況に併
せて調節できるようになっている。 （運転方法についての説明）燃料電池システムの起動初
期においては、まず燃料ガスの改質反応を行うために、
改質装置３の改質器３１の昇温が重要となる。このため
には、まず配管１１３および配管１０２からバーナ３２
に空気と燃料ガスをそれぞれ送り込み、バーナ３２を点
火して燃料ガスを燃焼させ、改質器３１を加熱昇温す
る。このとき三方弁１１８は、ガスをバイパス配管１２
０に流通させるように設定しておく。

【００２５】改質器３１が十分に昇温した後、流量調節
弁を操作して脱硫器１に燃料ガスを導入し、脱硫処理を
行う。次に、脱硫処理後の燃料ガスを配管１０１でエジ
ェクタ２に送り込み、ここで配管１１５から送出される
高温の水蒸気と混合させ、これを配管１０３を通して改
質器３１に導入する。

【００２６】次に、水蒸気を混合した燃料ガスを改質器
３１の内部に通過させながらバーナ３２の燃焼ガスで加
熱昇温させ、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去装置５、燃料電池
６の燃料極６ｂに順次送り、配管１１０からバーナ３２
に供給する。一定時間後に改質器３１の内部が約４００
℃まで昇温すれば水蒸気改質反応が開始され、水素リッ
チな改質ガスが生成されるようになるので、この時点で
三方弁１１９を燃料電池６側に切り換えて通常運転に入
る。水蒸気改質反応が開始される段階にはＣＯ変成器４
内部も十分に昇温されているので、改質装置３から送出
された後に配管１０４を経由してＣＯ変成器４に導入さ
れた改質ガス中のＣＯは、ここでシフト反応により一定
レベルの濃度（改質ガス中の約１％）にまで低減され
る。

【００２７】ＣＯ変成器４において一旦ＣＯ濃度を低減
された改質ガスは、次に配管１０５を経てＣＯ除去装置
５に導入され、ここで選択酸化反応によってＣＯ濃度を
さらに低減（約１００ｐｐｍ）される。ＣＯ除去装置５
から送出された約８０℃の水素リッチな改質ガスは、配
管１０９によって燃料電池６の燃料極６ｂに導入され
る。燃料電池６では、一方でブロア８と配管１０６によ
って空気が空気極６ａに導入される。これら２種の気体
中に含まれる水素と酸素は電気化学的に反応し、このと
きに燃料極６ｂと空気極６ａから電力が取り出される。
発電に供された空気は外気中に排出され、未反応の改質
ガスを含む燃料極６ｂ側の排気は配管１１０を経由して
バーナ３２の燃焼に供される。

【００２８】燃料電池システム内における各構成の運転
温度範囲は、改質器３１が約７５０〜８００℃、ＣＯ変
成器４が約１８０〜３００℃、ＣＯ除去装置５が約１０
０〜２５０℃、燃料電池６の温度が約７０〜８０℃であ
る。この運転温度範囲において、本燃料電池システムで
は燃料電池６から外部負荷（不図示）への電力供給が安
定して行われることとなる。 （ＣＯ除去装置の詳細な説明）以下、前記燃料電池シス
テムの通常運転時におけるＣＯ除去装置５について、図
２と図４（２重円筒ユニット５１の温度分布図）を用い
てさらに具体的に説明する。

【００２９】図４における曲線（i）は選択酸化反応器
５１ｂ内の選択酸化触媒５１１、曲線（ii）は改質ガス
室５１ａに導入される改質ガス、曲線（iii）は従来の
ＣＯ除去装置における反応器内の選択酸化触媒、曲線
（iv）は従来の冷却装置付の選択酸化反応器内の選択酸
化触媒の温度分布を表している。なお、ここでいう従来
の選択酸化反応器は比較のため、改質ガス導入口付近に
冷却装置を装備したものと、装備していない形式の２種
類について挙げた。冷却装置は、選択酸化反応器のガス
導入口付近における触媒を積層構造としておき、この積
層間に挿設した冷媒を循環させる冷媒循環路から構成さ
れており、改質ガスと触媒の両方を冷却する公知のもの
（例えば特開平７-１８５３０３号公報に記載）であ
る。

【００３０】図４に示すように、従来において冷却装置
を備えない場合には約２００℃に達する改質ガスが直接
選択酸化反応器に導入されていたため、改質ガスが導入
されると選択酸化触媒が急速に高温状態になっていた
（曲線（iii））。そのためガス導入口付近で激しく反
応が進行し、選択酸化反応器の中央部付近においては反
応温度が約３００℃以上にまで達してしまい、選択酸化
反応の効率の低下を招くとともに水素燃焼反応の発生を
回避することが困難であった。

【００３１】また前記冷却装置を備えた従来の選択酸化
反応器（曲線（iv））においては、改質ガスが導入され
ると直ちに冷却処理がなされる（ここでは比較のため冷
却温度を約１００℃に設定している）。しかしながらこ
の選択酸化反応器では、ガス導入口付近の狭いスペース
において高温のガスと選択酸化触媒を冷却するため、強
力な冷媒や高速の冷媒循環装置等が必要となる。また、
冷却処理により水素燃焼反応は抑制されるが、ガスの冷
却とともに触媒の冷却もなされるため温度コントロール
が難しく、選択酸化反応器中の流通過程において冷却処
理後に選択酸化反応が活発化するタイミングが遅れ、結
果的にＣＯの除去効率の低下を招いてしまう。

【００３２】これに対し本実施の形態では、ＣＯ変成器
４から配管１０５へ送出される約２００℃の改質ガス
（曲線（ii））は、まず２重円筒ユニット５１の改質ガ
ス室５１ａへ導入され、ガス導入口１０５ａ付近の伝熱
粒子５１０を介して選択酸化反応器５１ｂを外部より部
分的に加熱昇温する。ここで、選択酸化反応器５１ｂ内
部で起きる選択酸化反応は発熱反応であり、改質ガスに
空気を混合したガス中のＣＯ濃度が０.５％、Ｏ₂濃度が
１.５％の場合、反応を約１００℃付近で開始すると反
応温度が約２００℃以上に達する。故に改質ガス室５１
ａへの導入直後に選択酸化反応器５１ｂを加熱する改質
ガス（曲線（ii））は、選択酸化反応器５１ｂの温度が
改質ガス室５１ａより高くなる流通ポイントＺより下流
において、逆に選択酸化反応器５１ｂ側から加熱される
こととなる。これにより選択酸化反応器５１ｂ側（曲線
（i））は反応温度の上昇を約２５０℃までに抑制され
るが、改質ガス室５１ａの改質ガスがガス排出口１０６
ａから送出されるときには、改質ガス室５１ａへの導入
時よりも高い温度（約２４０℃）に加熱される。

【００３３】この約２４０℃の改質ガスは、次に配管１
０６を通じて冷却器５２に送られ、選択酸化反応が穏や
かに開始できる程度の温度域（１００℃近く）まで冷却
される。冷却された改質ガスは空気供給管１１４から供
給される空気と混合され、配管１０７を経由して約１０
０℃のガスとして改質ガス導入口１０７ａから選択酸化
反応器５１ｂ内部に導入される。

【００３４】選択酸化反応器５１ｂの内部では前記の通
り、改質ガス導入口１０７ａ付近の選択酸化触媒５１１
が改質ガス室５１ａより適度に加熱されていることか
ら、空気と混合された改質ガス（曲線（i））が選択酸
化反応器５１ｂに導入されると選択酸化反応器５１ｂの
内部で徐々に温度が上昇し、選択酸化反応が穏やかに生
じる。これによって、従来のように高温の改質ガスが急
激に反応してさらに高温状態に移行することもなく、穏
やかに反応が進行される。また、選択酸化反応中の改質
ガスが温度上昇しても、適度に改質ガス室側へ熱移動が
生じるため反応温度が約２５０℃以内までに抑制される
こととなり、燃料電池システムとして有害な水素燃焼反
応の反応温度（約３００℃）まで温度上昇するのが回避
される。

【００３５】選択酸化反応器においてＣＯ除去処理され
た後の改質ガス（約２５０℃）は、配管１０８を経由し
て冷却器５３に送られ、ここで約８０℃まで冷却され
る。 （実施の形態２）本実施の形態における燃料電池システ
ムは、実施の形態１とほぼ同様の構成であるが、ＣＯ除
去装置９における２重円筒ユニット９１に主な特徴を有
している。図３は、ＣＯ除去装置９の主要構成図であ
る。

【００３６】当図が示すように２重円筒ユニット９１
は、円筒缶内部に選択酸化触媒９１１を充填した選択酸
化反応器９１ｂと、当該選択酸化反応器９１ｂの筒周面
を筒長さ方向に沿って２つの領域に分け、このうち選択
酸化反応器９１ｂの改質ガス導入口１０５ａが設けられ
た端面Ａ寄りの筒周面を被覆する改質ガス室９１ａと、
残りの選択酸化反応器９１ｂの筒周面をほぼ被覆する冷
却部９１ｃとの３要素からなる２重円筒構造を有する。
冷却部９１ｃは、中空円筒缶の内部に冷媒（水）が満た
されており、冷媒がポンプ（不図示）により冷却部９１
ｃと連結された配管１１７から冷却器９３に送られ、冷
却後に再び冷却部９１ｃに導入されるようになってい
る。

【００３７】このＣＯ除去装置９によれば、ＣＯ変成器
４から配管１０５を経由して送出される改質ガスは、ま
ず改質ガス導入口１０５ａより改質ガス室９１ａの内部
を流通し、ここで伝熱粒子９１０を介して反応器９１ｂ
内部の選択酸化触媒９１１を約１００℃程度に昇温させ
る。ここにおいて本実施の形態では、改質ガス室５１ａ
内に導入されたガスは選択酸化反応器５１ｂに対して昇
温のみ行い、したがって改質ガス排出口１１６ａから送
出されるときには改質ガス室９１ａ導入時よりも低温度
になっている。これにより、冷却器９２にガスを導入す
る前にガス温度を予め下げておくことができるので、冷
却処理がスムーズになされる。改質ガスは約１００℃近
くまで冷却された後、配管１１４から導入される空気と
混合されて配管１０７内を流通し、ガス導入口１０７ａ
から反応器９１ｂに導入されて選択酸化反応を生じる。

【００３８】冷却部９１ｃは、選択酸化反応が進行する
改質ガスの発生熱を適度に奪い、反応温度を約２５０℃
程度以下に制御する。本実施の形態では冷却方式が水冷
式になっているので、冷媒の循環速度を調節することに
より精密な反応温度の制御が行える。また冷却部９１ｃ
で強めの冷却制御を行うことにより、冷却器５３におけ
る冷却処理の負担が軽くなる。改質ガスは冷却部９１ｃ
で冷却された後、配管１０８内を経由して冷却器５３に
至り、約８０℃の水素リッチな改質ガスとして燃料電池
６へ送られる。

【００３９】また改質ガス室９１ａと冷却部９１ｃの２
重円筒ユニット９１における設置配分は、２重円筒ユニ
ットを作製する前に反応器９１ｂの筒長さ方向の温度分
布特性を予め調べておき、改質ガス室９１ａに導入され
る改質ガスが反応器９１ｂ側より加熱されないようにす
る必要がある。また、上記実施の形態ではＣＯ除去装置
に水冷式の冷却器を使用した例を示したが、本発明はこ
れに限定されるものではなく、ガス冷却方式や空冷方式
の冷却器（熱交換器）として一般に用いられているもの
であればよい。

【００４０】さらに、実施の形態２では水冷式の冷却部
９１ｃを装備する例を示したが、本発明はこれに限定さ
れず、空冷式の冷却フィンを多数装着して外気中に選択
酸化反応器５１ｂ内部の熱を放散させる等、他の公知の
冷却方式を採用してもよい。また、ＣＯ除去装置の冷却
によって選択酸化反応の熱を伝熱（熱交換）された冷媒
は、改質用の水蒸気を発生するための熱源に利用しても
よい。

【００４１】さらに反応器と改質ガス室について、これ
らを互いに組み合わせて２重円筒缶構造とする例を示し
たが、本発明はこの構造に限定されず、例えば反応器と
改質ガス室を分離して、改質ガス室で改質ガスの熱を空
気などの熱媒体に伝熱し、これによって反応器の改質ガ
ス導入口付近の選択酸化触媒を昇温するようにしてもよ
い。

【００４２】さらに、本発明では代表的な選択酸化触媒
とされるＰｔ/Ａｌ₂Ｏ₃系のほか、Ａｕ/Ｆｅ₂Ｏ₃/Ａｌ₂
Ｏ₃系の触媒、およびロジウム、パラジウム、ルテニウ
ム系の触媒をアルミナ、酸化チタン、酸化ケイ素等の担
持体に固定したものに対しても適用することが可能であ
る。しかしながら、これらの触媒は活性温度域が異なり
（例えばＰｔ/Ａｌ₂Ｏ₃系は約１００℃〜２５０℃、Ａ
ｕ/Ｆｅ₂Ｏ₃/Ａｌ₂Ｏ₃系は常温〜約１００℃の範囲）、
この活性温度域を上回ると水素燃焼反応およびメタン化
反応の発生する可能性が高まる。したがって本発明を各
種触媒について適用する場合には、それぞれの活性温度
域に応じて改質ガスと反応器の改質ガス導入口付近の温
度を冷却器にて適切にコントロールすることが必要とな
る。

【００４３】さらに、上記した実施の形態では２重円筒
ユニットを使用する例を示したが、本発明は円筒に限定
するものではなく、筒の断面が多角形のものを使用して
もよい。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は燃料電池
システムのＣＯ除去装置において、改質器または改質器
とＣＯ変成器にて生成した高温の改質ガスを冷却する冷
却器と、前記冷却器にて冷却した改質ガスに選択酸化触
媒の表面を曝露させ、改質ガス中のＣＯを選択酸化して
除去する選択酸化反応器と、前記選択酸化反応器と熱交
換可能に結合された改質ガス室と、前記冷却器に供給さ
れる高温の改質ガスを、前記改質ガス室に流通させた後
に冷却器へ導入するように配管路を接続することで、選
択酸化反応器のガス導入口付近の選択酸化触媒を加熱昇
温するとともに、選択酸化反応器に導入される改質ガス
を冷却することができ、選択酸化反応を効率よく開始し
ながら水素燃焼反応の発生を避けることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１にかかる固体高分子型燃
料電池システムの構成図である。

【図２】上記燃料電池システムに用いられているＣＯ除
去装置の構成を示す斜視図である。

【図３】実施の形態２にかかるＣＯ除去装置の構成図で
ある。

【図４】実施の形態１にかかるＣＯ除去装置の選択酸化
反応器（２重円筒ユニット）の温度分布図である。

【符号の説明】 ３ 改質装置 ４ ＣＯ変成器 ５ ＣＯ除去装置 ６ 燃料電池 ６ａ 空気極 ６ｂ 燃料極 ６ｃ 電解質 ３１ 改質器 ３２ バーナ ５１、９１ ２重円筒ユニット ５１ａ、９１ａ 改質ガス室 ５１ｂ、９１ｂ 選択酸化反応器 ９１ｃ 冷却部 ５２、５３、９２、９３ 冷却器 ５１０ 伝熱粒子 ５１１ 選択酸化触媒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西尾 晃治 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 改質器または改質器とＣＯ変成器にて生
   成した高温の改質ガスを冷却する冷却器と、 前記冷却器にて冷却した改質ガスに酸素もしくは少なく
   とも酸素を含むガスを混合し、混合ガスを選択酸化触媒
   の表面に曝露させ、改質ガス中のＣＯを選択酸化して除
   去する選択酸化反応器と、 前記選択酸化反応器と熱交換可能に結合された改質ガス
   室と、 前記冷却器に供給される高温の改質ガスを、前記改質ガ
   ス室に流通させた後に冷却器へ導入するよう配管接続さ
   れた配管路とを備えることを特徴とする燃料電池システ
   ムのＣＯ除去装置。
2. 【請求項２】 前記選択酸化反応器と改質ガス室は、選
   択酸化反応器が内筒内部、改質ガス室が前記内筒と外筒
   との間にそれぞれ設けられた２重筒体をなし、筒体の軸
   方向にガスを流通させながら内筒を介して熱交換するこ
   とを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムのＣＯ
   除去装置。
3. 【請求項３】 前記選択酸化反応器と改質ガス室の筒長
   が略同一であり、選択酸化反応器及び改質ガス室のガス
   流通方向が同じであることを特徴とする請求項２記載の
   燃料電池システムのＣＯ除去装置。
4. 【請求項４】 選択酸化反応器の筒長さよりも短い改質
   ガス室が、選択酸化反応器のガス入口側に設けられてい
   ることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システムの
   ＣＯ除去装置。
5. 【請求項５】 前記選択酸化反応器のガス出口寄りであ
   って前記改質ガス室が設けられていない領域に、選択酸
   化反応器と熱交換可能な反応器冷却装置が外挿されてい
   ることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システムの
   ＣＯ除去装置。
6. 【請求項６】 改質器または改質器とＣＯ変成器にて生
   成した高温の改質ガスを基準温度まで冷却器にて冷却す
   る冷却ステップと、前記冷却器にて冷却した改質ガスに
   空気もしくは酸素を含むガスを混合する混合ステップ
   と、混合ガスを選択酸化反応器の内部で選択酸化触媒の
   表面に対して曝露させつつ流通させ、改質ガス中のＣＯ
   を選択酸化して除去する選択酸化ステップとを備える燃
   料電池システムのＣＯ除去装置の運転方法において、 前記冷却ステップの前に、前記選択酸化反応器と熱交換
   可能に結合された改質ガス室に高温の改質ガスを流通さ
   せる流通ステップを備えることを特徴とする燃料電池シ
   ステムのＣＯ除去装置の運転方法。