(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応器本体と、
前記反応器本体の内部に設けられ、酸化触媒が充填されて、一酸化炭素含有ガスが通過する第１の流路と、
前記反応器本体の内部に設けられ、酸化剤が通過する第２の流路と、
前記第１の流路と第２の流路とを仕切り、前記第２の流路を通過する酸化剤を、前記第１の流路を通過する一酸化炭素含有ガスに混合される酸化剤の量が前記一酸化炭素含有ガスの流れの下流側ほど減少するように、前記第１の流路に流入させる酸化剤噴出開口部を有する仕切板と、を備えた一酸化炭素除去装置。
【請求項２】
反応器本体と、
前記反応器本体の内部に設けられ、酸化触媒が充填されて、一酸化炭素含有ガスが通過する第１の流路と、
前記反応器本体の内部に設けられ、酸化剤が通過する第２の流路と、
前記第１の流路と第２の流路とを仕切り、前記第２の流路を通過する酸化剤が前記第１の流路に流入する酸化剤噴出開口部を有する仕切板と、を備え、
前記酸化剤噴出開口部の大きさが、一酸化炭素含有ガスの流れの下流側に向かって小さくされ、一酸化炭素含有ガスに混合される酸化剤の量が前記流れの下流側ほど減少する一酸化炭素除去装置。
【請求項３】
反応器本体と、
前記反応器本体の内部に設けられ、酸化触媒が充填されて、一酸化炭素含有ガスが通過する第１の流路と、
前記反応器本体の内部に設けられ、酸化剤が通過する第２の流路と、
前記第１の流路と第２の流路とを仕切り、前記第２の流路を通過する酸化剤が前記第１の流路に流入する酸化剤噴出開口部を有する仕切板と、を備え、
前記酸化剤噴出開口部の間隔が、一酸化炭素含有ガスの流れの下流側に向かって大きくされ、一酸化炭素含有ガスに混合される酸化剤の量が前記流れの下流側ほど減少する一酸化炭素除去装置
【請求項４】
前記第１の流路の一方の面に接するように冷媒が通過する第３の流路をさらに備えた請求項１〜３のいずれか一項記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項５】
前記酸化剤噴出開口部が孔である請求項１〜４のいずれか一項記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項６】
前記酸化剤噴出開口部がスリットである請求項１〜４のいずれか一項記載の一酸化炭素除去装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム等に用いられる一酸化炭素除去装置に関し、特に構造が簡素で小型の一酸化炭素除去装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料が有するエネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうちの陰極（燃料極）側に水素リッチガスを供給するとともに、他方の陽極（酸化剤極）側に空気などの酸素含有ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである。
【０００３】
【化１】
陰極反応：Ｈ２  →２Ｈ＋  ＋２ｅ−
陽極反応：２Ｈ＋  ＋２ｅ−  ＋（１／２）Ｏ２  →Ｈ２  Ｏ
起電燃料となる水素リッチガスを生成する装置として、メタノールを水蒸気改質して水素を多量に含む燃料ガスとする改質器が用いられ、酸素を含有する酸化剤ガスを生成する装置として、空気を取り入れて圧縮空気とする圧縮機が用いられる。そして、圧縮機からの圧縮空気をアフタークーラ等で冷却したのち燃料電池の陽極へ供給する一方で、燃料タンクから改質器へメタノールガスを送り、当該改質器にて改質された水素リッチガスを燃料電池の陰極へ供給する。
【０００４】
こうした燃料電池システムは、二次電池による電気自動車に比べ、走行可能距離や燃料のインフラストラクチャの整備条件等の点で有利であることから、車両用駆動電源への採用が検討されている。
【０００５】
ところで、改質反応により生成された改質ガスには、水素および二酸化炭素の他に、微量の未改質燃料ガスや一酸化炭素などの不純物が含まれている。このような未改質燃料ガスや一酸化炭素などの不純物を含んだガスをそのまま燃料電池へ供給すると、燃料電池の電極触媒として常用されている白金が被毒し、触媒活性が失われて電池性能が低下するといった問題がある。
【０００６】
そこで、生成された改質ガスを一酸化炭素除去装置に通すことで一酸化炭素濃度を低下させることが行われている。こうした一酸化炭素除去装置を燃料電池システムに設けることにより、電池性能の低下が防止されるとともに、改質ガス中の水素がより高純度化されるので、発電効率も向上する。
【０００７】
従来の一酸化炭素除去装置としては、特開平８−４７６２１号公報に開示されたものが知られている。この一酸化炭素除去装置では、一酸化炭素除去装置に酸化剤を導入する場合、反応器内で発生する発熱量を分散し、温度分布のばらつきを小さくするために反応器を直列に複数設置し、それぞれの反応器の入口部分において酸化剤を導入する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記一酸化炭素除去装置では、直列に複数設置した反応器の一酸化炭素含有ガスの流れ方向の上流に、酸化剤を該ガスに均一に混合させるための酸化剤混合部を設置する必要があったので、装置全体の容積が大きくなるという問題があった。
【０００９】
また、複数の反応器と酸化剤混合器を接合する必要があるので、装置の構成が複雑になるという問題があった。
【００１０】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、構造が簡素で小型の一酸化炭素除去装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、反応器本体と、反応器本体の内部に設けられ、酸化触媒が充填されて、一酸化炭素含有ガスが通過する第１の流路と、反応器本体の内部に設けられ、酸化剤が通過する第２の流路と、第１の流路と第２の流路とを仕切り、第２の流路を通過する酸化剤が第１の流路に流入する酸化剤噴出開口部を有する仕切板と、を備えた一酸化炭素除去装置が提供される。
【００１２】
この発明によれば、ごく小さい容積の酸化剤流路によって酸化剤を一酸化炭素含有ガスに混合できるので、酸化剤混合部を設置するよりも一酸化炭素除去装置の容積を小さくすることができる。また、複数の反応器と酸化剤混合部とを一体化できるので、一酸化炭素除去装置の構成を簡素化し製造工程を少なくできる。
【００１３】
上記発明においては特に限定されないが、一酸化炭素除去装置は、第１の流路の一方の面に接するように冷媒が通過する第３の流路をさらに備える。
【００１４】
この発明によれば、冷媒により反応熱を除去する一酸化炭素除去装置においても、ごく小さい容積の酸化剤流路によって酸化剤を一酸化炭素含有ガスに混合できるので、酸化剤混合部を設置するよりも一酸化炭素除去装置の容積を小さくすることができる。また、複数の反応器と酸化剤混合部とを一体化できるので、一酸化炭素除去装置の構成を簡素化し製造工程を少なくできる。
【００１５】
上記発明においては特に限定されないが、本発明の一酸化炭素除去装置は、第１の流路と第２の流路とを仕切り、第２の流路を通過する酸化剤を、第１の流路を通過する一酸化炭素含有ガスに混合される酸化剤の量が一酸化炭素含有ガスの流れの下流側ほど減少するように、第１の流路に流入させる酸化剤噴出開口部を有する仕切板を備えることが好ましい。
また、特に限定されないが、本発明の一酸化炭素除去装置は、酸化剤噴出開口部の大きさが、一酸化炭素含有ガスの流れの下流側に向かって小さくされ、一酸化炭素含有ガスに混合される酸化剤の量が下流側ほど減少させることが好ましい。
【００１６】
また、本発明の一酸化炭素除去装置は、酸化剤噴出開口部の間隔が、一酸化炭素含有ガスの流れの下流側に向かって大きくされ、一酸化炭素含有ガスに混合される酸化剤の量が流れの下流側ほど減少させることが好ましい。
【００１７】
これらの発明によれば、酸化剤混合部を設置するよりも一酸化炭素除去装置の容積を小さくしながら、同時に酸化反応による該ガス中の一酸化炭素量の減少に合わせて混合する酸化剤量が減少することにより、該ガス中に酸化剤が過剰に存在したり、逆に不足したりすることを抑制し、反応器の効率を高めることができる。これにより、一酸化炭素除去装置の容積をさらに小さくすることができる。
【００１８】
なお、上記発明において前記酸化剤噴出開口部の形状は特に限定されず、孔であってもスリットであっても良い。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、ごく小さい容積の酸化剤流路によって酸化剤を一酸化炭素含有ガスに混合できるので、酸化剤混合部を設置するよりも一酸化炭素除去装置の容積を小さくすることができる。また、複数の反応器と酸化剤混合部とを一体化できるので、一酸化炭素除去装置の構成を簡素化し製造工程を少なくできる。
【００２０】
これに加えて、本発明によれば、冷媒により反応熱を除去する一酸化炭素除去装置においても、ごく小さい容積の酸化剤流路によって酸化剤を一酸化炭素含有ガスに混合できるので、酸化剤混合部を設置するよりも一酸化炭素除去装置の容積を小さくすることができる。また、複数の反応器と酸化剤混合部とを一体化できるので、一酸化炭素除去装置の構成を簡素化し製造工程を少なくできる。
【００２１】
また、本発明によれば、酸化剤混合部を設置するよりも一酸化炭素除去装置の容積を小さくしながら、同時に酸化反応による該ガス中の一酸化炭素量の減少に合わせて混合する酸化剤量が減少することにより、該ガス中に酸化剤が過剰に存在したり、逆に不足したりすることを抑制し、反応器の効率を高めることができる。これにより、一酸化炭素除去装置の容積をさらに小さくすることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
まず最初に、図１０を参照しながら、本発明の一酸化炭素除去装置の応用例としての燃料電池システムを説明する。
【００２３】
図１０は本発明の一酸化炭素除去装置を適用した燃料電池システムの一例を示すブロック図であり、同図に示すように、燃料電池システム５０は、メタノールなどの炭化水素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器５１と、水素ガスおよび酸素ガスを燃料ガスとして発電する燃料電池５２と、改質ガスに含まれた一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置５３と、一酸化炭素除去装置５３および燃料電池５２に酸化剤である空気を供給するコンプレッサ５４とを有する。
【００２４】
改質器５１は、Ｃｕ−Ｚｎ系触媒やＣｕ−Ｃｒ系触媒などのメタノール改質触媒が収納された改質反応部５１１と、この改質反応部５１１におけるメタノール改質用触媒を適正温度に加熱するための加熱部５１２とを有する。そして、改質器５１は、改質反応部５１１に水蒸気とメタノールガスとの供給を受け、改質反応部５１１のメタノール改質用触媒による下記２段の改質反応を進行させて、例えば水素濃度が７５％前後の水素リッチな改質ガスを生成し、水蒸気とともにこの改質ガスを下流に送り出す。
【００２５】
【化２】
ＣＨ３ＯＨ→２Ｈ２＋ＣＯ
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２
この化学反応は、改質反応部５１１におけるメタノール改質用触媒が例えば２００〜３００℃の適正温度の環境下で進行する。このため、加熱部５１２に発熱エネルギー源としてメタノールと水素ガスとを供給して燃焼させ、その燃焼熱により改質反応部５１１を加熱する。なお、この水素ガスには燃料電池５２からの余剰水素ガスが用いられる。
【００２６】
上記改質反応式から明らかなように、改質器５１から送り出される改質ガスは、水素ガスと二酸化炭素ガスとでその大部分を占める混合ガスであるが、上記改質反応の中間生成物である一酸化炭素ガスも０．１〜５％前後含まれる。
【００２７】
一酸化炭素除去装置５３は、改質器５１からの改質ガスと、コンプレッサ５４からの空気の供給を受け、改質ガス中の一酸化炭素を酸化除去したのち、水素リッチとなった改質ガスを燃料電池５２に送り出す。なお、一酸化炭素除去装置５３の詳細な構成と一酸化炭素の酸化除去については後述する。
【００２８】
燃料電池５２は、水素イオンを選択的に透過する電解質膜５２１、例えば固体高分子電解質膜をアノード５２２とカソード５２３とで狭持し、アノード５２２に供給される水素ガスと、カソード５２３に供給される空気との電気化学反応により起電力を呈する。
【００２９】
【化３】
アノード反応：Ｈ２  →２Ｈ＋  ＋２ｅ−
カソード反応：２Ｈ＋  ＋２ｅ−  ＋（１／２）Ｏ２  →Ｈ２  Ｏ
上記アノード反応にて生成した水素イオンはＨ＋（ｘＨ２  Ｏ）の水和状態で電解質膜５２１を透過（拡散）し、この電解質膜５２１を透過した水素イオンはカソード５２３で上記カソード反応に供される。この結果として、燃料電池５２は起電力を呈し、モータ等の外部負荷に起電力を供給する。この場合、アノード５２２からは余剰の水素ガスが改質器５１の加熱部５１２に供給され、カソード５２３からは余剰の空気が大気に放出される。そして、加熱部５１２では、アノード５２２から供給された改質ガス中の未使用水素ガスをメタノールとともに燃焼させる。
【００３０】
次に本実施形態の一酸化炭素除去装置５３の詳細な構成を説明する。
図１は本発明の一酸化炭素除去装置５３の実施形態を示す断面図であり、同図に示すように、一酸化炭素除去装置５３は、反応器本体１と、改質器５１から供給される一酸化炭素含有ガスが通過する触媒充填流路２と、コンプレッサ５４から供給される空気などの酸化剤が通過する酸化剤流路３と、これら両流路２，３を隔てる仕切板４とを有する。
【００３１】
この仕切板４には、酸化剤流路３に供給された酸化剤を触媒充填流路２に導入するための酸化剤噴出孔９が複数設けられている。また、触媒充填流路２の内部に設けられたフィンの表面には、一酸化炭素を酸化するための触媒がコーティングされている。
【００３２】
なお、一酸化炭素含有ガスへの酸化剤の拡散性を向上させるためのフィン形状として、図２に示すようなオフセット型フィンや、図３に示すような多孔板型フィンを用いても良い。
【００３３】
改質器５１から供給される一酸化炭素含有ガスは、入口管路５を通過して触媒充填流路２に導入される。これに対して、コンプレッサ５４から供給される酸化剤（空気）は、導入配管７を通過して途中で分岐したのち、酸化剤流路３に導入される。酸化剤流路３の導入配管７に接続していない方の端部は、バー８により閉塞されているため、酸化剤流路３に導入された酸化剤は、酸化剤噴出孔９から触媒充填流路２に噴出する。
【００３４】
これにより、一酸化炭素含有ガスは、酸化剤を同伴しながら触媒充填流路２を流れ、該ガスと酸化剤とが混合される。そして、フィンの表面にコーティングされた触媒上では、一酸化炭素の酸化反応（ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２）が進行する。以上の工程により、目的とする濃度まで一酸化炭素が除去されたガスは、出口管路６を通じて燃料電池５２のアノード５２２へ排出される。
【００３５】
本実施形態の一酸化炭素除去装置５３では、酸化剤流路３はごく小さな容積で良いので、酸化剤流路３を設置したとしても一酸化炭素除去装置５３（実質的には反応器本体１）の容積増大にはあまり影響しない。したがって、一般的な一酸化炭素除去装置において設置されている、反応器本体の上流側の酸化剤混合部に相当する容積を縮小することができる。
【００３６】
また、反応器本体と酸化剤混合部とを一体化して製造できるため、複数の反応器本体と酸化剤混合部とを接合する従来の一酸化炭素除去装置よりも製造工程を少なくできる。
【００３７】
本発明の仕切板４は種々に改変することができる。図４乃至図７はそれぞれ本発明に係る仕切板の実施形態を示す正面図である。
【００３８】
一酸化炭素含有ガスに酸化剤が過剰に存在すると、副反応が活発になる。この副反応とは、例えばメタノール改質においては、水素の酸化反応（Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ）やメタノールの酸化反応（ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ）である。こうした副反応は大きな発熱をともなうので、触媒充填流路２の内部、特に一酸化炭素除去装置の反応器本体１の入口直後の部分の温度が上昇する。そして、この場所においては一酸化炭素を生成する副反応である逆シフト反応（ＣＯ２＋Ｈ２→ＣＯ＋Ｈ２Ｏ）が活発になるので、一酸化炭素除去装置の効率が低下する。
【００３９】
一方、一酸化炭素含有ガス中の酸化剤が不足すると、一酸化炭素の酸化反応が不完全となるため、該ガス中の一酸化炭素濃度を目的とする濃度まで低減することができない。
【００４０】
図４乃至図７に示す仕切板４の実施形態は、こうした酸化剤の過不足を防止するものである。
【００４１】
図４に示す仕切板４には、一酸化炭素含有ガスの流れの下流側に向かって径が小さくなるように酸化剤噴出孔９が設けられている。このため、該ガスの流れの下流側に向かって一酸化炭素量が減少するのにともない、該ガスに混合される酸化剤の量が減少する。これにより、該ガス中に酸化剤が過剰に存在したり、逆に不足したりすることがなくなり、一酸化炭素除去効率の低下の要因を抑制できるので、一酸化炭素除去装置の容積をさらに縮小することができる。
【００４２】
図５に示す仕切板４には、一酸化炭素含有ガスの流れの下流側に向かって密度が疎になるように酸化剤噴出孔９が設けられている。このため、該ガスに混合される酸化剤の量は、該ガスの流れの下流側に向かって少なくなる。これにより、図４に示す実施形態と同様に、一酸化炭素除去装置の反応器の効率が高まり、一酸化炭素除去装置の容積をさらに小さくすることができる。
【００４３】
図６に示す仕切板４には、一酸化炭素含有ガスの流れの下流側に向かって幅が小さくなるように酸化剤噴出スリット９ａが設けられている。このため、該ガスに混合される酸化剤の量は、該ガスの流れの下流側に向かって少なくなる。これにより、図４および図５に示す実施形態と同様に、一酸化炭素除去装置の反応器の効率が高まり、一酸化炭素除去装置の容積をさらに小さくすることができる。
【００４４】
さらに、図７に示す仕切板４には、一酸化炭素含有ガスの流れの下流側に向かって密度が疎となるように酸化剤噴出スリット９ａが設けられている。このため、該ガスに混合される酸化剤の量は、該ガスの流れの下流側に向かって少なくなる。これにより、図４乃至図６に示す実施形態と同様に、一酸化炭素除去装置の反応器の効率が高まり、一酸化炭素除去装置の容積をさらに小さくすることができる。
【００４５】
本発明の一酸化炭素除去装置はさらに改変することができる。図８は本発明の一酸化炭素除去装置の他の実施形態を示す断面図であり、この一酸化炭素除去装置５３は、反応器本体１０と、一酸化炭素含有ガスが通過する触媒充填流路１１と、酸化剤が通過する酸化剤流路１２と、冷媒が通過する冷媒流路１３と、触媒充填流路１１と酸化剤流路１２とを隔てる仕切板１４と、触媒充填流路１１と冷媒流路１３とを隔てる仕切板１６とを有する。
【００４６】
触媒充填流路１１と酸化剤流路１２とを隔てる仕切板１４には、酸化剤を触媒充填流路１３に導入するための酸化剤噴出孔１５が複数設けられている。この仕切板１４は、図４乃至図７に示す実施形態の仕切板を用いても良い。触媒充填流路１１の内部は、図１に示す実施形態と同様に、表面に一酸化炭素を酸化するための触媒がコーティングされたフィンが設けられている。
【００４７】
一酸化炭素含有ガスは、入口管路２２を通過して触媒充填流路１１に導入される。これに対して、酸化剤は、導入配管１８を通過して途中で分岐したのち、酸化剤流路１２に導入される。
【００４８】
酸化剤流路１２の導入配管１８に接続していない方の端部はバー２０により閉塞されているため、酸化剤流路１２に導入された酸化剤は、酸化剤噴出孔１５から触媒充填流路１１に噴出する。
【００４９】
これにより、一酸化炭素含有ガスは、酸化剤を同伴しながら触媒充填流路１１を流れ、該ガスと酸化剤が混合される。そして、触媒充填流路１１の内部に設置されたフィンの表面にコーティングされた触媒上では、一酸化炭素の酸化反応が進行し、目的とする濃度まで一酸化炭素が除去されたガスは、出口管路１７を通じて燃料電池５２へ排出される。
【００５０】
一方、冷媒は導入配管２１を通過して途中で分岐したのち、冷媒流路１３に導入される。ここで、冷媒は仕切板１６を介して触媒充填流路１１と接しているため、触媒充填流路１１を通過する一酸化炭素含有ガスと熱交換したのち、排出管１９から排出される。
【００５１】
なお、触媒充填流路１１の内部においては発熱反応が進行するため、温度分布にばらつきが生じる。例えばメタノール改質の場合、一酸化炭素の酸化反応の他に主としてメタノールや水素の酸化反応が起こるため大きな温度分布が生じ、触媒の最適温度領域から外れた高温の領域においては上述した副反応が活発になるため、反応器の効率が低下する。
【００５２】
しかしながら、本実施形態のように、冷媒で反応熱を除去することで、温度分布のばらつきが小さくなり、一酸化炭素除去装置の反応器の効率を高めることができる。この温度分布の改善結果を図９に示す。
【００５３】
なお、本実施形態において設けた酸化剤流路１２は、ごく小さな容積で良いので、酸化剤流路１２を設置することは一酸化炭素除去装置５３（実質的には反応器本体１０）の容積増大にはあまり影響しない。したがって、冷媒で反応熱を除去し反応器を高効率にできる一酸化炭素除去装置においても、一般的な一酸化炭素除去装置において設置されている、反応器本体の上流側の酸化剤混合部に相当する容積を縮小することができる。また、反応器本体と酸化剤混合部とを一体化して製造できるため、複数の反応器本体と酸化剤混合部とを接合する従来の一酸化炭素除去装置よりも製造工程を少なくできる。
【００５４】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一酸化炭素除去装置の実施形態を示す断面図である。
【図２】図１に示す一酸化炭素除去装置の触媒充填流路に用いられるオフセット型フィンを示す斜視図である。
【図３】図１に示す一酸化炭素除去装置の触媒充填流路に用いられる多孔板型フィンを示す斜視図である。
【図４】本発明の一酸化炭素除去装置に用いられる仕切板の変形例を示す正面図である。
【図５】本発明の一酸化炭素除去装置に用いられる仕切板の他の変形例を示す正面図である。
【図６】本発明の一酸化炭素除去装置に用いられる仕切板のさらに他の変形例を示す正面図である。
【図７】本発明の一酸化炭素除去装置に用いられる仕切板のさらに他の変形例を示す正面図である。
【図８】本発明の一酸化炭素除去装置の他の実施形態を示す断面図である。
【図９】図８に示す実施形態の温度分布を示すグラフである。
【図１０】本発明の一酸化炭素除去装置を適用した燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
５０…燃料電池システム
５１…改質器
５２…燃料電池
５３…一酸化炭素除去装置
１，１０…反応器本体
２，１１…触媒充填流路
３，１２…酸化剤流路
４，１４…仕切板
９，９ａ，１５…酸化剤噴出孔，酸化剤噴出スリット（酸化剤噴出開口部）
１３…冷媒流路
５４…コンプレッサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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