(57)【要約】【課題】触媒の過昇温を防ぐことができる燃料改質システム用触媒反応装置を提供する。【解決手段】発熱を伴い、水素リッチガス中のＣＯを低減する反応を生じる触媒層３と、水蒸気中の液体と気体とを分離する気液分離層２と、を備え、触媒層３と気液分離層２との間で熱交換が行われるように構成する。ここでは円柱形状のＣＯ低減装置１の内側層に気液分離層２、外側に触媒層３を構成する。気液分離層２内を水蒸気が下から上に向かって旋回して流れ、触媒層３内を水素リッチガスが下から上に向かって流れる。これにより、液体が多く含まれる水蒸気と、発熱量の大きな水素リッチガスとの間で熱交換を行う。【選択図】      図１
2004262721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスを用いて発熱を伴う触媒反応を生じる触媒層と、
流体中の液体と気体とを分離する気液分離層と、を備え、
前記触媒層と前記気液分離層との間で熱交換が行われるように構成することを特徴とする燃料電池システム用触媒反応装置。
【請求項２】
前記気液分離層内の液体が前記触媒層で生じた熱を吸収することにより、前記触媒層の冷却を行う請求項１に記載の燃料電池システム用触媒反応装置。
【請求項３】
前記気液分離層のうちで液体が比較的多く存在する部分と、前記触媒層のうちで発熱量の比較的多い部分とが熱交換を行うように構成する請求項１または２に記載の燃料電池システム用触媒反応装置。
【請求項４】
前記気液分離層と前記触媒層とを積層して構成する請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム用触媒反応装置。
【請求項５】
円筒形状の外側層と、その内側に隣接して形成した円筒または円柱形状の内側層とから構成し、
前記外側層または内側層のどちらか一方を前記触媒層とし、他方を前記気液分離層とする請求項４に記載の燃料電池システム用触媒反応装置。
【請求項６】
前記内側層を前記気液分離層とする請求項５に記載の燃料電池システム用触媒反応装置。
【請求項７】
前記気液分離層内の流体の流れを旋回流とする請求項６に記載の燃料電池システム用触媒反応装置。
【請求項８】
前記触媒層内の反応ガスの流れ方向と、前記気液分離層内の流体の流れ方向と、を概略同一方向とする請求項５から請求項７のいずれか一つに記載の燃料電池システム用触媒反応装置。
【請求項９】
前記触媒層内の反応ガスの流れ方向と、前記気液分離層内の流体の流れ方向と、を概略鉛直方向下方より上方へ流れる略同一方向とする請求項８に記載の燃料電池システム用触媒反応装置。
【請求項１０】
前記気液分離層内に流体の流れに対峙するオフセットフィンを構成する請求項４に記載の燃料電池システム用触媒反応装置。
【請求項１１】
反応ガスが、前記触媒層内を概略鉛直方向下方より上方に流れるとともに、
流体が、前記気液分離層内を該反応ガスの流れ方向に対して概略直交する方向に流れるように構成する請求項１０に記載の燃料電池システム用触媒反応装置。
【請求項１２】
前記触媒層内を反応ガスが蛇行して流れる請求項１０または１１に記載の燃料電池システム用触媒反応装置。
【請求項１３】
前記触媒層に備える触媒として、ＣＯ選択酸化触媒を用いる請求項１から１２のいずれか一つに記載の燃料電池システム用触媒反応装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池システム用触媒反応装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料改質システムには、改質反応装置で生成した水素を主成分とする水素リッチガスから一酸化炭素を選択的に除去する一酸化炭素低減触媒反応装置（以下、ＣＯ低減装置）が用いられている。このようなＣＯ低減装置として、水素を主成分とする水素リッチガス入口側の触媒層セルの触媒濃度を低く、水素リッチガス出口側の触媒層セルの触媒濃度を高くして、水素リッチガスの流れに沿って触媒濃度に傾斜を付けたものが知られている。このようなＣＯ低減装置は、水素リッチガスの上流側における反応を抑制して触媒の温度を均一化することができるので、小さな触媒体積で効率良く一酸化炭素を低減することができる（例えば、特許文献１、参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−４８８４６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとしている問題点】
従来の技術においては、ＣＯ低減装置内部で酸素濃度が高い入口部分の温度上昇を避けるため、入口部と出口部での触媒充填密度または触媒担持量に傾斜をつけている。しかしながら、多様な負荷変動に対して最適となる充填密度や担持量の設定は実質的には困難であり、十分に触媒の過昇温を防ぐことができるとは言い難い。
【０００５】
そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、触媒の過昇温を防ぐことができる燃料電池システム用触媒反応装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】
反応ガスを用いて発熱を伴う触媒反応を生じる触媒層と、流体中の液体と気体とを分離する気液分離層と、を備え、前記触媒層と前記気液分離層との間で熱交換が行われるように構成する。
【０００７】
【作用及び効果】
気液分離層と触媒層との間で熱交換が行われるように構成することにより、気液分離層内を流通する流体が熱を吸収して触媒層の過昇温を防ぐことができる。その結果、触媒層の温度が反応に適した温度に抑制され易くなるので、触媒反応装置の反応効率を向上することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１を用いて、第１の実施形態に係る燃料電池システム用の触媒反応装置について説明する。ここでは、燃料改質システムにおいて、図１に示すような構成のＣＯ低減装置１として用いている。
【０００９】
ＣＯ低減装置１として、例えばＣＯの選択酸化触媒を有する一酸化炭素除去装置を用い、反応ガス中のＣＯ濃度を選択酸化反応により低減する。なお、ここでは反応ガスとして図示しない改質反応器で生成した水素リッチガスを用いている。つまり、ここでは、触媒反応装置は、図示しない燃料電池の劣化を防ぐために、燃料電池の燃料ガスとして生成された水素リッチガス中のＣＯ濃度を低減するＣＯ低減装置１として用いられている。
【００１０】
ＣＯ低減装置１を略円柱形状に構成する。この円柱構造は、液体および蒸気を含む流体中の液体を分離する気液分離層２と、水素リッチガス中のＣＯの選択酸化反応を生じる触媒層３とを、半径方向に積層することにより構成する。
【００１１】
なお、このＣＯの選択酸化反応を行うために、水素リッチガスに予め酸化剤、例えば空気等を混入しておく必要がある。また、ＣＯの選択酸化反応は、発熱を伴う触媒反応であり、この反応を効率良く行うためには、触媒層３を適温に維持する必要がある。したがって、熱交換手段等により、触媒層にて発生した熱を放熱することで触媒温度を適温に維持する。
【００１２】
供給部２ａから流入する水蒸気は、図示しない蒸発器等で生成した水蒸気を用いる。本実施形態では、供給部２ａから流入する水蒸気は気体状態と液体状態の混合状態とし、少なくとも液体状態の水を含む流体とする。つまり、気液分離層２は、改質反応に用いる水蒸気中に含まれる液体状態の水を取り除くための層として用いている。
【００１３】
図１では、ＣＯ低減装置１は、気液分離層２と触媒層３の二重円構造により構成し、円柱形状の気液分離層２と、その半径方向外側に隣接する円筒形状の触媒層３とから構成する。ＣＯ低減装置１を設置する際には、円柱形状の軸が鉛直方向に平行となるよう配置する。
【００１４】
触媒層３の下方部分に水素リッチガスの供給部３ａを構成し、触媒層３の上方端部に水素リッチガスの排出部３ｂを構成する。供給部３ａは、水素リッチガスが円筒形状の触媒層３の軸に向かって供給するように構成されている。触媒層３に充填、または担持するＣＯ低減触媒としては、例えば選択酸化触媒であるＰｔ−Ｒｕ／Ａｌ２Ｏ３を用いる。
【００１５】
改質反応により生成された水素リッチガスには、ＣＯ低減装置１に供給される前に、図示しない酸化剤導入部より酸化剤、例えば空気が導入される。空気を混入された水素リッチガスは、触媒層３の下方部分に形成した供給部３ａから中心軸に向かって供給される。このとき、触媒層３の中心軸近傍には気液分離層２が配置されているので、供給部３ａから供給された水素リッチガスは、気液分離層２の周りを円周方向に拡散する。水素リッチガスは触媒層３内を円周方向に広がりながら下から上に向かって流れる。水素リッチガスが触媒層３を流通する際に、空気中の酸素を用いて発熱を伴うＣＯの選択酸化反応（２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２）が生じて水素リッチガス中のＣＯ濃度が低減される。
【００１６】
一方、気液分離層２には、改質反応に用いる水蒸気を供給して水蒸気中の液体を分離する。気液分離層２の下方部分に水蒸気の供給部２ａを構成する。また、気液分離層２の最上端部に分離した気体を回収する気体回収部２ｂを構成する。さらに、気液分離層２の最下端部に分離した液体を回収する液体ドレン部２ｃを構成する。
【００１７】
供給部２ａは、水蒸気が気液分離層２の外郭、つまり、気液分離層２と触媒層３との隔壁となっている円筒の内壁面２ｄに沿って供給されるように構成するのが好ましい。ここでは供給部２ａを、水蒸気が気液分離層２の円筒の内壁面２ｄに沿うながれとなるように円筒断面に平行、つまり水平方向に供給されるように構成している。供給された水蒸気は、水素リッチガスからの熱を受けて、気化あるいは熱膨張しながら、気液分離層２の内壁面２ｄを円周方向に沿って下から上に向かって流れる。つまり、気液分離層２内の流体の流れは、下から上に向かう旋回流となる。この旋回による遠心力で、水蒸気中のミストや小滴は気液分離層２の内壁面２ｄに衝突して液滴の状態となり、重力により最下端部に形成した液体ドレン部２ｃに沈降する。液体ドレン部２ｃに回収された液体は外部に排出される。このように、ミストや小滴が分離された流体は、気体回収部２ｂから回収され、図示しない改質触媒における改質反応に用いられる。
【００１８】
なお、供給部２ａは円筒の内壁２ｄに沿いつつ、鉛直下方からやや上方に向けて供給するように構成することで、より上昇旋回流を強めることも可能である。
【００１９】
このようにＣＯ低減装置１を構成することにより、ＣＯ低減装置１内の熱伝導は以下のようになる。
【００２０】
ＣＯ低減装置１に供給された水素リッチガスは、空気中の酸素を用いてＣＯの選択酸化反応を生じる。水素リッチガスに混入された酸素の濃度は、触媒層３の供給部３ａ付近で最も高くなるので、供給部３ａ近傍でＣＯ低減反応が最も生じやすくなる。これに伴って、供給部３ａ近傍で大きな熱が生じる。本実施形態では、触媒層３の下方部分における発熱量が大きくなる。
【００２１】
これに対して気液分離層２内では、気体状態の水と比較して重量の大きいミストや小滴は、気液分離層２の下方部分に存在し易い傾向がある。このミストや小滴は、気化する際に顕熱として触媒層３で生じた熱を吸収するので、触媒層３の温度が過剰に高くなるのを抑制することができる。また、この下方部分に集中したミストや小滴は、旋回流により生じた遠心力により気液分離部２の中心軸から外れた部分、つまり触媒層３側に存在する。そのため、触媒層３からの熱を吸収しやすく、触媒層３の冷却を促進することができる。
【００２２】
また、気液分離層２の内壁面２ｄにミストや小滴が衝突することにより液滴が生じる。これは特にミストや小滴が集中する下方部分で多く存在する。この液滴は、気液分離層２の内壁面２ｄを介して伝わる触媒層３で生じた反応熱を吸収して温度上昇または気化される。この気液分離層２の内壁面２ｄに付着する液滴によって、触媒層３の温度上昇が抑制される。ここでは特に、水蒸気が下から上に向かって流れるように構成したので、この液滴が重力により内壁面２ｄを伝って液体ドレン部２ｃに回収される速度を遅くすることができる。これにより、液滴による触媒層３の冷却を効率良く行うことができ、触媒の過昇温をさらに抑制することができる。
【００２３】
触媒層３では、水素リッチガス流の上流側の方が下流側よりＣＯ低減反応がより多く生じ、生成される熱も大きくなる。また、隣接して流れる水蒸気中の液体状態の水は触媒層３で生じる反応熱により気化されるので、水蒸気流の上流側では下流側より多くの液体状態の水が存在することが好ましい。つまり、水蒸気流の上流側の方が下流側より熱吸収効率が高くなる。よって、液体状態の水を多く含む水蒸気流の上流側と、発熱量の多い水素リッチガス流の上流側を隣接して構成し、水蒸気の流れ方向と、水素リッチガスの流れ方向を同一方向にすることで、触媒層３の温度を均一化することができる。
【００２４】
このようなＣＯ低減装置１内の温度分布を図２、図３に示す。図２には、気液分離層２の温度分布を、図３には触媒層３の温度分布を示す。なお、比較例として、水蒸気の替わりに、水素リッチガスの流通方向と反対に冷媒を流した場合の温度分布を点線で示す。
【００２５】
比較例においては、下方部分で発熱量が増大するので冷媒温度が上昇して、熱吸収効率が小さくなってしまう。そのため触媒温度に大きな勾配が生じ、下方部分で過昇温を生じる可能性がある。
【００２６】
これに対して本実施形態においては、触媒層３の下方部分でＣＯ低減の反応率が高く発熱量が大きくなっても、気液分離層２の下方部分における水蒸気の熱吸収効率が高いので、触媒層３が局所的に高温となるのを防ぐことができる。さらに、水蒸気中のミストの流れは旋回流であるので、気液分離層２の中心部分よりも円周方向にミストが集中しやすく、外周部に隣接した触媒層３の熱を吸収しやすい。
【００２７】
なお、気液分離層２上方部分では下方部分よりも次第に水蒸気の熱吸収効率が低下する。これに対して、触媒層３では下方部分から上方部分にかけて反応率が低下するので、反応による温度上昇は少なく、気液分離層２の上方部分の熱吸収効率でも十分に対応することができる。
【００２８】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００２９】
水素リッチガスを用いて発熱を伴う触媒反応を生じる触媒層３と、水蒸気中の液体と気体とを分離する気液分離層２と、を備え、触媒層３と気液分離層２との間で熱交換が行われるように構成する。気液分離層２と触媒層３との間で熱交換が行われるように構成することにより、触媒層３内にホットスポットが出現するのを抑制することができ、効率的に触媒反応を生じることができる。また、燃料改質システムの負荷に応じて気液分離層２を流れる水蒸気量を変化させることで水または水蒸気による熱吸収効率を変化させることができるので、負荷の大きさに係わらず触媒層３でホットスポットが生じるのを抑制することができる。例えば負荷の大きい場合には触媒層３に供給される水素リッチガスの流量が大きく、また触媒層３における発熱量も大きくなる。これに対して、気液分離層２を流通する水蒸気流量も大きくするので、水蒸気中の液体流量も大きくなる。その結果、触媒層３の供給部３ａ近傍における熱吸収がさらに促進して、局所的に触媒層３の温度が上昇するのを防ぐことができる。これにより、燃料改質システムの要求負荷が変化した場合にも、その負荷に応じて熱吸収効率が変化するので、触媒層３に過剰に温度上昇した部分を生じるのを抑制することができる。さらに、気液分離器と熱交換器を一体化して構成することができるので、燃料改質システムをコンパクト化することができる。
【００３０】
また、気液分離層２内の液体が触媒層３で生じた熱を吸収することにより、触媒層３の冷却を行う。液体が気化する際に、触媒層３の熱を顕熱として吸収するので、触媒層３の冷却を効率良く行うことができる。その結果、触媒層３の温度上昇を抑制してホットスポットの出現を防ぐことができる。また、このとき、改質反応に用いる水蒸気を気液分離層２に流通させるので、触媒層３で生じた熱を水蒸気生成に利用することができ、システムの熱効率を向上することができる。
【００３１】
また、気液分離層２で液体が比較的多く存在する部分と、触媒層３における発熱量の比較的多い部分とが熱交換を行うように構成する。これにより、発熱量の大きい部分から多くの熱を除去することができるので、触媒層３の温度を均一化して、より的確にホットスポットの出現を抑制することができる。
【００３２】
気液分離層２と触媒層３とを積層して構成する。気液分離層２と触媒層３の構造を単純な積層構造とすることで、比較的容易に熱交換可能に構成することができる。
【００３３】
円筒形状の外側層と、その内側に隣接して形成した円筒または円柱形状の内側層とから構成し、外側層または内側層のどちらか一方を触媒層３とし、他方を気液分離層２とする。このように、半径方向に二層が積層した構成としたので、各層を流れる水素リッチガスおよび水蒸気の圧損を抑制しつつ、容易に形成することができ、例えば燃料電池車等の移動体に搭載した場合など、配管形状と同様の形状とすることができるのでレイアウトが容易にできる。
【００３４】
内側層を気液分離層２とする。これにより、気液分離した水蒸気に含まれる液体が気液分離層２の内壁面２ｄに付着する。この内壁面２ｄを構成する壁は触媒層３に隣接するので、触媒層３からの熱の吸収を促進して、ホットスポットを抑制することができる。
【００３５】
気液分離層２内の水蒸気の流れを旋回流とする。これにより、気液分離した水蒸気に含まれる液体状態の水が、内壁面２ｄにより付着し易くなるので、熱交換効率を向上することができる。
【００３６】
触媒層３内の水素リッチガスの流れ方向と、気液分離層２内の水蒸気の流れ方向と、を概略同一方向とする。これにより、発熱量の大きい水素リッチガス流の上流側と、液体を多く含む水蒸気流の上流側との間で熱交換が可能となるので、触媒層３の温度を均一化することができる。これにより、触媒層３におけるＣＯの低減効率を向上することができる。
【００３７】
触媒層３内の水素リッチガスの流れ方向と、気液分離層２内の水蒸気の流れ方向と、を概略鉛直方向下方より上方へ流れる略同一方向とする。これにより、鉛直上方への水蒸気の流れにより、液滴が鉛直下方に落ちがちとなるのを抑制することができる。その結果、液滴が熱交換な位置に留まる時間を長くすることができるので、より熱交換効率を向上することができる。
【００３８】
触媒層３に備える触媒として、ＣＯの選択酸化触媒を用いる。これにより、本実施形態を、反応に伴う発熱量の大きな一酸化炭素除去装置に用いることができる。つまり、一酸化炭素除去装置の温度調整を行って反応効率を向上することができるとともに、一酸化炭素除去装置で生じた熱を水蒸気の生成に利用することができる。
【００３９】
なお、本実施形態では、気液分離層２を円柱形状に構成したが、円筒形状に構成してもよい。これにより、水蒸気の旋回流を維持し易くなるので、上述したような効果を確実に維持することができる。また、複数の気液分離層２と触媒層３とを半径方向に交互に積層することもできる。この場合には、最外層を気液分離層２として触媒層３の熱交換効率を均一化するのが好ましい。このように複数の気液分離層２と触媒層３を積層することにより、熱交換効率をさらに向上することができ、またＣＯ低減装置１の形状に自由度を与えることができる。
【００４０】
また、触媒層３と気液分離層２との間を隔てる隔壁を、他の部分に比較して熱伝導率の高い部材で構成してもよい。これにより、触媒層３と水蒸気との間で熱交換効率を向上することができるので、触媒層３が局所的に過昇温となるのをさらに抑制することができる。
【００４１】
次に、第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４２】
ＣＯ低減装置４の概略構成を、第１の実施形態に用いたＣＯ低減装置１と同様とする。ただし、気液分離層５を図４に示すように構成する。
【００４３】
気液分離層５に水蒸気の流れに衝突する平板７を備える。ここでは、平板７をメッシュ形状に構成する。平板７を円柱形状の気液分離層５の断面形状よりやや小さい円板形状に構成し、気液分離層５の断面に平行に配置する。つまり、平板７によって気液分離層５を流れる水蒸気の流れが妨げられるように配置する。平板７を複数枚、ここでは三枚備える。それぞれの平板７を気液分離層５の軸に沿って等間隔に配置する。なお、平板７の設置位置は、水蒸気中の液体が発熱量の大きい下方部分に集中するように構成すればよい。例えば、下方に偏って配置してもよい。
【００４４】
このように構成することで、気液分離層５内で、下から上に流れる水蒸気が平板７に衝突する。つまり、平板７は、水蒸気の流れの抵抗部分となる。この平板７に水蒸気を衝突させることで、水蒸気中のミストや小滴が平板７に付着して、気液分離が行われる。平板７に付着したミストや小滴が成長し、やがて液滴として落下して液体ドレン部５ｃに回収される。
【００４５】
このように平板７により、水蒸気中の液体が気液分離層５内の上方に流れるのを抑制し、気液分離層５の下方部分に多くの液体を集中させる。また、第１の実施形態と同様に、水素リッチガスの供給部６ａを下方部分に設ける。これにより、発熱量の大きい供給部６ａ近傍に隣接して流れる水蒸気の熱吸収効率を高く維持することができる。その結果、発熱量の大きい下方部分の触媒層６の温度が過度に上昇するのを防ぐことができる。なお、本実施形態の場合には平板７に衝突した後の水蒸気の流れは、旋回流とは限らない。
【００４６】
以下、本実施形態の効果を説明する。ここでは、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００４７】
気液分離層５内に、水蒸気の流れを妨げる抵抗部分を構成する。特に、気液分離層５内で水蒸気中の液体が、触媒層６での発熱量の比較的多い部分、すなわち本実施形態では下方部分に留まるように抵抗部分を構成する。ここでは、メッシュ形状の平板７を水蒸気の流れの断面に設置する。これにより、供給部５ａから気液分離層５に水蒸気を流すと、水蒸気中の液体は平板７に衝突して、さらに重力の作用により気液分離層５の下方に落下する。その結果、気液分離層５ではミストや小滴および液滴を積極的に下方に集中させることができる。従って、第１の実施形態の効果と同様に、触媒層６の下方部分で反応率が上昇して発熱量が大きくなっても、気液分離層５の下方に落下する水が冷却作用をもたらし、触媒層６に局所的な高温部分が生じるのを抑制することができる。
【００４８】
次に、第３の実施形態について説明する。ここで用いるＣＯ低減装置８の構成を図５に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４９】
ここでは、触媒層１０を円柱形状に構成し、その外側に隣接して円筒形状の気液分離層９を構成する。触媒層１０には、下方部分に水素リッチガスの供給部１０ａを、最上端部に排出部１０ｂを備える。また、気液分離層９には、下方部分に水蒸気の供給部９ａを、最上端部に気体回収部９ｂを、最下端部に液体ドレン部９ｃを備える。
【００５０】
供給部１０ａから触媒層１０に供給された水素リッチガスは、ＣＯ低減装置８内を下から上に向かって流れる。触媒層１０を流れる際に発熱を伴うＣＯの選択酸化反応を生じることにより、水素リッチガス中のＣＯ濃度を低減する。このとき、触媒層１０の供給部１０ａ近傍において選択酸化反応が多く生じるので、触媒層１０の下方部分における発熱量が大きくなる。
【００５１】
これに対して、供給部９ａから供給された水蒸気は、円筒形状の気液分離層９内を円周方向に沿って下から上に流れる旋回流となる。ここでは、供給部９ａから供給される水蒸気は、気液分離層９の外郭を構成する円筒の内壁面９ｄに沿って流れるように供給される。水蒸気中のミストや小滴は旋回による遠心力で、気液分離層９の内壁面９ｄに衝突する。内壁面９ｄに衝突して液滴の状態となった液体は、内壁面９ｄを伝って液体ドレン部９ｃに回収される。これにより、水蒸気中の液体を分離する。
【００５２】
このとき、水蒸気中のミストや小滴は、気体部分に比べて重量が大きいので、旋回流の下方部分に集中する傾向がある。この液体を多く含んだ下方部分の水蒸気は、液体が気化する際に消費される顕熱として触媒層１０で生じた熱を吸収することができるので、触媒層１０と気液分離層９との間の熱交換効率を高く維持することができる。発熱量が大きい触媒層１０の下方部分と液体を多く含んだ水蒸気との間で熱交換を行うことで、触媒層１０の過剰な温度上昇を抑制することができる。また、水蒸気と水素リッチガスの流れ方向を略同一とすることで、発熱量と熱吸収効率のバランスをとることができ、触媒層１０の温度を均一化することができる。
【００５３】
なお、このときの気液分離層９および触媒層１０内の温度分布は、第１の実施形態において図２、３に示した分布と同様の傾向を示す。
【００５４】
次に、本実施形態の効果について説明する。ここでは、第１の実施形態の効果と異なる効果のみを説明する。
【００５５】
内側の層を触媒層１０とし、外側の層を気液分離層９とする。これにより、気液分離層９を円筒形状に構成するので、水蒸気の旋回流が維持されて気液分離を行うことができる。また、触媒層３内に水素リッチガスを均一に供給しやすくなるので、触媒層３の断面における温度勾配を小さくすることができる。
【００５６】
なお、本実施形態では、気液分離層９と触媒層１０とを一層のみから構成したが、複数の層から構成することもできる。
【００５７】
次に、第４の実施形態について説明する。以下、第３の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５８】
ＣＯ低減装置１１の概略構成を、第３の実施形態に用いたＣＯ低減装置８と同様とする。ただし、気液分離層１２の構成を図６に示す。
【００５９】
気液分離層１２に、第２の実施形態と同様にメッシュ形状の平板１４を備える。ここでは、平板１４を気液分離層１２の断面である円環形状よりやや小さくなるように構成する。このような円環形状の平板１４を、気液分離層１２の中心軸に沿って複数配置する。ここでは二つの平板１４を備える。なお、平板１４は、水蒸気中の液体が発熱量の大きい下方部分に集中するように配置すればよい。例えば、平板１４を下方に偏って配置してもよい。
【００６０】
気液分離層１２をこのように構成することで、第２の実施形態と同様に水蒸気中の液体が気液分離層１２の下方部分に集中する。その結果、触媒層１３における発熱量の大きい下方部分の熱吸収効率を向上することができるので、触媒層１３が局所的に過昇温となるのを抑制することができる。その結果、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６１】
次に、第５の実施形態について説明する。ここで用いるＣＯ低減装置１５の概略構成を図７に示す。
【００６２】
ここでは、気液分離層１６、触媒層１７を略板形状に構成する。気液分離層１６と触媒層１７を積層することによりＣＯ低減装置１５を構成する。触媒層１７が気液分離層１６により狭持されるように構成する。ここでは、一つの触媒層１７に対して二つの気液分離層１６を用いたが、複数の触媒層１７と気液分離層１６とを交互に積層することにより構成してもよい。このとき、触媒層１７の両面に気液分離層１６が配置されるように構成することで、触媒層１７内の温度を均一化することができる。なお、ＣＯ低減装置１５を配置する際には、気液分離層１６と触媒層１７の積層方向が水平方向となるように配置する。
【００６３】
略板形状の気液分離層１６内に水蒸気を流通させる。ここでは、気液分離層１６内に水蒸気を水平方向に流通させる。そのため、水平方向一端には、複数の気液分離層１６に水蒸気を分配する供給マニホールド１８を備える。供給マニホールド１８から供給された水蒸気は、気液分離層１６を構成する略板形状の鉛直方向に拡散してから、気液分離層１６に供給される。後述するような気液分離層１６内で、水蒸気中の液体が分離されたら、液体は図示しない液体ドレン部から外部に回収される。一方、分離された気体は、供給マニホールド１８と反対側の端部に備えた排出マニホールド１９を介して回収される。
【００６４】
一方、触媒層１７には、水素リッチガスを流通させる。ここでは水素リッチガスが略板形状の触媒層１７内を下から上に向かって流れるように構成する。つまり、供給部（１７ａ）を下方端に、排出部を上方端に構成する。これにより、触媒層１７を流れる水素リッチガスと、気液分離層１６を流れる水蒸気とは略直交して流れる。水素リッチガスが触媒層１７を流れる際に、発熱を伴うＣＯの選択酸化反応が生じて水素リッチガス中のＣＯ濃度が低減される。
【００６５】
ここでは、触媒層１７を一層としたが、複数層とすることもできる。このような場合には、気液分離層１６と同様に、供給マニホールドと排出マニホールドを備え、水蒸気を各層に分配可能な構成にする。また、触媒層１７を複数層とする際には、各触媒層１７の両面に隣接して気液分離層１６が配置されるように構成して、触媒層１７の温度を均一化することが好ましい。
【００６６】
次に、気液分離層１６内の構成を図８を用いて説明する。
【００６７】
気液分離層１６内には、オフセットフィン２０を備える。ここでは、一定のピッチを持った複数層からなるオフセットフィン２０を備える。オフセットフィン２０は、フィンの並び方向と水蒸気の流通方向が概略直交するように構成する。ここでは、水蒸気が水平方向に流れるように供給マニホールド１８、排出マニホールド１９を構成しているので、オフセットフィン２０は、略板形状の気液分離層１６内で鉛直方向に並ぶように構成される。
【００６８】
つまり、供給マニホールド１８から供給され、鉛直方向に拡散した水蒸気は、オフセットフィン２０により、上下方向に蛇行しながら水平方向に流れる。このとき、水蒸気がオフセットフィン２０に衝突して、水蒸気中の小滴やミストが付着する。このように付着した小滴やミストが成長し、やがて液滴となり、さらに重力作用により気液分離層１６の下方に落下する、その結果、水蒸気中の液体は気液分離絵王１６の下方に集中する。このとき、オフセットフィン２０は一定のピッチを持った複数のフィンから構成されるので、上方部分から落下した水分は階段状に落下して、下方部分に備えたフィンに付着する。そのため、液滴となった水が、気液分離層１６の下方部分に集中するとともに、熱交換可能な部分に滞留する時間を長くすることができる。
【００６９】
その結果、気液分離層１６における水分分布は図１０に示すようになる。水蒸気の供給側および下方部分において、水蒸気中に多くの液体状態の水を含む。反対に、水蒸気の排出側の特に上方部分では水蒸気中に液体状態の水をあまり含まない。
【００７０】
一方、触媒層１７内の構成を図９を用いて説明する。
【００７１】
触媒層１７内では、下方から上方に向かって水素リッチガスを流通させる。ここでは、水素リッチガスの流通方向に伸びるフィン２１を備え、このフィン２１上に例えば触媒Ｐｔ−Ｒｕ／Ａｌ２Ｏ３を担持させる。または、触媒層１７を多孔質体等により構成し、これに選択酸化触媒を充填してもよい。
【００７２】
水素リッチガスが、フィン２１に沿って下方から上方に向かって流れる際に、水素リッチガス中のＣＯの選択酸化反応が生じる。水素リッチガス中の酸素濃度は、水素リッチガスの供給部１７ａ近傍で最も高くなる。ここでは、触媒層１７の下方部分で酸素濃度が高くなるので、ＣＯの選択酸化反応が生じやすくなる。そのため、触媒層１７の下方部分で発熱量が増大して過昇温となる可能性がある。
【００７３】
これに対して本実施形態では、気液分離層１６と触媒層１７との間で熱交換可能とすることで、触媒層１７の過昇温を防ぐことができる。ここでは、水蒸気の流れ方向と、水素リッチガスの流れ方向とを直交させる。水素リッチガスを下方から上方に向かって、水蒸気を水平方向に向かって流通させることにより、触媒層１７の発熱量の大きい部分と、気液分離層１６の液体が集中する部分とで熱交換を行うことができる。よって、気液分離層１６内の液体が気化する際に吸収する顕熱により、触媒層１７の温度上昇を抑制し、触媒層１７の温度を均一化することができる。
【００７４】
本実施形態の温度分布を図１１に示す。なお、比較例として、冷媒と水素リッチガスを水平方向に平行に流通させた従来の温度分布を点線で示す。
【００７５】
比較例においては、水素リッチガスの供給側で発熱量が大きくなり、触媒層１７の温度が過度に上昇する。その後、水素リッチガス中の酸素濃度が低下するに従って、選択酸化反応が生じ難くなり、水素リッチガス排出側にいくに従って、触媒層１７の温度は低下する。
【００７６】
これに対して、本実施形態では、触媒層１７を流れる水素リッチガスと気液分離層１６を流れる水蒸気との流れ方向が概略直交するように構成する。水蒸気中の液体は、気化する際の顕熱として触媒層１７で生じた熱を吸収する。また、水蒸気中から分離した液体は重力により下方に落下する。このとき、気液分離層１６内にオフセットフィン２０を構成することにより、気液分離層１６内で液体状の水が落下する速度を遅くする。さらに、水蒸気を水平方向に流通させることで、図１０に示すように、下方部分全体に液体状態の水が分布される。そこで、触媒層１７において発熱量の多い水素リッチガス供給部分を下方部分に構成することで、触媒層１７に局所的に過昇温となる部分が生じるのを抑制することができる。その結果、図１１の実線で示すように、触媒層１７の温度が均一化される。
【００７７】
このように、気液分離層１６内に水蒸気の流れに対峙するオフセットフィン２０を構成する。これにより、気液分離層１６内で気体と液体とを分離することができる。
【００７８】
また、触媒層１７内を水素リッチガスが、概略鉛直方向下方より上方に流れるとともに、気液分離層１７内を水蒸気が、水素リッチガスの流れ方向に対して略直交する方向に流れるように構成する。これにより、水蒸気中の液体が集中する部分と、触媒層１７内で発熱量の多い部分とを熱交換可能とするので、局所的に過昇温となる部分が生じるのを抑制することができる。その結果、ＣＯ低減効率を向上することができ、ＣＯ低減装置１５をコンパクト化することができる。
【００７９】
なお、本実施形態では、気液分離層１７から気体を回収する気体回収部を、水蒸気の供給部（１７ａ）と反対側の端部上方に構成することで、気液分離をより効率的に行うこともできる。これは、図１０に示すように、下方部分に比べて上方部分では水蒸気中にあまり液体状体の水が含まれないためである。
【００８０】
次に、第６の実施形態について説明する。ここでは、第５の実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００８１】
本実施形態に用いるＣＯ低減装置１の概略構成を、第５の実施形態と同様に図７に示す。ただし、本実施形態に用いる触媒層２２を図１２に示すように構成する。
【００８２】
触媒層２２内を水素リッチガスが蛇行して流れるように、水素リッチガスの流路を構成する。ここでは、供給部２２ａを下方部分に構成し、排出部２２ｂを上方部分に構成する。つまり、水素リッチガスが水平方向に蛇行しながら下から上に向かって流れるように構成する。これに対して水蒸気は、第５実施形態と同様に水平方向に流れるように構成する。水素リッチガスの供給方向と水蒸気の供給方向を同一方向とする。このように、下方部分に構成した供給部２２ａから水素リッチガスを水蒸気と同一方向に供給することで、水素リッチガスの供給部２２ａは最も水蒸気中の液体が多い部分と熱交換を行うことができる。
【００８３】
このような蛇行流れとすることで、水素リッチガスの流れ方向による触媒層２２の温度上昇部分と、気液分離層１６の水蒸気中の液体が多く冷却性能が高い部分とで熱交換を行うことができるので、ＣＯの低減反応を有効、且つ、完全に行うことができる。
【００８４】
また、水素リッチガスは触媒層２２内を蛇行して流れる。このように、触媒層２２内部を流れる水素リッチガスの経路は、触媒層２２内部で蛇行するので、気液分離層１６と触媒層２２との熱交換性面をより多く確保することができ、反応をより有効に、且つ効果的に行うことができる。
【００８５】
なお、本実施形態においては、触媒反応装置としてＣＯの選択酸化反応を生じるＣＯ除去装置を用いたが、この限りではない。例えば、シフト反応を生じるシフト反応装置に適応してもよい。または、改質触媒において発熱反応が行われる場合等には、改質装置に適用することもできる。さらに、発熱を伴う燃料電池に対しても適用することができる。また、触媒の種類や触媒の形状は上記および図に限定するものではない。さらに、蒸気およびガスの供給部形状も上記および図に限定するものではない。
【００８６】
また、気液分離層に流通させる水蒸気を改質反応に用いる水蒸気としたが、これに限らない。例えば、改質反応に用いる燃料蒸気や、水と燃料の混合蒸気としてもよい。または、燃料電池からの排ガス、特にカソードからの排ガスとして、排ガス中の水分を回収することにより燃料電池システムの水の利用効率を向上することもできる。
【００８７】
さらに、第２、第４の実施形態に用いた平板７、１４の枚数は上記に限定するものではない。一枚としてもよいし、複数枚としてもよい。また、その配置も上記に限定するものではなく、水蒸気中の液体を触媒層の発熱量が大きい部分に隣接して集中させることができればよい。
【００８８】
このように、本発明は、上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が為し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る触媒反応装置（ＣＯ低減装置）の概略構成図である。
【図２】第１の実施形態に係る触媒反応装置の気液分離層中の水蒸気温度分布を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る触媒反応装置の触媒層内の温度分布を示す図である。
【図４】第２の実施形態に係る触媒反応装置の概略構成図である。
【図５】第３の実施形態に係る触媒反応装置の概略構成図である。
【図６】第４の実施形態に係る触媒反応装置の概略構成図である。
【図７】第５の実施形態に係る触媒反応装置の概略構成図である。
【図８】第５の実施形態に係る触媒反応装置の気液分離層の概略構成図である。
【図９】第５の実施形態に係る触媒反応装置の触媒層の概略構成図である。
【図１０】第５の実施形態に係る触媒反応装置の触媒層内水分分布を示す図である。
【図１１】第６の実施形態に係る触媒反応装置の触媒層内温度分布を示す図である。
【図１２】第６の実施形態に係る触媒反応装置の反応ガス流れを示す図である。
【符号の説明】
２、５、９、１２、１６      気液分離層
３、６、１０、１３、１７、２２    触媒層
７、１４        平板
２０    オフセットフィン
【図１】
2004262721.tif 000003
【図２】
2004262721.tif 000004
【図３】
2004262721.tif 000005
【図４】
2004262721.tif 000006
【図５】
2004262721.tif 000007
【図６】
2004262721.tif 000008
【図７】
2004262721.tif 000009
【図８】
2004262721.tif 000010
【図９】
2004262721.tif 000011
【図１０】
2004262721.tif 000012
【図１１】
2004262721.tif 000013
【図１２】
2004262721.tif 000014