(57)【要約】【課題】簡単な構成であっても運転負荷に応じたＣＯ除去を実現する。【解決手段】一酸化炭素を含む改質ガスを第１ガス導入流路２によりケーシング４内に導入すると共に、第１ガス導入流路２によるガス導入方向とは異なる角度のガス導入方向で改質ガスを第２ガス導入流路３によりケーシング４内に導入し、ケーシング４内に保持されたＣＯ除去用触媒により改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去するように構成することにより、ＣＯ除去用触媒にて形成する反応場の圧力を高くする。【選択図】　　　図１
2004067856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体と、
上記筐体内に保持され、供給されたガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去手段と、
一酸化炭素を含むガスを上記一酸化炭素除去手段に導入する第１ガス導入部と、
上記第１ガス導入部によるガス導入方向とは異なる角度のガス導入方向でガスを上記一酸化炭素除去手段に導入する第２ガス導入部と
を備えることを特徴とする一酸化炭素除去装置。
【請求項２】
上記第１ガス導入部のガス導入方向と、上記第２ガス導入部のガス導入方向との角度を、負荷変動に応じて変化させるガス導入方向可変手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項３】
上記ガス導入方向可変手段は、負荷が大きくなるほど、上記角度を大きくすることを特徴とする請求項２に記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項４】
上記筐体からのガス排気流量に対する第１ガス導入部又は第２ガス導入部のガス導入流量の比を、負荷変動に応じて変化させる流量比可変手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項５】
上記流量比可変手段は、負荷が大きくなるほど、上記流量の比を大きくすることを特徴とする請求項４に記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項６】
上記第１ガス導入部のガス導入方向と、上記第２ガス導入部のガス導入方向との角度を変化させるガス導入方向可変手段と、
上記筐体のガス排気流量に対する第１ガス導入部又は第２ガス導入部のガス導入流量の比を変化させる流量比可変手段とを更に備え、
上記角度及び上記流量の比を、負荷変動に応じて同時に可変にすることを特徴とする請求項１に記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項７】
負荷が大きくなるほど、上記角度及び上記流量の比を同時に大きくすることを特徴とする請求項６に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、例えば燃料電池に改質したガスを供給するときにガス中の一酸化炭素成分を除去して燃料電池にガス供給をする一酸化炭素除去装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来において、原料を改質して燃料電池スタックに供給する燃料ガスを生成するに際して、改質ガスに含まれるＣＯ（一酸化炭素）成分を除去するためのＣＯ除去装置としては、特開平８−１０６９１４号公報に開示された燃料電池発電装置が知られている。
【０００３】
この燃料電池発電装置では、改質ガスの流入方向に対して並列に複数の反応器を設置したＣＯ除去装置を備え、運転負荷に応じて改質ガスを流通させる反応器の個数を選択し、反応器上流に設置された切り替えバルブを制御して改質ガスを通過させる反応器の個数を可変としていた。これにより、従来では、負荷変動による過剰および過少なＣＯ除去反応を防ぐようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の燃料電池発電装置におけるＣＯ除去装置では、複数の反応器を有しているため、高価な触媒を多量に使用する必要があり、コストが大きくなってしまう。また、従来のＣＯ除去装置では、運転負荷が低い場合では使用しない反応器が存在することになり、触媒の無駄となる。更に、従来のＣＯ除去装置では、複数の切り換えバルブや反応器を有するため、構成が複雑になって大型化するという問題点があった。
【０００５】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、簡単な構成であっても運転負荷に応じたＣＯ除去を実現することができる一酸化炭素除去装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、一酸化炭素を含むガスを第１ガス導入部により筐体内に導入すると共に、第１ガス導入部によるガス導入方向とは異なる角度のガス導入方向でガスを第２ガス導入部により筐体内に導入し、筐体内に保持された一酸化炭素除去手段によりガスに含まれる一酸化炭素を除去するように構成することにより、一酸化炭素除去手段にて形成する反応場の圧力を高くして、上述の課題を解決する。
【０００７】
【発明の効果】
本発明に係る一酸化炭素除去装置によれば、第１ガス導入部と第２ガス導入部とをガス導入方向を異なるようにし、筐体内にて第１ガス導入部からのガスと第２ガス導入部からのガスとを合流させるように構成したので、合流する気体の圧力損失を一酸化炭素除去反応場にて発生させて容易に反応場の圧力を上昇させることができ、反応速度を簡単な構成で大きくすることができ、運転負荷に応じたＣＯ除去を実現することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態〜第５実施形態について図面を参照して説明する。
【０００９】
［第１実施形態］
第１実施形態に係る一酸化炭素除去装置は、燃料電池に発電反応をさせるに際して、蓄積しておいた原料を燃料改質装置に導入して改質反応により水素リッチな改質ガスを生成し、この改質ガスを燃料電池の水素極に供給する燃料電池システムに搭載される。このような燃料電池システムにおいて、燃料改質装置にて生成した改質ガスには一酸化炭素（ＣＯ）が含まれる。一酸化炭素除去装置では、一酸化炭素による燃料電池内の電極触媒（Ｐｔ）の被毒を抑制するために、燃料改質装置からの改質ガスから一酸化炭素成分を除去するように、燃料改質装置と燃料電池との間に配設されている。
【００１０】
第１実施形態に係る一酸化炭素除去装置は、その構成を図１に示すように、燃料改質装置からの改質ガスが改質ガス通路１を介して供給され、改質ガス通路１からの改質ガスを分岐して第１ガス導入流路２及び第２ガス導入流路３によりケーシング４内に導入し、ケーシング４内を通過した改質ガスを排出ガス通路５を介して燃料電池側に送る構成となっている。
【００１１】
ケーシング４内には、改質ガスに含まれるＣＯ成分を除去するためのＣＯ除去用触媒が保持されている。このＣＯ除去用触媒は、第１ガス導入流路２及び第２ガス導入流路３から改質ガスが供給されると、この改質ガスに含まれるＣＯ成分を除去して排出ガス通路５に送る。このＣＯ除去用触媒は、改質ガス中のＣＯ成分を選択的に酸化除去する物質が使用されている。なお、ＣＯ除去用触媒は、酸化反応を促進する触媒であればよく、具体的には、白金等の燃焼触媒が挙げられる。
【００１２】
改質ガス通路１、第１ガス導入流路２及び排出ガス通路５は、改質ガスの通過方向が互いに平行となっている。また、第１ガス導入流路２と第２ガス導入流路３とは、改質ガス通過方向が角度θを以て構成されている。したがって、ケーシング４には、角度θを以て改質ガスが導入され、内部にて改質ガスが合流されることになる。
【００１３】
また、この一酸化炭素除去装置において、第１ガス導入流路２には、第１ガス導入流路２及び／又は第２ガス導入流路３の改質ガス流量を調整する流量調整バルブ６が設けられている。
【００１４】
上述の一酸化炭素除去装置において、図２に示すように、第１ガス導入流路２の改質ガス流量をＱ１、断面積をＡ１、直径をｄ１、圧力損失をΔＰ１、改質ガス流速をＶ１とし、第２ガス導入流路３の改質ガス流量をＱ２、断面積をＡ２、直径をｄ２、圧力損失をΔＰ２、改質ガス流速をＶ２とし、排出ガス通路５の改質ガス流量をＱ３、断面積をＡ３、直径をｄ３、圧力損失をΔＰ３、改質ガス流速をＶ３とする。
【００１５】
この場合、圧力損失ΔＰ１及び圧力損失ΔＰ２は、以下の式１及び式２にて表現される。
ΔＰ１＝Ｋ１×（１／２）×ρ×Ｖ１２　　（式１）
ΔＰ２＝Ｋ２×（１／２）×ρ×Ｖ２２　　（式２）
上記式１，式２において、Ｋ１は第１ガス導入流路２についての圧力損失係数、Ｋ２は第２ガス導入流路３についての圧力損失係数である。この圧力損失係数Ｋ１、Ｋ２は、角度θ、第２ガス導入流路３の改質ガス流量と排出ガス通路５の改質ガス流量との比（Ｑ２／Ｑ３）、第１ガス導入流路２の断面積Ａ１と第２ガス導入流路３の断面積との比（Ａ１／Ａ２）に依存する。また、ρは改質ガス密度である。
【００１６】
コンピュータユニット７では、第１ガス導入流路２及び第２ガス導入流路３の圧力損失ΔＰ１、ΔＰ２を変化させるように改質ガス流量を制御することで、反応場での圧力を調整する。コンピュータユニット７は、式１及び式２から分かるように、この圧力損失ΔＰ１、ΔＰ２が圧力損失係数Ｋ１、Ｋ２に依存するため、この圧力損失係数Ｋ１、Ｋ２の値を調整する。
【００１７】
ここで、Ｋ１は、図３に示すように、流量比Ｑ２／Ｑ３、断面積比Ａ１／Ａ２が大きくなるほど大きくなる。これは、Ｋ２にも同様に成り立つ。更に、Ｋ２は、図４に示すように、角度θが大きくなるほど大きくなる。これは、Ｋ１にも同様に成り立つ。
【００１８】
例えば、第１ガス導入流路２の改質ガス流量Ｑ１を１０００Ｌ／ｍｉｎ、第２ガス導入流路３の改質ガス流量をＱ２＝４０００Ｌ／ｍｉｎである場合、第１ガス導入流路２の断面積ｄ１が５０ｍｍ、第２ガス導入流路３の断面積ｄ２が２５ｍｍ、排出ガス通路５の断面積ｄ３が５０ｍｍ、角度θが９０°、改質ガス密度ρが１．０ｋｇ／ｍ３、ケーシング４の改質ガスの通過方向の長さを５０ｍｍとしたときには、ΔＰ１を７２Ｐａ、ΔＰ２を４６０００Ｐａにすることができる。これに対し、例えば第１ガス導入流路２からのみケーシング４に改質ガスを導入する場合には、ΔＰ＝８８Ｐａとなる。
【００１９】
［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、一酸化炭素除去装置によれば、改質ガス通過方向が角度θとなるように第１ガス導入流路２及び第２ガス導入流路３を構成し、ケーシング４内にて第１ガス導入流路２からの改質ガスと第２ガス導入流路３からの改質ガスとを異なる角度で合流させるように構成したので、合流する気体の圧力損失を反応場にて発生させて容易に反応場の圧力を上昇させることができる。したがって、この一酸化炭素除去装置によれば、ＣＯ除去用触媒の反応速度を簡単な構成で大きくすることができ、ＣＯ除去用触媒の量を少なくすることができ、装置の低コスト化、小型化を実現することができる。
【００２０】
また、この一酸化炭素除去装置によれば、ケーシング４内部で第１ガス導入流路２から導入した改質ガスと第２ガス導入流路３から導入した改質ガスとを合流させるので、ＣＯ除去用触媒付近での改質ガスの混合度合いの偏りを改善することができ、ＣＯ除去用触媒での均一な反応を実現することができ、反応効率を向上させることができる。
【００２１】
［第２実施形態］
つぎに、第２実施形態に係る一酸化炭素除去装置について説明する。なお、上述の第１実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００２２】
第２実施形態に係る一酸化炭素除去装置は、図６に示すように、負荷変動に応じて角度θを調整する角度調整機構１１を備える点で、第１実施形態とは異なる。この負荷変動とは、排出ガス通路５に接続された燃料電池に要求される負荷の変動である。一酸化炭素除去装置では、燃料電池の負荷が高くなるほど、燃料電池に供給する改質ガス量が多くなり燃料改質装置からの改質ガス量が多くなってＣＯを除去する必要があるガス量が多くなる。
【００２３】
この角度調整機構１１は、第２ガス導入流路３とケーシング４とを挿通させて第２ガス導入流路３からの改質ガスをケーシング４内に導入させる挿通機構、ケーシング４に対する第２ガス導入流路３の改質ガス導入方向を可変とするモータを備える。また、この一酸化炭素除去装置では、第２ガス導入流路３の配管としてフレキシブルなものを用いる。
【００２４】
このような一酸化炭素除去装置では、コンピュータユニット７により角度調整機構１１のモータ動作を負荷変動に応じて制御して、第１ガス導入流路２の改質ガス通過方向に対する第２ガス導入流路３の改質ガス通過方向を変更する。これにより、コンピュータユニット７は、角度θを調整する。
【００２５】
ここで、上述した図４に示したように角度θを大きくするほど、Ｋ１及びＫ２を大きくしてＣＯ除去用触媒の反応速度を大きくすることができる。したがって、コンピュータユニット７では、図７に示すような負荷に対する角度θを記述したマップデータを参照して、負荷情報に応じた角度θとするように角度調整機構１１を制御する。このマップデータは、負荷に応じてケーシング４内の反応場を最適圧力とする角度θを一酸化炭素除去装置の設計時に予め求めておいて作成されたものである。この最適圧力とは、負荷が大きいほど大きく、負荷が小さいほど小さい圧力となる。
【００２６】
このような一酸化炭素除去装置によれば、角度θを負荷に応じて可変にすることにより、負荷に応じた最適な圧力を反応場に付与することができる。
【００２７】
［第３実施形態］
つぎに、第３実施形態に係る一酸化炭素除去装置について説明する。なお、上述の第１実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００２８】
第３実施形態に係る一酸化炭素除去装置は、負荷変動に応じて流量調整バルブ６を制御することで流量比Ｑ２／Ｑ３を制御して、ケーシング４内の反応場の改質ガス圧力を最適とする点で、第１実施形態とは異なる。
【００２９】
流量調整バルブ６は、図示しないアクチュエータと連動され、このアクチュエータの動作がコンピュータユニット７に制御される。これにより、流量調整バルブ６では、第１ガス導入流路２及び／又は第２ガス導入流路３の改質ガス流量を調整する。
【００３０】
コンピュータユニット７は、外部から燃料電池に要求される負荷情報が入力され、負荷に応じて流量調整バルブ６の開度を制御して、第１ガス導入流路２の改質ガス流量及び第２ガス導入流路３の改質ガス流量を制御する流量制御処理を行う。この流量制御処理は、改質ガス流量を制御することで、負荷に応じてケーシング４内の改質ガスの圧力を調整するように流量調整バルブ６を制御し、ＣＯ除去用触媒の酸化反応速度を制御する処理である。
【００３１】
このとき、コンピュータユニット７では、図８に示すような負荷と最適な流量比Ｑ２／Ｑ３を記述したマップデータを参照して、流量調整バルブ６の開度を調整することにより、適切な圧力を得ることが出来る。この一酸化炭素除去装置では、高負荷時ほど反応速度を大きくする必要があり、圧力を高くするためには、図４に示したように流量比を大きくする。
【００３２】
このような一酸化炭素除去装置によれば、負荷に応じて最適な流量比Ｑ２／Ｑ３とするので、高負荷が要求される場合に第２ガス導入流路３に流れる改質ガス流量を大きくすることでケーシング４内で合流したときの改質ガス圧力を高くすることができ、ＣＯ除去用触媒の反応速度を大きくすることができる。
【００３３】
［第４実施形態］
つぎに、第４実施形態に係る一酸化炭素除去装置について説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００３４】
第４実施形態に係る一酸化炭素除去装置は、図９に示すように、流量調整バルブ６と角度調整機構１１との双方を備える点で、上述の実施形態とは異なる。この一酸化炭素除去装置では、コンピュータユニット７により、負荷変動に応じて角度θを制御し、同時に、流量調整バルブ６の開度を調整して流量比Ｑ２／Ｑ３を制御する。
【００３５】
このような一酸化炭素除去装置によれば、角度θ及び流量比Ｑ２／Ｑ３を同時に制御することができるので、角度θ及び流量比Ｑ２／Ｑ３をそれぞれ単独で制御する場合と比較して容易に反応場の改質ガス圧力を最適な圧力にすることができる。また、この一酸化炭素除去装置によれば、負荷が高い場合に、容易に改質ガス圧力を高くすることができる。
【００３６】
［第５実施形態］
つぎに、第２実施形態に係る一酸化炭素除去装置について説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００３７】
第５実施形態に係る一酸化炭素除去装置は、図１０に示すように、負荷変動によって流量比および角度の制御を行うことなく、コンピュータユニット７により流量調整バルブ６を調整しない点で、上述した実施形態とは異なる。
【００３８】
この一酸化炭素除去装置では、一定流量までは第１ガス導入流路２からケーシング４に改質ガスを導入するように流量調整バルブ６の開度を設定しておく。そして、一定流量以上の改質ガス流量となる場合には、一定流量以上の改質ガスが第１ガス導入流路２側に流れずに、自然に第２ガス導入流路３側にも改質ガスを流して、第２ガス導入流路３からケーシング４に改質ガスを導入する。
【００３９】
このような一酸化炭素除去装置では、例えば第１ガス導入流路２に流す一定流量を負荷が５０％での改質ガス流量とした場合、負荷に応じたＱ１、Ｑ２及び流量比Ｑ２／Ｑ３が図１１に示すようになる。図１１によれば、負荷が０％〜５０％の範囲では、第１ガス導入流路２からのみケーシング４に改質ガスを導入し、負荷が５０％を超えて改質ガス流量が多くなると、第２ガス導入流路３からもケーシング４に改質ガスを導入するようにしている。このとき、負荷が５０％を超えると、流量比Ｑ２／Ｑ３が上昇し、ケーシング４内の反応場の圧力も上昇させる。
【００４０】
したがって、この一酸化炭素除去装置では、高負荷となると自然に第２ガス導入流路３の改質ガス流量を増加さると共に、流量比Ｑ２／Ｑ３および圧力を増加させることができる。また、この一酸化炭素除去装置では、上述した実施形態と比較して、複雑な構成にすることなくＣＯ除去の反応効率を向上させることができる。
【００４１】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した一酸化炭素除去装置の構成を示す図である。
【図２】本発明を適用した一酸化炭素除去装置において、第１ガス導入流路、第２ガス導入流路及び排出ガス通路に関する各種パラメータについて説明するための図である。
【図３】第１ガス導入流路と第２ガス導入流路との断面積比及び第１ガス導入流路と第２ガス導入流路との角度を変化させた場合の、流量比に対する第１ガス導入流路での圧力損失係数の変化を示す図である。
【図４】第１ガス導入流路と第２ガス導入流路との断面積比及び第１ガス導入流路と第２ガス導入流路との角度を変化させた場合の、流量比に対する第２ガス導入流路での圧力損失係数の変化を示す図である。
【図５】反応場の改質ガス圧力に対するＣＯ除去用触媒の反応速度の変化を示す図である。
【図６】本発明を適用した第２実施形態に係る一酸化炭素除去装置の構成を示す図である。
【図７】負荷に対する第１ガス導入流路と第２ガス導入流路との角度の変化を示す図である。
【図８】負荷に対する流量比の変化を示す図である。
【図９】本発明を適用した第４実施形態に係る一酸化炭素除去装置の構成を示す図である。
【図１０】本発明を適用した第５実施形態に係る一酸化炭素除去装置の構成を示す図である。
【図１１】負荷に対する第１ガス導入流路の改質ガス流量及び第２ガス導入流路の改質ガス流量、流量比の変化を示す図である。
【符号の説明】
１　改質ガス通路
２　第１ガス導入流路
３　第２ガス導入流路
４　ケーシング
５　排出ガス通路
６　流量調整バルブ
７　コンピュータユニット
１１　角度調整機構
【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】
2004067856.tif 000010
【図９】
2004067856.tif 000011
【図１０】
2004067856.tif 000012
【図１１】
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