(57)【要約】【課題】空気供給管内から均一に空気を分配して反応器に供給する。【解決手段】反応器入口の改質ガス流路１内に設置され、供給された空気の一部を、側面に設けられた複数の空気噴出孔３から改質ガス流路１に噴出する空気供給管２と、空気供給端２ａより空気を供給する供給用マニホールド４、流量調整バルブ７及びコンプレッサ９と、空気排出端２ｂより空気の余剰分を排出する排出用マニホールド５及び空気還流パイプ１０とからなり、空気供給管２内に反応器に必要な空気よりも過剰な空気を送って、空気供給管２内での流速を高くし、空気供給管２の供給側から排出側に亘る空気圧力勾配を緩和する。【選択図】　　　図１
2004075483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応器入口の反応ガス通路内に設置され、供給された酸化剤の一部を、側面に設けられた複数の噴出孔から反応ガス通路に噴出する酸化剤供給管と、
上記酸化剤供給管の一端より酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
上記酸化剤供給管の他端より酸化剤の余剰分を排出する酸化剤排出手段と
を備えることを特徴とする酸化剤供給装置。
【請求項２】
上記酸化剤排出手段は、上記酸化剤供給管の他端より排出された余剰分の酸化剤を、上記酸化剤供給手段に還流することを特徴とする請求項１に記載の酸化剤供給装置。
【請求項３】
上記酸化剤排出手段は、上記酸化剤供給管の他端より排出された余剰分の酸化剤を、上記反応器とは別の装置であって、酸化剤を必要とする装置に供給することを特徴とする請求項１に記載の酸化剤供給装置。
【請求項４】
上記酸化剤供給手段は、複数の酸化剤圧送部により上記酸化剤供給管に酸化剤を圧送するように構成され、
上記酸化剤排出手段は、上記酸化剤供給管の他端より排出された余剰分の酸化剤を、上記複数の酸化剤圧送部間を挿通する酸化剤挿通管に還流することを特徴とする請求項２に記載の酸化剤供給装置。
【請求項５】
上記酸化剤供給手段の酸化剤圧送部は、外気を取り込むコンプレッサと、このコンプレッサと酸化剤挿通管を介して接続されてコンプレッサからの空気を上記酸化剤供給管に供給するブロアとからなり、
上記酸化剤排出手段は、上記酸化剤供給管の他端より排出された余剰分の酸化剤を、上記コンプレッサと上記ブロアとを挿通する酸化剤挿通管に還流することを特徴とする請求項４に記載の酸化剤供給装置。
【請求項６】
上記コンプレッサは、上記反応ガスよりも高い圧力とするように酸化剤を加圧し、上記ブロアは、上記コンプレッサにより加圧された酸化剤が還流するのに必要な圧力とするように加圧することを特徴とする請求項５に記載の酸化剤供給装置。
【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に際して、改質ガス中の一酸化炭素成分を酸化反応により除去する触媒に酸化剤を供給する酸化剤供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば燃料電池に水素リッチな改質ガスを供給するに際して、改質ガスに酸化剤を供給して、ＣＯ除去用触媒の酸化反応を促す触媒装置が特開２０００−２０３８０１号公報にて知られている。
【０００３】
この触媒装置は、図６に示すように、改質ガス通路１０１内に複数の酸化剤供給管１０２を平行に設置し、その酸化剤供給管１０２の側面に設けた複数の噴出孔１０２ａから酸化剤を噴出して改質ガスに混合する。このとき、この触媒装置では、コンプレッサ１０３によって酸化剤として外気を取り込み、流量調整バルブ１０４によって流量調整をして、パイプ１０５によってマニホールド１０６を介して酸化剤供給管１０２に外気を供給する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来の触媒装置では、酸化剤が噴出孔１０２ａから噴出されながら酸化剤供給管１０２内を流れるため、酸化剤供給管１０２内の軸方向に向かって流速が次第に小さくなるという流速分布となる。すなわち、従来の触媒装置では、酸化剤供給管１０２の供給元側から供給先側に進むに従って酸化剤圧力が上昇するといった圧力勾配を生じる。
【０００５】
このため、各噴出孔１０２ａからの酸化剤の供給量が酸化剤供給管１０２内の軸方向位置によって異なり、結果として酸化剤を改質ガス通路１０１内に均一に分配できないという問題点があった。
【０００６】
これに対し、各噴出孔１０２ａからの不均一な噴射量を是正するために噴出孔１０２ａを各々異なる径に設定したとしても、酸化剤供給管１０２内の圧力勾配が酸化剤の供給量によって異なるため、低流量時から高流量時までの全ての酸化剤供給量において均一な噴出量とすることができないという問題点があった。
【０００７】
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、酸化剤供給管内に均一に酸化剤を分配することができる酸化剤供給装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、反応器入口の反応ガス通路内に設置され、供給された酸化剤の一部を、側面に設けられた複数の噴出孔から反応ガス通路に噴出する酸化剤供給管と、上記酸化剤供給管の一端より酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、上記酸化剤供給管の他端より酸化剤の余剰分を排出する酸化剤排出手段とを備える構成としたことで、上述の課題を解決する。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、酸化剤供給管に供給した酸化剤を酸化剤供給管から排出するようにし、酸化剤供給管内に反応器に必要な酸化剤よりも過剰な酸化剤を送るようにしたので、酸化剤供給管内での酸化剤流速を高くし、酸化剤供給管の供給側から排出側に亘る酸化剤の圧力勾配を緩和することができ、酸化剤供給管内に均一に酸化剤を分配することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１１】
本発明は、例えば図１に示すように構成された酸化剤供給装置に適用される。
【００１２】
［酸化剤供給装置の構成］
この酸化剤供給装置は、水素リッチな改質ガスに含まれる一酸化炭素を酸化剤との酸化反応により二酸化炭素に変換する触媒反応器に、反応に必要な酸化剤を供給する装置である。なお、本例においては、酸化剤として空気を使用した場合について説明する。
【００１３】
この酸化剤供給装置は、図１における前面側から改質ガスを供給し、矩形断面の改質ガス流路１内に改質ガスを通過させる。この酸化剤供給装置は、図示しないが改質ガス排出側（図１における後面側）に一酸化炭素を酸化反応により除去する一酸化炭素除去用触媒が設けられている。酸化剤供給装置では、一酸化炭素除去用触媒に空気を供給することで、通過する改質ガス中の一酸化炭素を酸化させる事により除去する。
【００１４】
この酸化剤供給装置では、改質ガス流路１内に複数の空気供給管２が等間隔で配置されている。各空気供給管２の側面には、改質ガス流路１内に空気を噴出するための空気噴出孔３が空気供給管２の長手方向に等間隔で形成されている。
【００１５】
各空気供給管２の空気供給端２ａには供給用マニホールド４が接続され、各空気供給管２の空気排出端２ｂには排出用マニホールド５が接続されている。供給用マニホールド４には、空気供給パイプ６を介して流量調整バルブ７、送風用ブロア８、コンプレッサ９が挿通されている。
【００１６】
この酸化剤供給装置では、空気供給管２内に空気を供給するに際して、図示しないコントロールユニットによりコンプレッサ９を駆動して外気を取り込み、送風用ブロア８を介して流量調整バルブ７に空気を送る。また、コントロールユニットでは、流量調整バルブ７の開度を調整して、空気供給管２に供給する供給流量を調整する。
【００１７】
これにより、空気は、空気供給パイプ６及び供給用マニホールド４を介して各空気供給管２ごとに均一な流量で供給され、空気供給管２内の各空気噴出孔３にて改質ガス流路１内に噴出しながら排出用マニホールド５側に送られる。このとき、供給用マニホールド４から各空気供給管２に供給された空気は、一部が改質ガス流路１内に噴出して、残った余剰分が排出用マニホールド５側に流れる。
【００１８】
また、排出用マニホールド５は、空気噴出孔３から改質ガス流路１に噴出せずに残った空気を再度空気供給側に還流する空気還流パイプ１０と接続されている。これにより、空気供給端２ａから空気排出端２ｂに達した空気は、排出用マニホールド５から空気還流パイプ１０に送られる。
【００１９】
空気還流パイプ１０は、一端が排出用マニホールド５と接続され、他端がコンプレッサ９と送風用ブロア８とを挿通する空気供給パイプ６に接続される。これにより、空気還流パイプ１０に供給された空気は、コンプレッサ９の下流側に送られ、送風用ブロア８、流量調整バルブ７及び供給用マニホールド４を介して再度空気供給端２ａに還流されて、改質ガス流路１内に分配される。
【００２０】
つぎに、上述したように構成された酸化剤供給装置における各部の空気圧力について図２を参照して説明する。
【００２１】
この酸化剤供給装置では、空気供給管２内に空気を供給するに際して、先ず、大気圧の外気をコンプレッサ９により取り込んで加圧することで大気圧Ｐ１から加圧後の圧力Ｐ２にし、空気還流パイプ１０と空気供給パイプ６との合流部を介して送風用ブロア８に送る。このとき、コンプレッサ９では、改質ガス流路１内に空気供給管２の空気噴出孔３から空気を噴出するために、改質ガス圧力Ｐ１１よりも高い圧力Ｐ２にする。
【００２２】
送風用ブロア８では、空気を供給用マニホールド４から空気供給管２に供給し、余剰分の空気を空気還流パイプ１０と空気供給パイプ６との合流部にまで循環するのに必要な圧力を加圧することで、空気圧力をＰ２からＰ３に上昇させる。
【００２３】
ここで、余剰分の空気を空気還流パイプ１０と空気供給パイプ６との合流部にまで循環するのに必要な圧力とは、送風用ブロア８から排出されてから空気還流パイプ１０の空気供給パイプ６の合流部にまで達するまでに空気が受ける圧力損失分の圧力である。
【００２４】
そして、空気圧力Ｐ３となった空気は、流量調整バルブ７にて流量調整され、供給用マニホールド４を介して空気供給管２に供給され、余剰分が排出用マニホールド５を介して空気還流パイプ１０によって、再度合流部に送られる。
【００２５】
このとき、コントロールユニットは、改質ガス流量に応じた空気噴出孔３からの噴出量とするようにコンプレッサ９での空気取り込み量及び流量調整バルブ７の開度を制御する。
【００２６】
改質ガス流量が高流量時において、空気は、圧力Ｐ３にて空気供給端２ａから空気供給管２内に送られ、空気供給端２ａから空気排出端２ｂに亘って略同一圧力となり、空気還流パイプ１０内での圧力損失により徐々に降圧し、送風用ブロア８の下流圧力と略同一圧力になって合流点に還流する。このとき、各空気噴出孔３からの空気噴出圧は、図２中のＰ２１となる。
【００２７】
一方、改質ガス流量が低流量時において、空気は流量調整バルブ７の圧力損失により降圧されて空気供給端２ａから空気供給管２内に送られ、空気供給端２ａから空気排出端２ｂに亘って略同一圧力となり、空気還流パイプ１０内での圧力損失により徐々に降圧し、送風用ブロア８の下流圧力と略同一圧力になって合流点に還流する。このとき、各空気噴出孔３からの空気噴出圧は、図２中のＰ２１よりも小さいＰ２２となる。
【００２８】
このような酸化剤供給装置では、改質ガス圧力Ｐ１１よりも高い空気圧力Ｐ２にし、更に送風用ブロア８により空気を還流させるための空気圧力Ｐ３にすることにより、空気供給端２ａから供給した空気を合流部まで還流させる。したがって、この酸化剤供給装置では、図３の特性Ａに示すように、空気供給端２ａでの流速がＶ１である場合、各空気噴出孔３ごとに空気が改質ガス流路１に噴出して次第に流速が低下するが、空気排出端２ｂ付近であってもＶ２の流速となる。この結果、空気供給管２内での圧力は、図４の特性Ａに示すように、空気供給端２ａから空気排出端２ｂに亘って略一定値となる。
【００２９】
これに対し、空気排出端２ｂ側を塞いで空気を還流させないようにし、空気供給管２に必要以上の空気を供給しない場合には、図３中の特性Ｂに示すように、空気供給端２ａ付近の流速がＶ１１となり、各空気噴出孔３ごとに空気が改質ガス流路１に噴出して次第に流速が大きく低下して、空気排出端２ｂ付近では流速がＶ１２となる。この結果、空気供給管２内での圧力は、図４の特性Ｂに示すように、空気供給端２ａから空気排出端２ｂに向かって次第に高くなる。このように空気排出端２ｂ側を塞いだ構成とした場合には空気供給管２内での圧力勾配によって各空気噴出孔３からの空気噴出量に差が生じる。
【００３０】
［実施の形態の効果］
以上詳細に説明したように、酸化剤供給装置によれば、空気供給端２ａから供給して空気排出端２ｂから排出した空気を還流するように構成し、空気供給管２内に過剰な空気を送るようにしたので、図３の特性Ａに示したように空気供給管２内での空気流速を高くし、図３の特性Ｂの場合と比較して空気供給端２ａと空気排出端２ｂとでの流速の低下割合を相対的に小さくすることができる。したがって、この酸化剤供給装置によれば、図４の特性Ａに示すように空気供給管２内での圧力勾配を図４の特性Ｂと比較して緩和することができ、改質ガス流路１内に均一に空気を分配することができる。
【００３１】
したがって、この酸化剤供給装置によれば、触媒反応器に適切量の空気を供給することで、確実に触媒反応器内で一酸化炭素を規定濃度地下に低減させることができると共に、逆に、過剰量の空気を供給して改質ガス中にて酸化される水素量を増加させて触媒反応器で得られる水素量が減少することを防止させることができる。
【００３２】
また、この酸化剤供給装置によれば、余剰分の空気を空気還流パイプ１０と空気供給パイプ６との合流部にまで循環するのに必要な圧力を送風用ブロア８により加圧するので、余分な再加圧を行うことなく、効率的に空気を循環させることができる。
【００３３】
更に、この酸化剤供給装置によれば、空気排出端２ｂから排出した余剰分の空気を大気圧まで低下させずに加圧した状態で送風用ブロア８とコンプレッサ９との間に還流するように構成したので、コンプレッサ９の余分な駆動量を抑制することができ、最低限の圧力まで加圧するようなコンプレッサ９を使用することができる。
【００３４】
更に、この酸化剤供給装置によれば、余剰分の空気を再度供給側に還流しているので、運転状態によって過渡的に空気供給管２内に改質ガスが流入して余剰空気に混入した場合でも、大気中に放出することを防止することができる。
【００３５】
更にまた、上述した酸化剤供給装置では、余剰分の空気を空気供給側に還流しているが、これを他の空気を必要とするコンポーネント、例えば改質器や排水素燃焼器の空気供給装置等の空気を必要とする他の装置に供給しても良い。ここで、排出した空気の供給先となるコンポーネントは、一酸化炭素除去用触媒反応器と異なり厳密な空気の分配が要求されないため、コンポーネントでの余剰分の空気を排出する等の構成を追加する必要はない。
【００３６】
つぎに、本発明を適用した他の構成の酸化剤供給装置について説明する。この酸化剤供給装置は、図５に示すように、各空気供給管２を通過した空気を排出用マニホールド５に排出し、排出用マニホールド５から排出した空気を空気排出パイプ１１に設けられた図示しないオリフィス弁又は加圧弁を介して大気中に放出するように構成されている。
【００３７】
このような酸化剤供給装置では、改質ガスの高流量時には空気供給管２内の圧力を高くし、改質ガスの低流量時には空気供給管２内の圧力を低くするように圧力制御をする。
【００３８】
このような酸化剤供給装置であっても、上述した酸化剤供給装置と同様に空気供給管２内での圧力勾配を緩和することができ、改質ガス流路１内に均一に空気を分配することができる。
【００３９】
また、酸化剤供給装置の更に他の構成としては、図１の空気還流パイプ１０に空気供給管２からの空気排出量を調整する弁を設けても良い。この酸化剤供給装置では、空気還流パイプ１０から空気供給側に還流する空気の流量や圧力を調整することができ、上述の酸化剤供給装置と同様の効果を発揮させることができる。
【００４０】
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】本発明を適用した酸化剤供給装置の構成を示す図である。
【図２】本発明を適用した酸化剤供給装置の各部における圧力を説明するための図である。
【図３】本発明を適用した酸化剤供給装置の空気供給管内の流速の変化、及び空気排出端側を塞いだ場合の空気供給管内の流速の変化を示す図である。
【図４】本発明を適用した酸化剤供給装置の空気供給管内の圧力分布、及び空気排出端側を塞いだ場合の空気供給管内の圧力分布を示す図である。
【図５】本発明を適用した他の酸化剤供給装置の構成を示す図である。
【図６】従来の酸化剤供給装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１　改質ガス流路
２　空気供給管
３　空気噴出孔
４　供給用マニホールド
５　排出用マニホールド
６　空気供給パイプ
７　流量調整バルブ
８　送風用ブロア
９　コンプレッサ
１０　空気還流パイプ
【図１】
2004075483.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2004075483.tif 000006
【図５】
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【図６】
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