(57)【要約】【課題】改質ガスと酸化剤を均一に混合して一酸化炭素を効率良く除去する一酸化炭素除去装置を提供する。【解決手段】改質ガスと酸化剤を混合させた混合ガスを一酸化炭素酸化触媒（６）に供給して一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置（１）において、所定の形状の貫通孔（１０１）を有する板（１００）を前記混合ガスの流れ（２２）方向に複数積層して前記混合ガスの流路（１０１）を形成する積層体（９）から構成される混合部（５）を備え、それぞれの前記板の前記貫通孔を設ける位置をずらすことにより、前後の前記板の前記貫通孔が互いに重なり合う部分と、前記貫通孔を塞ぐ部分とを形成し、前記重なり合う部分は前記混合ガスを通過させ、前記塞ぐ部分は前記混合ガスの流れを乱す。【選択図】図２
2004216211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２種類のガスを混合した混合ガスの流路に設けられたガス混合装置において、
所定の形状の貫通孔を有する板を前記混合ガスの流れ方向に複数積層して積層体を形成し、
それぞれの前記板の前記貫通孔を設ける位置をずらすことにより、前後の前記板の前記貫通孔が互いに重なり合う部分と、前記貫通孔の一部を塞ぐ部分とを順次形成するようにした、
ことを特徴とするガス混合装置。
【請求項２】
前記貫通孔は前記混合ガスの流路を回転させるように設けられ、前記混合ガスの流れ方向上流側から見て前記混合ガスの流れが渦流となることを特徴とする請求項１に記載のガス混合装置。
【請求項３】
前記板に少なくとも２つの前記貫通孔を設け、少なくとも２つの前記混合ガスの流路を形成することを特徴とする請求項２に記載のガス混合装置。
【請求項４】
それぞれの前記混合ガスの流路の回転方向または位相が異なることを特徴とする請求項３に記載のガス混合装置。
【請求項５】
前記貫通孔の大きさが、それぞれの前記板により異なることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のガス混合装置。
【請求項６】
前記貫通孔の大きさが、前記混合ガスの流れの上流側から下流側にかけて増大することを特徴とする請求項５に記載のガス混合装置。
【請求項７】
前記板の板厚が異なることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のガス混合装置。
【請求項８】
前記板の板厚が、前記混合ガスの流れの上流側から下流側にかけて増大することを特徴とする請求項７に記載のガス混合装置。
【請求項９】
前記積層体を前記混合ガス流れ方向に複数配し、それぞれの前記積層体における前記混合ガスの流れの回転方向を異ならせることを特徴とする請求項２に記載のガス混合装置。
【請求項１０】
前記積層体を前記混合ガス流れ方向に複数配し、前記貫通孔の大きさを前記積層体ごとに異ならせることを特徴とする請求項２に記載のガス混合装置。
【請求項１１】
前記混合ガスとして水素リッチな改質ガスと酸化剤との混合ガスを混合する前記請求項１から１０のいずれかの混合装置と、その下流に配置した一酸化炭素酸化触媒とからなることを特徴とする一酸化炭素除去装置。
【請求項１２】
前記改質ガスに酸化剤を供給する酸化剤流路を前記複数の板の任意の板に設けたことを特徴とする請求項１１に記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項１３】
前記積層体の前記混合ガス出口側に多孔質体を配したことを特徴とする請求項１２に記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項１４】
改質ガス流路の断面積を絞るオリフィス板内に酸化剤流路および酸化剤噴出し孔を設けた酸化剤導入部と、
前記酸化剤導入部下流および前記積層体上流に位置し、前記混合ガスを攪拌するチャンバ部と、
を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項１５】
前記酸化剤導入部は前記混合ガスの流れに旋回流を生じさせることを特徴とする請求項１４に記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項１６】
前記酸化剤導入部は複数の前記酸化剤噴出し孔を有し、前記改質ガスの流量に応じて使用する前記酸化剤噴出し孔の数を増減させることを特徴とする請求項１５に記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項１７】
前記酸化剤導入部が発生させる旋回流の向きは、前記積層体の発生させる旋回流の向きとは異なることを特徴とする請求項１５または１６に記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項１８】
前記積層体を構成する前記板に一酸化炭素選択触媒を担持させたことを特徴とする請求項１４から１７のいずれかに記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項１９】
前記板を熱良導体で形成し、冷却媒体流路を設けたことを特徴とする請求項１７に記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項２０】
前記積層体の下流側に多孔質体を配したことを特徴とする請求項１３から１９のいずれかに記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項２１】
前記多孔質体に一酸化炭素選択酸化触媒を担持させたことを特徴とする請求項１９に記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項２２】
前記チャンバ部に混合ガスの流れを反転させて渦を発生させる筒状の案内板を備えることを特徴とする請求項１４から２０のいずれか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２種類以上のガスを混合する混合装置、特に、燃料電池システムにおける一酸化炭素除去装置に適用できるガス混合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車などの燃料電池発電システムにおいて、水素を生成するため、ガソリン等の炭化水素原料ガスから、改質して水素リッチな改質ガスを生成する。
この際、一酸化炭素除去装置の上流に設置された改質器では、水素のみならず一酸化炭素が発生することがあるが、この一酸化炭素は、一酸化炭素除去装置の下流にある、燃料電池において、著しく電力発生の妨げとなってしまう。そのため、改質器の下流にある一酸化炭素除去装置の触媒部において、一酸化炭素を除去する必要がある。
【０００３】
この一酸化炭素の除去には、空気中の酸素と一酸化炭素との酸化反応が用いられる。この酸化反応を効率的に行うため、空気と改質ガスが触媒部に導入される前に、空気と改質ガスをあらかじめ良好に混合する必要がある。
【０００４】
空気と改質ガスを良好に混合する装置として、主流の中に回転翼を設け、この回転翼中に混入ガスを導入し、主流の運動エネルギーを利用して、駆動する装置（例えば、特許文献１参照）、仕切り板により主流をさえぎったところに第２のガスを導入する装置（例えば、特許文献２参照）、およびガス通路内にねじり板により構成される要素を、ねじりの方向の向きを互い違いに組み合わせ、主流の流れ方向に順次並べる装置（例えば、特許文献３参照）がある。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２４０１号公報
【特許文献２】特開２００１−１３７６７６号公報
【特許文献３】特開２００１−１２０９７３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１で開示された発明では、混入ガス導入部の下流側に混合ガス２２を旋回させる偏向板を設置しているが、流速が小さくなる低負荷運転時ガスの攪拌が不十分であった。
【０００７】
また、特許文献２で開示された発明では、仕切り板が主流部通路断面積の８割をしめ、大きく圧損を与える問題があった。
【０００８】
さらに、特許文献３で開示された発明では、ガス通路内にねじり板を、ねじりの方向を互い違いに組み合わせているが、主流の流れ方向に場所を必要とし、コンパクトな構造をもてなかった。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、小型であり、圧力損失が小さく、低負荷時でも酸化剤と一酸化炭素の混合が十分行われる一酸化炭素除去装置を提供する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、改質ガスと酸化剤を混合させた混合ガスを一酸化炭素酸化触媒に供給して一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置において、所定の形状の貫通孔を有する板を前記混合ガスの流れ方向に複数積層して前記混合ガスの流路を形成する積層体から構成される混合部を備え、それぞれの前記板の前記貫通孔を設ける位置をずらすことにより、前後の前記板の前記貫通孔が互いに重なり合う部分と、前記貫通孔を塞ぐ部分とを形成し、前記重なり合う部分は前記混合ガスを通過させ、前記塞ぐ部分は前記混合ガスの流れを乱すことを特徴とする。
【００１１】
【発明の効果】
上述の構造により、簡単な構造で短い区間に設置でき、低流量から高流量において流れに３次元的な衝突・屈曲・旋回・剥離を短い区間内で与えることができ、ガス混合を促進することができる．
【００１２】
【実施の形態】
図１から図６を参照して、第１の実施形態を説明する。本実施形態による一酸化炭素除去装置１は改質ガスに酸化剤を供給する酸化剤導入部４、混合ガス２２を均一に混合する混合部５、および一酸化炭素を除去する一酸化炭素選択酸化触媒層６から構成される。
【００１３】
燃料電池が効率よく発電するためには、改質器から流れる改質ガス中に含まれる濃度がわずか約１．５％（＝１５０００ｐｐｍ）の一酸化炭素でも、一酸化炭素除去装置１において１０ｐｐｍ以下に下げなければならない。この一酸化炭素除去装置１において、一酸化炭素を除去するためには、一酸化炭素を酸化するため、一酸化炭素除去装置１と上流の改質器の間に、一酸化炭素を含む改質ガス中に、流量条件に応じた必要十分の適切な量の酸化剤として酸素を含む空気などのガスを導入し、改質ガスと酸化剤の混合ガス２２を生成するする酸化剤導入部４を設ける必要がある。
【００１４】
一酸化炭素の酸化を効率よく、また、未酸化のまま一酸化炭素除去器を通過しないようにするには、低濃度の一酸化炭素を含む改質ガス中に、少量の酸化剤でも均一に混合する混合部５を設ける必要がある。本発明の特徴は、水素リッチな改質ガス中に含まれる一酸化炭素と酸化剤とを均一に混合する混合部５である。
【００１５】
図２に示すように、混合部５は貫通孔１０１を有する複数の板１００が積層した積層体９から構成される。図２中の番号＃１〜＃６が付された図は混合部５を構成する板１００を示す。それぞれの板１００は所定の位置に貫通孔１０１を有し、所定の板厚ｔを持つ。貫通孔の短辺ａ１と板厚ｔの寸法の例として、板厚ｔ  ＝  ２．５  ｍｍに対しａ１  ＝  ５ｍｍ、ｔ  ＝  ５ｍｍに対しａ１＝１０ｍｍ、ｔ  ＝１０ｍｍに対しａ１＝４０ｍｍなどがあり、比例関係などの制限は無くてもよい。
【００１６】
以下、板１００の貫通孔１０１の位置を説明するが、この位置は混合ガス２２上流側から見た位置である。他の実施形態でも同様とする。第１の板１００Ａは左上に貫通孔１０１Ａを有し、第２の板１００Ｂは左上から左下かけて貫通孔１０１Ｂを有し、第３の板１００Ｃは左下から右下にかけて貫通孔１０１Ｃを有し、第４の板１００Ｄは右下から右上にかけて貫通孔１０１Ｄを有し、第５の板１００Ｅは左上から右上にかけて貫通孔１０１Ｅを有し、第６の板１００Ｆは左上に貫通孔１０１Ｆを有する。
【００１７】
板１００を混合ガス２２の上流から番号順に積層することにより、図３に示すように、混合ガス２２の流路１０１を形成する。流路１１０は迂曲しているため、混合ガス２２を強制的に旋回する流路を構成する。板１００は金属板をクラッド材としこれをろう付けなどで接合、またはアクリルなど樹脂の材料を接着し、積層する。
【００１８】
この実施形態では、図４に示すように、流路１０１の旋回方向が混合ガス２２上流からみて左回りすることになる。流路１０１の入口の位置と流路１０１の出口の位置とが一致し、ちょうど１回転するが、さらに１回転してもよく、または１回転せずに１／４回転などでもよい。混合攪拌具合をユーザの所望のものになるよう決めることが出来る。
【００１９】
本発明における、混合度合いの均一性を生じせしめる原理は、混合部５において、ガス主流断面内に衝突・旋回・剥離する流れを生成することによる。即ち、酸化剤ガスと一酸化炭素の含まれる混合ガス２２の流れが、板１００中の貫通孔１０１の壁面や板の壁面に多数回衝突し、混合ガス２２の流れに強制的な旋回運動を与え、ガスの旋回流れを発生させる。旋回するガスは、この旋回自体が渦と考えられるが、詳しく見ると、ガス質量の慣性により遠心力が発生し、流路の外側の圧力が上昇し、一方、中心側の圧力が低くなるため、外側から中心側へ向かう流れが発生し、これが循環し旋回流れより小規模な渦流れが発生する。
【００２０】
また、ガスの衝突部や剥離部でもガスの粘性および慣性の効果により、ガスの旋回流れよりも小規模な渦が発生する。これら大小の渦の発生により、ガスの流れによる質量輸送の効果をもたらす。
【００２１】
さらに渦を発生させる手段として、積層される板の孔サイズや板の厚さを板ごとに段階的に変更すると、流路サイズを段階的に変化させる手段もある。
これによって流れに加速および減速を与えることができ、例えば加速後に急速に減速した場合、流れるガスには慣性があり急激な変化に対応しきれず、流れ場を乱し、不規則な渦を形成する。
【００２２】
なお、低流量時の流速が小さい場合でも、流れの衝突・旋回・剥離をこの流路形状により強制的に繰り返すことで混合の均一性を得られる。
【００２３】
これにより、簡単な構造で短い区間に設置出来、低流量から高流量において流れに３次元的な衝突・屈曲・旋回・剥離を短い区間内で与えることが出来、ガス混合を促進することができる。
【００２４】
なお、それぞれの板１００の貫通孔１０１の短辺の径は、すべて同じ径でなくてもよく、図１５に示すように、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ａ６は順に大きくなってもよい。また、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ａ６を順に小さくしたり、ａ１＞ａ２＞ａ３＜ａ４＜ａ５＜ａ６など、大小関係を流路半ばで逆転傾向にしてもよい。
【００２５】
このように、段階的に板に開ける形状の大きさを変更することで、板厚を変えることなく段階的に流路の幅を変更でき、例えば大きく変更してゆくときは段階的に流路が広がり減速流れを作り出し、逆に小さく変更してゆくときは段階的に流路が狭まり加速流れを作り出す。また、広めたり狭めたりすることで減速・加速を繰り返す流れを作り出し、混合の効果が向上する。
【００２６】
また、図６および図７に示すように、板１００の板厚ｔがｔ１、ｔ２、ｔ３・・・の順に大きくなっても小さくなっても良い。また、ｔ１＞ｔ２＞ｔ３＜ｔ４＜ｔ５＜ｔ６など、流路半ばで逆転傾向にしてもよい。
【００２７】
このように、段階的に板厚ｔを変更することで、例えば厚く変更してゆくときは段階的に流路が広がり減速流れを作り出し、逆に薄く変更してゆくときは段階的に流路が狭まり加速流れを作り出す。また広めたり狭めたりを繰り返すことで減速・加速を繰り返す流れを作り出し、混合の効果が向上する。
【００２８】
次に、図８から図１０を参照して、本発明の第２の実施形態を説明する。
図８中の番号＃１〜＃７が付された図は積層体９を構成する板１１０を示す。それぞれの板１１０は所定の位置に貫通孔１１１を有し、これらの板１１０を積層することにより、混合ガス２２の流路１１１を形成する。板１１０の板厚ｔおよび貫通孔１１１の短辺ａ１の寸法は第１の実施形態と同じである。
【００２９】
第１の板１１０Ａは左上に貫通孔１１１Ａを有し、第２の板１１０Ｂは左上から左下かけて貫通孔１１１Ｂを有し、第３の板１１０Ｃは左下から右下にかけて貫通孔１１１Ｃを有し、第４の板１１０Ｄは右下に貫通孔１１１Ｄを有し、第５の板１１０Ｅは左下から右下にかけて貫通孔１１１Ｅを有し、第６の板１１０Ｆは左上から左下にかけて貫通孔１１１Ｆを有し、第７の板１１０Ｇは右上に貫通孔１１１Ｆを有する。
【００３０】
板１１０を混合ガス２２の上流から番号順に積層することにより、図９に示すように、混合ガス２２の流路１１１を形成する。流路１１１は迂曲しているため、混合ガス２２を強制的に旋回する流路を構成する。
【００３１】
この実施形態では、図１０に示すように、混合ガス２２は第１の実施例と異なり、旋回させる回転方向が流路の途中で反転している。このようにしても、第１に実施形態と同様に一酸化炭素と酸化剤との混合を均一に行うことができる。
【００３２】
次に、図１１を参照して、本発明の第３の実施形態を説明する。
【００３３】
図１１中の番号＃１〜＃９が付された図は積層体９を構成する板１２０を示す。それぞれの板１２０は所定の位置に第１の貫通孔１２１と第２の貫通孔１２２を有し、これらの板１２０を積層することにより、混合ガス２２の第１の流路１２１および第２の流路１２２を形成する。板１２０の板厚ｔ、第１の貫通孔１２１の短辺ａ１、および第２の貫通孔１２１の短辺ａ２の寸法はの例としては板厚ｔ  ＝  ２．５  ｍｍに対しａ１  ＝  ５ｍｍとａ２＝５ｍｍなど、であるが、ａ１とａ２は必ずしも一致していなくてもよい。
【００３４】
第１の板１２０Ａは左上に第１の貫通孔１２１Ａおよび右下に第２の貫通孔１２２Ａを有し、第２の板１２０Ｂは左上から左下かけて第１の貫通孔１２１Ｂおよび右上から右下にかけて第２の貫通孔１２２Ｂを有し、第３の板１２０Ｃは左下に第１の貫通孔１２１Ｃおよび右上に第２の貫通孔１２２Ｃを有し、第４の板１２０Ｄは右上から左上にかけて第１の貫通孔１２１Ｄおよび右下から左下にかけて第２の貫通孔１２２Ｄを有し、第５の板１２０Ｅは右下に第１の貫通孔１２１Ｅおよび左上に第２の貫通孔１２２Ｅを有し、第６の板１２０Ｆは左上から左下にかけて第１の貫通孔１２１Ｆおよび右上から右下にかけて第２の貫通孔１２２Ｆを有し、第７の板１２０Ｇは右上に第１の貫通孔１２１Ｆおよび左下に第２の貫通孔１２２Ｇを有し、第８の板１２０Ｈは右上から左上にかけて第１の貫通孔１２１Ｈおよび左下から左下にかけて第２の貫通孔１２２Ｈを有し、第９の板１２０Ｉは左上に第１の貫通孔１２１Ｉおよび右下に第２の貫通孔１２２Ｉを有する。
【００３５】
板１２０を混合ガス２２の上流から番号順に積層することにより、混合ガス２２の第１の流路１２１および第２の流路１２２が形成される。このようにして、混合ガス２２の流路を２つ設けることにより、混合ガス２２の流れに対する抵抗が半減される。
【００３６】
次に、図１２を参照して、本発明の第４の実施形態を説明する。
【００３７】
この実施形態によると、積層体９を構成する第２の板１３０に、酸化剤通路１３２および混合ガス２２流路１３１と連通する酸化剤導入部１３３が形成される。他の構成は第１の実施形態と同じである。図１３に示すように、第２の板１３０で改質ガスに酸化剤が導入され、下流の迂曲した流路１３１を流れながら改質ガスと酸化剤は混合する。
【００３８】
このように、混合ガス２２流路１３１の中間部に酸化剤導入部１３３を設けることで、酸化剤導入部４と混合部５が一体化され、よりコンパクトな構成が出来る。
【００３９】
次に、図１４を参照して、本発明の第５の実施形態を説明する。
【００４０】
この実施形態によると、積層体９を構成する第２の板１４０に、酸化剤通路１４１、１４２を設け、それぞれの酸化剤通路１４１、１４２が混合ガス２２流路１４３、１４４と連通するようにした。他の構成は第３の実施形態と同じである。
【００４１】
これにより、第２の板１４０で改質ガスに酸化剤が導入され、下流の迂曲した流路１４３、１４４を流れながら改質ガスと酸化剤は混合する。このように、混合ガス２２流路１４３、１４４の中間部に酸化剤を導入することで、酸化剤導入部４と混合部５が一体化され、よりコンパクトな構成が出来る。
【００４２】
次に、図１５を参照して、本発明の第６の実施形態を説明する。
【００４３】
この実施形態によると、混合部５は積層体９の出口側に多孔質体３０を備える。他の構成は第１の実施形態と同じである。多孔質体の例としては発泡金属、金の子タワシ、金属メッシュ、結晶金属、発泡セラミック、などがある。
【００４４】
このように、積層体９の出口側に多孔質体３０を設けることで、第１の実施形態よりもさらに混合を促進して混合効果を高めることができる。
【００４５】
次に、図１６を参照して、本発明の第７の実施形態を説明する。
【００４６】
この実施形態によると、積層体９を構成する板１５０は複数の貫通孔１５１を有し、第１の実施形態の混合ガス２２流路１５１を複数形成する。他の構成は第１の実施形態と同じである。
【００４７】
このように、混合ガス２２流路１５０を複数配置することで、第１の実施形態よりも高い混合効果を得ることができる。
【００４８】
次に、図１７を参照して、本発明の第８の実施形態を説明する。
【００４９】
この実施形態によると、積層体９を構成する板１６０は複数の大きさの異なる貫通孔１６１、１６２を有し、断面積の異なる混合ガス２２流路１６１、１６２を複数形成する。他の構成は第７の実施形態と同じである。
【００５０】
このように、断面積の異なる混合ガス２２流路１６１、１６２を複数配置することで、混合ガス２２流路１６１、１６２出口での流れ場が複雑になり、第７の実施形態よりも混合を促進する。
【００５１】
次に、図１８を参照して、本発明の第９の実施形態を説明する。
【００５２】
この実施形態によると、積層体９を構成する板１７０は複数の貫通孔１７１、１７２を有し、回転方向の異なる混合ガス２２流路１７１、１７２を複数形成する。他の構成は第７の実施形態と同じである。
【００５３】
板１７０の積層により形成された混合ガス２２流路１７１は混合ガス２２が右回りに流れるように構成され、混合ガス２２流路１７２は混合ガス２２が左回りに流れるように構成される。図１９は貫通孔１７２の位相を例示した図である。
【００５４】
このように、回転方向および位相の異なる複数の混合ガス２２流路１７１、１７２を設けることにより、混合ガス２２流路１７１、１７２出口における流れ場が複雑になる。また、混合ガス２２流路１７１、１７２出口を板１７０の外周付近に配置でき、偏りを無くすことができる。したがって、第７の実施形態および第８の実施形態よりも高い混合効果を得ることができる。
【００５５】
次に、図２０を参照して、本発明の第１０の実施形態を説明する。
【００５６】
この実施形態によると、混合部５は積層体９の出口に多孔質体３０を備える。他の構成は第７の実施形態と同一である。
【００５７】
これにより、混合が促進され、第７の実施形態よりも高い混合効果を得ることができる。
【００５８】
次に、図２１を参照して、本発明の第１１の実施形態を説明する。
【００５９】
この実施形態によると、混合部５は積層体９を混合ガス２２の流れ方向に沿って複数備える。
【００６０】
これにより、混合がさらに促進され、第７の実施形態よりも高い混合効果を得ることができる。
【００６１】
次に、図２２を参照して、本発明の第１２の実施形態を説明する。
【００６２】
この実施形態によると、混合部５は旋回方向の異なる混合ガス２２流路１９３、１９４、１９５を有する複数の積層体１９０、１９１、１９２を混合ガス２２の流れ方向に沿って交互に備える。他の構成は第１１の実施形態と同一である。
【００６３】
混合ガス２２は、まず板の積層体１９０内に形成された混合ガス２２流路１９３を右回りに旋回しながら通過する。次に、混合ガス２２は板の積層体１９１の混合ガス２２流路１９４を左回りに旋回しながら通過する。さらに、混合ガス２２は板の積層体１９２の混合ガス２２流路１９５を右回りに旋回しながら通過する。
【００６４】
これにより、流れ場を乱す効果が高められ、第１１の実施形態よりも高い混合効果を得ることができる。
【００６５】
次に、図２３を参照して、本発明の第１３の実施形態を説明する。
【００６６】
この実施形態によると、混合部５は、異なる混合ガス２２流路２０３、２０４、２０５の径ａ１、ａ２、ａ３および厚みｔ１、ｔ２、ｔ３を有する複数の積層体２００、２０１、２０２を混合ガス２２の流れ方向に沿って備える。他の構成は第１１の実施形態と同一である。
【００６７】
これにより、混合ガス２２の流れに加速流もしくは減速流を作り出し、第１１の実施形態よりも高い混合効果を得ることができる。
【００６８】
次に、図２４を参照して、本発明の第１４の実施形態を説明する。
【００６９】
この実施形態によると、混合部５は、複数の積層体９の下流に多孔質体３０を備える。他の構成は第１１の実施形態と同一である。
【００７０】
これにより、さらに混合が促進され、第１１の実施形態よりも高い混合効果を得ることができる。
【００７１】
次に、図２５から図２６を参照して、本発明の第１５の実施形態を説明する。
【００７２】
この実施形態によると、積層体９の下流に一酸化炭素選択触媒を塗布または含ませた多孔質体４３を備える。この多孔質体４３は一酸化炭素の酸化機能を有する。この他の構成は第１１の実施形態と同一である。
【００７３】
図２５は積層体９を経て多孔質体４３に至るまでの、混合ガス２２の流れを示す。なお、図２７に示すように、複数の積層体９配列して、その下流側に多孔質体４３を設けてもよい。
【００７４】
これにより、混合部５と一酸化炭素酸化触媒部６を一体化することができ、一酸化炭素除去装置１を小型化することができる。
【００７５】
次に、図２８を参照して、本発明の第１６の実施形態を説明する。
【００７６】
この実施形態によると、一酸化炭素除去装置１は、改質ガスの流れ２０７に酸化剤を排出する酸化剤導入部４と、改質ガス２０７と酸化剤２０８を攪拌させて混合するチャンバ部２１０と、改質ガスと酸化剤の混合ガス２２の流路を屈曲させてさらに混合を促す積層体９と、一酸化炭素を除去する一酸化炭素選択酸化触媒部６を備える。
【００７７】
酸化剤導入部４は、図２９に示すように、酸化剤流路２０８が設けられた中央部が開口した四角形のオリフィス板２２０から構成される。このオリフィス板２２０は、図３０に示すように、円盤形でもよい。図２９および図３０中の矢印で示すように、酸化剤は旋回するように排出される。酸化剤導入部４で改質ガスは流路の断面積を急激に絞られ流速を増す。改質ガスの流れ２０７内では静圧が下がるため、酸化剤流路２０８から排出される酸化剤は噴出し孔２１８を通って改質ガスの流れ２０７に引き込まれる。
【００７８】
チャンバ部２１０では流路の断面積が急激に増加するため流路の管壁では強い流れの剥離が生じ、流れの乱れにより大小の渦２０９が生じる。また、積層体９に衝突した流れも乱れを生じる。これにより、改質ガスと酸化剤の混合を促進する。
【００７９】
積層体９は第１の実施形態と同様であり、混合ガス２２を流す屈曲した流路を構成する。
【００８０】
このように、絞り部に酸化剤噴出し孔２１８を設けることで、絞りにより加速され負圧となった改質ガス中へ酸化剤を導入することになり、酸化剤を導入するエネルギーが低減できる。
【００８１】
また、絞り部に酸化剤噴出し孔２１８を設けることで、酸化剤噴出し孔２１８の数を減らすことができ、各酸化剤噴出し孔２１８への分配の均一性が得られる。分配が均一に行われれば、攪拌に要する体積が減少できる。また、急激にガス通路が拡大することで、剥離流れによる渦が形成され混合を促進する。
【００８２】
さらに、板に開けた孔を複数積層構成するため、混合装置の下流部に屈曲したガス通路を、容易に製作することができる。この屈曲したガス通路が、混合ガス２２の流れに衝突・迂曲・加速・減速・剥離を起こさせ混合を促進させることが出来る。
【００８３】
次に、図３２を参照して、本発明の第１７の実施形態を説明する。
【００８４】
この実施形態によると、一酸化炭素除去装置１は混合ガスの流れ２０７を反転させて渦２０９を形成する筒状の案内板３１４をチャンバ部２１０に備える。他の構成は第１６の実施形態と同じである。
【００８５】
このようにチャンバ部２１０内に混合ガスを反転させる構造をもたせることで、チャンバ部２１０内を滞留する混合ガスの流れ２０７に衝突・迂曲・加速・減速・剥離を起こさせ、第１６の実施形態よりもさらに混合を促進することができる。
【００８６】
次に、図３３を参照して、本発明の第１８の実施形態を説明する。
【００８７】
この実施形態によると、一酸化炭素除去装置１の積層体９は混合ガスに旋回流２５０を与えるように構成される。他の構成は第１６の実施形態と同じである。
【００８８】
図３４に示すように、積層体９は台形状の肉抜き部２２５、２２６、２２７、２２８を有する板２２１、２２２、２２３、２２４をＡＢＣＤの順番に積層することにより構成される。これにより、混合ガスの流れが旋回し、混合ガスの混合が促進される。また、積層体９は、図３５で示すように、扇形の肉抜き部２３４、２３５、２３６、２３７を有する円盤形の板２３０、２３１、２３２、２３３を積層して形成してもよい。
【００８９】
これにより、積層体９の混合ガスの流れが旋回流２５０となり、第１６の実施形態と比較してより効果的に混合を促進することができる。
【００９０】
次に、図３５および図３６を参照して、本発明の第１９の実施形態を説明する。
【００９１】
この実施形態によると、一酸化炭素除去装置１の積層体９を構成する板２６０は冷却媒体２６２の流路２６１が設けられた熱良導体から構成される。他の構成は第１６の実施形態と同じである。
【００９２】
図３６で示すように、板２６０の内部に冷却媒体２６２が流れる流路２６１が形成される。板２６０は熱伝導率の高い材質からなる。また、板２６０をプレート型ヒートパイプ構造とすることもできる。
【００９３】
これにより、混合ガスを冷却し、一酸化炭素選択酸化触媒層６に流入する混合ガス温度を調節することができる。
【００９４】
次に、図３７を参照して、本発明の第２０の実施形態を説明する。
【００９５】
この実施形態によると、積層体９の混合ガスの屈曲流路内に一酸化炭素選択酸化触媒を担持した発泡金属やメッシュなどの多孔体質２７０が設けられる。多孔質体のもつ混合効果により、万一、屈曲流路に酸化剤と一酸化炭素が不均一で入ってきたとしても、この屈曲流路中で十分均一な混合を得ることができる。また、混合部５と一酸化炭素選択触媒層６とを一体とすることができ、一酸化炭素除去装置１を小型化することができる。
【００９６】
なお、第１９の実施形態と組み合わせ、温度制御を行いながら一酸化炭素の選択酸化を行うことも出来る。
【００９７】
次に、図３８から図４０を参照して、本発明の第２１の実施形態を説明する。
【００９８】
この実施形態によると、酸化剤導入部４の噴出し孔２１８の数を改質ガスの流量に応じて変化させる手段を備える。
【００９９】
図３８は酸化剤２８０の噴出し状態が負荷１００％のもので、噴出しによる混合度が１００％であるものを示す。図３９は負荷が５０％になったとき、噴出し孔２１８の数を変えずに噴出す流量を５０％にしたものを示す。図中の矢印の長さは、酸化剤の噴流の速度を表す。この噴出し状態であると、噴流のエネルギーが流速の二乗で効くため混合度が２５％と減少し、主流に与える混合度合いは２５％に弱まる。
【０１００】
これに対し、図４０に示すように、この実施形態では負荷が５０％になったとき、噴出し孔２１８の数を半数に減少させる。これにより、合計で必要な噴出させる流量を５０％にしても、噴流の運動エネルギーは変わらず、孔数の減少で混合度は５０％となり、混合度合いの低下を抑えられる。
【０１０１】
改質システムの負荷が変化して、改質ガス流量が変化するが、流量が少なくなったとき、改質ガスの流れる間の断面積を急激に変化させる箇所での流れの剥離による混合度合いが低下する。このとき、断面積の急激な変化部分に設けた酸化剤導入箇所の数を、例えば４つから２つに減らし、酸化剤の流量は変化させずに噴流を強めることで、改質ガスと酸化剤の混合ガス２２に流れの旋回を強めることができ、低負荷時の改質ガスが低流量であるときも酸化剤の均一性能化が図られる。
【０１０２】
次に、図４１および図４２を参照して、本発明の第２２の実施形態を説明する。
【０１０３】
この実施形態によると、酸化剤導入部４での酸化剤噴出し方向と積層体９での混合ガス２２旋回方向が反対になるように構成される。図４１に示すように、酸化剤導入部４において混合ガス２２の流れが左旋回するように酸化剤を噴出す。反対に、積層体９では混合ガス２２の流れが右旋回するように構成される。
【０１０４】
このように、酸化剤の噴流による旋回流れの回転方向と、酸化剤導入部下流の旋回流れを起こす屈曲ガス通路の回転方向とを逆にすることで、さらに屈曲性を高め、混合ガスの混合均一性能を高めることができる。
【０１０５】
第１６の実施形態から第２２の実施形態で説明した通り、本発明は、酸化剤の分配導入均一性の向上と、水素リッチな改質ガス中に含まれる一酸化炭素と、酸化剤との、混合度合いの均一性の向上とを、わずかな空間において実現するためのものである。
【０１０６】
改質ガス中へ低濃度のガスを均一に混入させるのにあたって、本発明を適用しようとする対象物から要求される条件を以下に記す：
１：未混合領域は許されない。
２：改質ガスの流れる通路は、矩形または円形の面（例として□１５０ｍｍ）をもつ。
３：酸化剤導入から混合までに費やせるスペースは、上記通路断面を改質ガスの流れ方向に数十ｍｍだけスイ−プして作られる体積である。
４：改質ガスは連続的に流れ、かつ供給されなければならない。
５：改質ガスは移動体の負荷に合わせ流量が変動する。
６：流れのエネルギー損失（圧力損失）は可能な限り減らす。
７：半永久的に使用する。
８：製造コストを極限まで抑える。
９：混合に用いるエネルギーは最小限とする。
以上から考えると、まず条件７および条件９のためには可動部の存在を許容することはできないため、動的なものは避け、静的なものを考えなければならない。
【０１０７】
また条件４を利用して静的な混合器であるほうが条件９を満たす。
次に、酸化剤ガスの改質ガス中への分子拡散のみによる混合を考えた場合、時間スケールを計算し、上記３の条件を考慮すると、酸化剤がこのスペース内のみが均一に混合される時間よりも遥かに短い時間の間で、改質ガスが流れ去ってしまうため分子拡散のみでは混合できない。
【０１０８】
このため、空間を均一に混合させるには、断面内へ均一に分配する必要がある。この技術の公知例として、例えば、特開２０００−２０３８０１があるが、この分配管の元であるマニホールドへの酸化剤ガス供給箇所と、各孔との距離がそれぞれ異なるため、分配管内の圧損によりそれぞれから噴出される酸化剤ガス流速が異なってしまう。さらに、変動する改質ガスの流量に合わせて酸化剤ガスの流量を変化させると、例えば分配管根元で流量が多く先端が少ないといった、分配傾向が逆転し、噴出孔の径をあらかじめ変化をつけておくといった手段で対処できない。
【０１０９】
したがって、本発明では、断面の面積を意図的に縮小させ、この箇所へ酸化剤を導入すること手段をとった。これと同時に、導入後の断面面積を急激に拡大させることで、ガスの粘性力、および慣性力の関係から、剥離流を引き起こし、ガス流れ管の周方向を回転軸とする大きな渦が小さなスペースに生じ、この渦による流れを混合のための酸化剤ガスの輸送に用いることが出来る。
【０１１０】
さらに酸化剤の噴出孔をガスの流れに周方向の旋回を与えることにより、上記の渦運動を周方向に輸送し、断面内に酸化剤ガスの輸送を促進する。
その下流に衝突、迂曲、旋回する流れを強制的に形成する流路を積層により備えた板を設置し、より一層の混合効果を高め、条件１を達成し、これらの剥離・旋回・衝突・迂曲といった流れの運動を効率よく空間内に引き起こすことで、条件２、３をクリアする。同時に流量の変動に対し、流れの規模によらず条件４、５、６をクリアする。
【０１１１】
これが、本発明における、混合度合いの均一性を生じせしめる原理である。
なお、上記の構造物は管と板を組み合わせ、金属板をクラッド材としこれをろう付けなどで接合、またはアクリルなど樹脂の材料を接着し、容易に製作できるため、条件８をクリアする。
条件７、９は検討の開始時点より考慮しているためクリアしている。
【０１１２】
本発明を、構造的と方法的特徴に関してある程度特定的な言葉で説明したが、本明細書に開示した手段は本発明を実施する好ましい形態を含むものであり、本発明はこれら図示し記載された特定の特徴に制限されないことを理解されたい。したがって、本発明は、均等の原則に従って適切に解釈される特許請求の範囲に記載された範囲内におけるいかなる形態または変更についても含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の一酸化炭素除去装置の構成を説明する概略構成図である。
【図２】第１の実施形態の積層体を構成する板を説明する図である。
【図３】第１の実施形態の積層体の混合ガス流路を説明する図である。
【図４】第１の実施形態の積層体内の混合ガスの流れを説明する図である。
【図５】第１の実施形態の積層体を構成する板の貫通孔を説明する図である。
【図６】第１の実施形態の積層体を構成する板の板厚を説明する図である。
【図７】第１の実施形態の板の板圧と混合ガスの流路距離との関係を説明する図である。
【図８】第２の実施形態の積層体を構成する板を説明する図である。
【図９】第２の実施形態の積層体の混合ガス流路を説明する図である。
【図１０】第２の実施形態の積層体内の混合ガスの流れを説明する図である。
【図１１】第３の実施形態の積層体を構成する板を説明する図である。
【図１２】第４の実施形態の積層体を構成する板を説明する図である。
【図１３】第４の実施形態の積層体内の混合ガスの流れを説明する図である。
【図１４】第５の実施形態の積層体を構成する板を説明する図である。
【図１５】第６の実施形態のを説明する図である。
【図１６】第７の実施形態の積層体を説明する図である。
【図１７】第８の実施形態の積層体を説明する図である。
【図１８】第９の実施形態の積層体を説明する図である。
【図１９】第９の実施形態の貫通孔の位相を説明する図である。
【図２０】第１０の実施形態の混合部を説明する図である。
【図２１】第１１の実施形態の混合部を説明する図である。
【図２２】第１２の実施形態の混合部を説明する図である。
【図２３】第１３の実施形態の混合部を説明する図である。
【図２４】第１４の実施形態の混合部を説明する図である。
【図２５】第１５の実施形態の混合部での混合ガスの流れを説明する図である。
【図２６】第１５の実施形態の混合部を説明する図である。
【図２７】第１５の実施形態のもう１つの混合部を説明する図である。
【図２８】第１６の実施形態の一酸化炭素除去装置を説明する図である。
【図２９】第１６の実施形態の酸化剤導入部を説明する図である。
【図３０】第１６の実施形態のもう１つの酸化剤導入部を説明する図である。
【図３１】第１７の実施形態の一酸化炭素除去装置を説明する図である。
【図３２】第１８の実施形態の一酸化炭素除去装置を説明する図である。
【図３３】第１９の実施形態の一酸化炭素除去装置を説明する図である。
【図３４】第１９の実施形態の積層体を構成する板を説明する図である。
【図３５】第１９の実施形態の積層体を構成する板を説明する図である。
【図３６】第２０の実施形態の一酸化炭素除去装置を説明する図である。
【図３７】第２０の実施形態の積層体を構成する板を説明する図である。
【図３８】第２１の実施形態の酸化剤導入部を説明する図である。
【図３９】第２１の実施形態の酸化剤導入部を説明する図である。
【図４０】第２１の実施形態の酸化剤導入部を説明する図である。
【図４１】第２２の実施形態の酸化剤導入部を説明する図である。
【図４２】第２２の実施形態の積層体を説明する図である。
【符号の説明】
１  一酸化炭素除去装置
４  酸化剤導入部
５  混合部
６  一酸化炭素選択酸化触媒層
８  酸化剤の流れ
９、１９１、１９２、１９３、２００、２０１、２０２  積層体
２２  混合ガスの流れ
３０  多孔質体
４３、２７０  一酸化炭素選択酸化触媒を担持した多孔質体
１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１６０、１７０  板
１０１、１１１、１２１、１３１、１４３、１４４、１６１、１６２、１７１、１７２、１９３、１９４、１９５、２０３、２０４、２０５  貫通孔
１３２、１４１、１４２  酸化剤流路
１３３  酸化剤噴出し孔
２０７  改質ガスの流れ
２０８  酸化剤流路
２１８  噴出し孔
２０９  渦
２１０  チャンバ部
２１２  絞り部
２２０  オリフィス板
２２１、２２２、２２３、２２４、２３０、２３１、２３２、２３３  板
２２５、２２６、２２７、２２８、２３４、２３５、２３６、２３７  貫通孔
２５０  渦流
２６０  冷媒流路を設けた板
２６１  冷媒流路
２６２  冷媒
３１４  案内板
ａ  貫通孔の大きさ
ｔ  板の板厚
【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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【図１１】
2004216211.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2004216211.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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