(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの流路と、この流路内に設けられ流れ方向に交差して配置された複数のフィン付チューブと、前記流路内で前記フィン付チューブを覆って充填された触媒と、を備えた反応器であって、前記流路には水素ガス、一酸化炭素ガス、水蒸気を含むガスが供給され、前記フィン付チューブ内には熱媒体油が供給されるようになっており、
前記複数のフィン付チューブは、別個のフィン付チューブであるとともに、前記流路内の触媒が存在する領域における前記反応ガスの流れ方向に間隔をおいて配置され、かつ、前記流路の一方の側面側から他方の側面側へ直線状に延びて前記流路を貫通しており、
前記流路の一方の側面側には、熱媒体油が流れるヘッダーが配置されており、熱媒体油が、該流路の一方の側面側において前記ヘッダーから前記複数のフィン付チューブへ分岐して流れ込み、該複数のフィン付チューブ内を前記流路の他方の側面側へ流れるようになっている、ことを特徴とする一酸化炭素酸化反応器。
【請求項２】
反応ガスの流路と、この流路内に設けられ流れ方向に交差して配置された複数のフィン付チューブと、前記流路内で前記フィン付チューブを覆って充填された触媒と、を備えた反応器であって、前記流路には一酸化炭素ガス、酸素ガスを含むガスが供給され、前記フィン付チューブ内には熱媒体油が供給されるようになっており、
前記複数のフィン付チューブは、別個のフィン付チューブであるとともに、前記流路内の触媒が存在する領域における前記反応ガスの流れ方向に間隔をおいて配置され、かつ、前記流路の一方の側面側から他方の側面側へ直線状に延びて前記流路を貫通しており、
前記流路の一方の側面側には、熱媒体油が流れるヘッダーが配置されており、熱媒体油が、該流路の一方の側面側において前記ヘッダーから前記複数のフィン付チューブへ分岐して流れ込み、該複数のフィン付チューブ内を前記流路の他方の側面側へ流れるようになっている、ことを特徴とする一酸化炭素酸化反応器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池の改質器から発生する一酸化炭素ガスを酸化して二酸化炭素ガスにする反応器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell:ＰＥＦＣ）は、図７に原理図を示すように、電解質にプロトン（Ｈ+ ）の導電性を有する高分子膜を用い、この高分子膜の両側に薄い多孔質Ｐｔ触媒電極（アノードとカソード）を設けた構造を有する。アノードにＨ2 、カソードにＯ2 を供給し、室温〜１００℃前後で動作させると、Ｈ2 はＨ2 極（アノード）でＨ+ に酸化され、Ｈ+ は膜内を移動してＯ2 極（カソード）に到達する。一方ｅ- は外部回路を通って電気的な仕事をした後、Ｏ2 極に到達する。Ｏ2 極でＯ2 が、到達したＨ+ およびｅ- と反応してＨ2 Ｏに還元する。
【０００３】
定置用のＰＥＦＣでは、インフラの整っている天然ガスやフロパンを燃料とするシステム構成が一般的である。移動式ＰＥＦＣの燃料としては、燃料貯蔵や燃料補給などの取扱の容易さ、燃料貯蔵密度、燃料改質に要する温度などからメタノールが最適である。メタノールを使用する場合、改質器（水蒸気改質）では、メタノールと水から次の反応により、Ｈ2 とＣＯ2 が生成される。
ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ＝３Ｈ2 ＋ＣＯ2 …（１）
【０００４】
しかるにＣＯ2 とともにＣＯも若干ではあるが発生する。アノードに供給する改質ガスに少しでも一酸化炭素が含まれていると、電極の白金触媒がＣＯ被毒（白金に強く吸着して水素の反応を阻害する）を受け電圧が著しく低下する。
【０００５】
図８は改質器で発生したＣＯを除去する設備を示す。改質器１０の後にシフトコンバータ１１とＣＯ除去器１２とを設け、改質ガス中のＣＯを許容値（例えば１０〜１００ｐｐｍ）以下にしてアノードに供給するようにしている。シフトコンバータ１１とＣＯ除去器１２では発熱反応が行われるため、それぞれの入口にガス冷却の熱交換器１５が設けられている。
【０００６】
シフトコンバータ１１には、鉄系触媒が充填され、改質器１０の改質ガスに含まれるＣＯ，Ｈ2 Ｏを下記の反応式によりＣＯ2 とＨ2 に変える。
ＣＯ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋Ｈ2 …（２）
しかし、シフトコンバータ１１を通過した改質ガスには５０００〜１００００ｐｐｍのＣＯが残るため、ＣＯ除去器１２でさらにＣＯの除去が行われる。
【０００７】
ＣＯ除去器１２には貴金属系触媒が充填され、供給される空気中のＯ2 により選択酸化を行い、下記の反応式によりＣＯ2 に変え、ＣＯの値を上記許容値以内にする。
ＣＯ＋Ｏ2 →ＣＯ2 …（３）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
シフトコンバータ１１のシフト反応、ＣＯ除去器１２のＣＯ選択酸化反応は、反応速度、化学平衡、副反応等のバランスから最適な反応温度が存在する。ＣＯ濃度を低く抑えるには、反応器内の触媒温度をこの最適温度に保ことが必要である。このため反応器１１，１２の前に熱交換器１５を設け、供給する改質ガスの温度調整を行っているが、反応器１１，１２内では発熱反応が行われるため、図９に示すように反応器１１，１２の改質ガス流れ方向の触媒の温度分布は、入口側より出口側に上昇しており、一様温度ではない。このため触媒の効率が落ちるのでその量を多くしている。さらにこのため装置が大きくなり移動用電源として不利となる。
【０００９】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、反応器内の触媒の温度をできるだけ均一にする一酸化炭素酸化反応器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明では、反応ガスの流路と、この流路内に設けられ流れ方向に交差して配置された複数のフィン付チューブと、前記流路内で前記フィン付チューブを覆って充填された触媒と、を備えた反応器であって、前記流路には水素ガス、一酸化炭素ガス、水蒸気を含むガスが供給され、前記フィン付チューブ内には熱媒体油が供給されるようになっており、前記複数のフィン付チューブは、別個のフィン付チューブであるとともに、前記流路内の触媒が存在する領域における前記反応ガスの流れ方向に間隔をおいて配置され、かつ、前記流路の一方の側面側から他方の側面側へ直線状に延びて前記流路を貫通しており、前記流路の一方の側面側には、熱媒体油が流れるヘッダーが配置されており、熱媒体油が、該流路の一方の側面側において前記ヘッダーから前記複数のフィン付チューブへ分岐して流れ込み、該複数のフィン付チューブ内を前記流路の他方の側面側へ流れるようになっている。
【００１１】
改質ガスの流れに交差して複数のフィン付チューブを設け、このフィン付チューブを覆って触媒を充填し、フィン付チューブ内に熱容量の大きい熱媒体油を通すことにより、触媒温度をほぼ均一な適温にすることができる。これによりＣＯとＨ2 ＯからＣＯ2 とＨ2 を生成するのに必要な触媒の量を少なくすることができ、コストを軽減し、装置をコンパクトにすることができる。
【００１２】
請求項２の発明では、反応ガスの流路と、この流路内に設けられ流れ方向に交差して配置された複数のフィン付チューブと、前記流路内で前記フィン付チューブを覆って充填された触媒と、を備えた反応器であって、前記流路には一酸化炭素ガス、酸素ガスを含むガスが供給され、前記フィン付チューブ内には熱媒体油が供給されるようになっており、前記複数のフィン付チューブは、別個のフィン付チューブであるとともに、前記流路内の触媒が存在する領域における前記反応ガスの流れ方向に間隔をおいて配置され、かつ、前記流路の一方の側面側から他方の側面側へ直線状に延びて前記流路を貫通しており、前記流路の一方の側面側には、熱媒体油が流れるヘッダーが配置されており、熱媒体油が、該流路の一方の側面側において前記ヘッダーから前記複数のフィン付チューブへ分岐して流れ込み、該複数のフィン付チューブ内を前記流路の他方の側面側へ流れるようになっている。
【００１３】
改質ガスの流れに交差して複数のフィン付チューブを設け、このフィン付チューブを覆って触媒を充填し、フィン付チューブ内に熱容量の大きい熱媒体油を通すことにより、触媒温度をほぼ均一な適温にすることができる。これによりＣＯとＯ2 からＣＯ2 を生成するのに必要な触媒の量を少なくすることができ、コストを軽減し、装置をコンパクトにすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は本実施形態の反応器を含む改質器からアノードまでの装置を示す。改質器１０の出口側にシフトコンバータ１１が配置され、このシフトコンバータ１１の出口側にＣＯ除去器１２が配置され、ＣＯ除去器１２を出た改質ガスはアノード１３に供給される。改質器１０には燃料ガスとしてのメタノールと水蒸気が供給され、（１）式で示す反応によりＨ2 とＣＯ2 および少量のＣＯを発生し、これに水蒸気が加わって送り出される。シフトコンバータ１１とＣＯ除去器１２には発熱反応により発生する熱を除去し、内部に充填されている触媒３を均一な適温に維持する熱媒体油の供給装置がそれぞれ設けられている。シフトコンバータ１１の熱媒体油の供給装置は、シフトコンバータ１１に熱媒体油を供給するコンバータライン２０よりなり、このライン２０には、熱媒体油を貯蔵するタンク２２ａと、このタンク２２ａから熱媒体油を吸引してコンバータライン２０に送り出すポンプ２３ａと、加熱され戻ってくる熱媒体油を冷却するラジエータ２４ａとを備える。同様に、ＣＯ除去器１２の熱媒体油の供給装置は、ＣＯ除去器１２に熱媒体油を供給する除去器ライン２１よりなり、このライン２１には、熱媒体油を貯蔵するタンク２２ｂと、このタンク２２ｂから熱媒体油を吸引して除去器ライン２１に送り出すポンプ２３ｂと、加熱され戻ってくる熱媒体油を冷却するラジエータ２４ｂとを備える。このようにシフトコンバータ１１とＣＯ除去器１２にそれぞれ熱媒体油の供給装置を設けるのは、シフトコンバータ１１にはほぼ２００℃の熱媒体油を供給するのに対し、ＣＯ除去器１２にはほぼ１５０℃の熱媒体油を供給するためである。各ポンプ２３ａ，２３ｂは回転数を制御することにより流量制御を行い、シフトコンバータ１１の触媒３温度をほぼ２００℃、ＣＯ除去器１２の触媒３温度をほぼ１５０℃に保持することができる。
【００１５】
図２は第１実施形態のシフトコンバータ１１の内部を示す平面図であり、図３は図２のＸ−Ｘ断面図である。流路１内にはガス流れ方向と直交して複数本のフィン付チューブ２が設けられ、このフィン付チューブ２を覆って流路一杯に触媒３が充填されている。各フィン付チューブ２の両端にはヘッダー４が設けられ、熱媒体油を各フィン付チューブ２に供給し、このフィン付チューブ２から排出される熱媒体油を集め配管に送る。触媒３としては鉄系触媒や銅系触媒が用いられる。熱媒体油としては、例えば商品名でDiphylなどが用いられる。流路１には改質器１０でより送りだされたＨ2 ，Ｈ2 Ｏ，ＣＯが流入し、ＣＯとＨ2 Ｏは（２）式に示した反応により大部分のＣＯをＣＯ2 に変換する。このときの触媒３の最適温度は２００℃前後であり、熱媒体油の温度や流量を制御して２００℃前後を維持する。なおシフトコンバータ１１通過後の改質ガスにもＣＯが５０００〜１００００ｐｐｍ存在する。
【００１６】
図４は第２実施形態のＣＯ除去器１２の内部を示す平面図であり、図５は図４のＹ−Ｙ断面図である。ＣＯ除去器１２の構造はシフトコンバータ１１と同じであるが、触媒３は貴金属系触媒が用いられる。ＣＯ除去器１２では改質ガス中のＣＯと取り入れた空気中のＯ2 とが（３）式に示す反応によりＣＯ2 になる。この場合の触媒３の温度はほぼ１５０℃程度で、熱媒体油の温度や流量を制御してこの温度を維持する。ＣＯ除去器１２を通過した改質ガスのＣＯ含有率は許容値の１０〜１００ｐｐｍ以内となる。
【００１７】
図６は本実施形態のシフトコンバータ１１とＣＯ除去器１２の改質ガス流れ方向の触媒３の温度分布を示す。（Ｂ）に示すように、改質ガス流れ方向の触媒３の温度は一様な分布となっている。フィン付チューブ２の長さ方向の触媒３の温度分布も同様に一様であり、反応器１１，１２内の触媒３の温度分布は一様分布となる。
【００１８】
以上のように本実施形態では、反応器１１，１２内に複数のフィン付チューブ２を配置しこのフィン付チューブ２を覆って反応器１１，１２内に触媒３を充填し、フィン付チューブ２には熱容量が大きいため温度変化の少ない熱媒体油を流すようにしたので、反応器１１，１２内部の触媒３の温度を一様な適温に保ことができる。また熱媒体油循環システムは燃料電池システムと独立しているため、ラジエータ２４などの放熱部や流量制御により、燃料電池システムの負荷変動に影響されずに温度制御が可能になる。フィン付チューブ２は伝熱面積の大きい外面で改質ガスから受熱し、内部の熱伝達率の高い液体の熱媒体油に放熱するためにコンパクトな伝熱部となる。また触媒３の最も効率よい温度にして反応を行なうので、触媒３の量を少くすることができ、コンパクトな反応器とすることができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は、触媒の中にフィン付チューブを複数埋め込み熱容量の大きい熱媒体油で均一に触媒の適温に冷却することができるので、触媒効率がよくなり触媒量を少くすることができる。これによりコンパクトな反応器となり自動車等のスペースや重量に制限のある移動体への用途に適したものとなる。また熱媒体油の循環系統を燃料電池と独立に設けることにより、電池負荷変動に影響されず反応器の温度を適温に保持し、アノードに供給される改質ガスのＣＯ濃度を増加させない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシフトコンパータとＣＯ除去器が設置される改質器からアノードまでの装置を示す。
【図２】第１実施形態のシフトコンバータの内部を示す平面図である。
【図３】図２のＸ−Ｘ断面図である。
【図４】第２実施形態のＣＯ除去器の内部を示す平面図である。
【図５】図４のＹ−Ｙ断面図である。
【図６】シフトコンバータとＣＯ除去器の触媒の改質ガス流れ方向の温度分布を示す。
【図７】固体高分子形燃料電池の原理を示す図である。
【図８】従来のシフトコンパータとＣＯ除去器が設置される改質器からアノードまでの装置を示す。
【図９】従来のシフトコンバータとＣＯ除去器の触媒の改質ガス流れ方向の温度分布を示す。
【符号の説明】
１  流路
２  フィン付チューブ
３  触媒
４  ヘッダー
１０  改質器
１１  シフトコンバータ
１２  ＣＯ除去器
１３  アノード
１４  カソード
１５  熱交換器
２０  コンバータライン
２１  除去器ライン
２２ａ，２２ｂ  タンク
２３ａ，２３ｂ  ポンプ
２４ａ，２４ｂ  ラジエータ
【図１】
0003900391.tif 000002
【図２】
0003900391.tif 000003
【図３】
0003900391.tif 000004
【図４】
0003900391.tif 000005
【図５】
0003900391.tif 000006
【図６】
0003900391.tif 000007
【図７】
0003900391.tif 000008
【図８】
0003900391.tif 000009
【図９】
0003900391.tif 000010