JP2000327308A - Carbon monoxide reduction device and fuel cell system - Google Patents
Carbon monoxide reduction device and fuel cell systemInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 小さな触媒体積で効率よく水素を主成分とす
るガスから一酸化炭素を選択的に低減する。
【解決手段】 水素を主成分とするガスから一酸化炭素
を低減する一酸化炭素低減装置100において、ガス入
口側が大きくガス出口側が小さくなるように空隙率に傾
斜をつけたことを特徴とする一酸化炭素低減装置100
およびこの一酸化炭素低減装置100を用いて炭化水素
系燃料から改質されたガスから一酸化炭素を低減した改
質ガスを利用して発電する燃料電池スタック40を備え
ていることを特徴とする燃料電池システム。
PROBLEM TO BE SOLVED: To selectively reduce carbon monoxide from a gas mainly containing hydrogen with a small catalyst volume. SOLUTION: In a carbon monoxide reduction apparatus 100 for reducing carbon monoxide from a gas containing hydrogen as a main component, a porosity is inclined so that a gas inlet side is large and a gas outlet side is small. Carbon oxide reduction device 100
And a fuel cell stack 40 that uses the reformed gas in which carbon monoxide is reduced from a gas reformed from hydrocarbon-based fuel using the carbon monoxide reduction device 100 to generate power. Fuel cell system.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は水素を主成分とする
ガス中から一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減装置お
よび燃料電池システムに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a carbon monoxide reducing apparatus and a fuel cell system for reducing carbon monoxide from a gas containing hydrogen as a main component.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、炭化水素系燃料を触媒で水素を主
成分とする改質ガスに改質して、水素燃料として利用す
る方法がさかんに研究されている。前記改質ガスを利用
する有力な方法として燃料電池の開発が活発化してい
る。前記燃料電池は、水素と酸素を使用して電気分解の
逆反応で発電する電池で、水以外の排出物がなくクリー
ンな発電装置として注目されている。2. Description of the Related Art In recent years, a method of reforming a hydrocarbon fuel into a reformed gas containing hydrogen as a main component with a catalyst and using the reformed gas as a hydrogen fuel has been actively studied. Fuel cells are being actively developed as a promising method utilizing the reformed gas. The fuel cell is a battery that generates power by a reverse reaction of electrolysis using hydrogen and oxygen, and has attracted attention as a clean power generation device that has no emissions other than water.
【0003】大気の汚染をできる限り減らすために自動
車の排ガス対策が重要になっており、その対策の一つと
して電気自動車が使用されているが、充電設備や走行距
離などの問題で普及に至っていない。水素ボンベを積載
した燃料電池も試作されているが、水素の高圧ボンベを
積載しなければならず、走行距離も十分でない問題があ
る。[0003] In order to reduce air pollution as much as possible, measures against exhaust gas from automobiles have become important, and as one of the measures, electric vehicles have been used. Not in. A fuel cell loaded with a hydrogen cylinder has also been trial manufactured, but it has to load a high-pressure cylinder of hydrogen, and there is a problem that the traveling distance is not sufficient.
【0004】炭化水素系燃料を燃料にした燃料電池を使
用した自動車が最も将来性のあるクリーンな自動車であ
ると見られている。炭化水素系燃料としてはメタノール
が最も適しているとされている。前記燃料電池は、二酸
化炭素以外の排出物が少なく、二酸化炭素の排出量も、
発電所で電気を製造するときに排出される二酸化炭素を
考慮に入れると電気自動車と同程度であり、地球温暖化
対策にもなっている。[0004] Vehicles using fuel cells fueled with hydrocarbon fuels are seen as the most promising clean vehicles. Methanol is considered to be most suitable as a hydrocarbon fuel. The fuel cell has less emissions other than carbon dioxide, and the amount of carbon dioxide emitted,
Taking into account the carbon dioxide emitted when producing electricity at power plants, it is about the same as electric vehicles, and is also a measure against global warming.
【0005】前記燃料電池は、炭化水素系燃料であるメ
タノールを蒸発させて、触媒(例えば、Cu−Zn触媒
等)により水素を主成分とする改質ガスに改質する。前
記改質ガスは一酸化炭素を0.3〜1%含んでおり、そ
のまま燃料電池に送ると該燃料電池の電極触媒を被毒
し、燃料電池の発電性能を著しく低下させる。[0005] In the fuel cell, methanol, which is a hydrocarbon fuel, is evaporated and reformed into a reformed gas containing hydrogen as a main component by a catalyst (for example, a Cu-Zn catalyst). The reformed gas contains 0.3 to 1% of carbon monoxide, and when sent to a fuel cell as it is, poisons the electrode catalyst of the fuel cell and significantly lowers the power generation performance of the fuel cell.
【0006】前記燃料電池の電極触媒の被毒を避けるた
めには、一酸化炭素濃度を100ppm以下にする必要
がある。そのため触媒(例えば、Pt触媒等)により前
記一酸化炭素を酸化して前記電極触媒を被毒しない二酸
化炭素に変えて低減する一酸化炭素低減装置が使用され
る。特に自動車等車載用の用途では前記一酸化炭素低減
装置は、できる限り小型・軽量にし且つ大量のガスを燃
料電池に送る必要がある。In order to avoid poisoning of the electrode catalyst of the fuel cell, the concentration of carbon monoxide needs to be 100 ppm or less. Therefore, a carbon monoxide reduction device is used which oxidizes the carbon monoxide with a catalyst (for example, a Pt catalyst or the like) and converts the carbon dioxide into non-poisoning carbon dioxide to reduce the carbon dioxide. In particular, for use in vehicles such as automobiles, it is necessary to make the carbon monoxide reduction device as small and light as possible and to send a large amount of gas to the fuel cell.
【0007】従来技術として、特開平8−100184
号公報には、第1反応部と第2反応部を設け、第2反応
部の温度が低い時は水素リッチな燃料ガスを前記第1反
応部と前記第2反応部の両方を通過させ、前記第2反応
部の温度が高い時は前記燃料ガスを前記第2反応部のみ
通過させる一酸化炭素低減装置が開示されている。As a prior art, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-100184
In the publication, a first reaction section and a second reaction section are provided, and when the temperature of the second reaction section is low, a hydrogen-rich fuel gas is passed through both the first reaction section and the second reaction section, There is disclosed a carbon monoxide reduction device that allows the fuel gas to pass only through the second reaction section when the temperature of the second reaction section is high.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術は、第1反応部、第2反応部ともにガスの進行方向に
対し触媒濃度、空隙率が一定であるので、酸素濃度が大
きい各反応部入口部での温度の急上昇は避けられず、触
媒層の温度の制御が困難になるという問題点がある。However, in the prior art, since the catalyst concentration and the porosity are constant in the traveling direction of the gas in both the first reaction section and the second reaction section, the inlet of each reaction section having a large oxygen concentration is required. There is a problem that it is inevitable that the temperature of the catalyst section rapidly rises, and it becomes difficult to control the temperature of the catalyst layer.
【0009】一酸化炭素を低減する触媒として一般的に
白金(Pt)触媒が使用される。一酸化炭素を低減する
反応は、下記の酸化反応である。A platinum (Pt) catalyst is generally used as a catalyst for reducing carbon monoxide. The reaction for reducing carbon monoxide is the following oxidation reaction.
【0010】CO + 1/2O2 → CO2 − 2
57.2KJ 前記触媒の場合、触媒温度が70℃以上で前記反応が起
こり、温度の上昇とともに反応速度が速くなる。しか
し、200℃以上では、水素の酸化反応が活発となり、
燃料電池の燃料となる水素が消耗されてしまう。[0010] CO + 1 / 2O 2 → CO 2 - 2
57.2 KJ In the case of the catalyst, the reaction takes place at a catalyst temperature of 70 ° C. or higher, and the reaction rate increases as the temperature increases. However, above 200 ° C., the oxidation reaction of hydrogen becomes active,
Hydrogen as fuel for the fuel cell is consumed.
【0011】前記反応は酸素の濃度が大きいほど促進さ
れる。また、前記反応は大きな発熱反応である。各反応
部入口部では、酸素濃度が大きいため前記反応が促進さ
れ、発熱反応により温度が上昇しすぎ、その結果水素ま
で酸化されてしまうという問題点が生じる。一方,入口
部での急激な酸化反応を抑えるために全体的に触媒量を
減少させることも考えられるが,この場合触媒層出口部
に向かうほど反応物質(一酸化炭素および酸素)が希薄
になり触媒反応が起こりにくく、その結果一酸化炭素濃
度を十分低減することが困難となる問題点が生じる。The above reaction is accelerated as the oxygen concentration increases. The reaction is a large exothermic reaction. At the inlet of each reaction section, the reaction is accelerated due to the high oxygen concentration, and the temperature rises excessively due to the exothermic reaction, and as a result, there is a problem that hydrogen is oxidized. On the other hand, it is conceivable to reduce the amount of catalyst as a whole in order to suppress the rapid oxidation reaction at the inlet, but in this case, the reactants (carbon monoxide and oxygen) become thinner toward the outlet of the catalyst layer. There is a problem that it is difficult for the catalytic reaction to occur, and as a result, it is difficult to sufficiently reduce the concentration of carbon monoxide.
【0012】また、前記第1反応部および前記第2反応
部の最適空間速度(SV値ともいい、処理するガス流量
を見掛の触媒体積で除したもので、値が大きいほど触媒
能力が高いことを意味する。)は、それぞれ約500h
−1、1000h−1と小さすぎる。前記反応部入口で
の温度の上昇を避けるため、SV値を大きくすることが
できない。前記SV値が小さいと大量のガスを処理する
場合触媒体積を大きくしなければならず、装置が大型に
なってしまい、特に自動車等車載用では大きな問題点に
なる。The optimum space velocity (also referred to as the SV value) of the first reaction section and the second reaction section is obtained by dividing the flow rate of the gas to be treated by the apparent catalyst volume. Means about 500 h each.
−1 , 1000 h −1, which is too small. In order to avoid a rise in temperature at the inlet of the reaction section, the SV value cannot be increased. If the SV value is small, the volume of the catalyst must be increased when a large amount of gas is processed, and the apparatus becomes large.
【0013】本発明は上記の問題点を解決したもので、
小さな触媒体積で効率よく水素を主成分とするガスから
一酸化炭素を選択的に低減する小型且つ軽量で制御が容
易な一酸化炭素低減装置および燃料電池システムを提供
する。The present invention has solved the above-mentioned problems.
Provided are a small and lightweight carbon monoxide reduction device and a fuel cell system which can efficiently reduce carbon monoxide from a gas containing hydrogen as a main component efficiently with a small catalyst volume.
【0014】[0014]
【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るために、本発明の請求項1において講じた技術的手段
(以下、第1の技術的手段と称する。)は、水素を主成
分とするガスから一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減
装置において、ガス入口側が大きくガス出口側が小さく
なるように空隙率に傾斜をつけたことを特徴とする一酸
化炭素低減装置である。Means for Solving the Problems In order to solve the above technical problems, the technical means adopted in claim 1 of the present invention (hereinafter referred to as first technical means) is mainly composed of hydrogen. In the carbon monoxide reduction device for reducing carbon monoxide from a gas to be used, the porosity is inclined so that the gas inlet side is large and the gas outlet side is small.
【0015】上記第1の技術的手段による効果は、以下
のようである。The effects of the first technical means are as follows.
【0016】すなわち、酸素濃度が大きいガス入口側の
空隙率を大きく、酸素濃度が小さいガス出口側の空隙率
を小さくすることにより、すべての触媒層での発熱量が
均一になり、その結果すべての触媒層の温度が均一にな
るため水素を主成分とするガスから一酸化炭素を効率よ
く選択的に低減でき、小型且つ軽量な一酸化炭素低減装
置ができる効果を有する。また触媒層の温度制御も容易
になる効果を有する。That is, by increasing the porosity on the gas inlet side where the oxygen concentration is high and decreasing the porosity on the gas outlet side where the oxygen concentration is low, the calorific value of all the catalyst layers becomes uniform. Since the temperature of the catalyst layer becomes uniform, carbon monoxide can be efficiently and selectively reduced from a gas containing hydrogen as a main component, and a small and lightweight carbon monoxide reduction device can be obtained. In addition, there is an effect that the temperature control of the catalyst layer is facilitated.
【0017】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項2において講じた技術的手段(以下、第2の技
術的手段と称する。)は、前記空隙率に傾斜をつける手
段として、触媒担持支持体の体積が全容積に占める割合
である触媒支持体容積率を変えたことを特徴とする請求
項1記載の一酸化炭素低減装置である。In order to solve the above technical problem, the technical means (hereinafter referred to as second technical means) taken in claim 2 of the present invention is a means for inclining the porosity, 2. The apparatus for reducing carbon monoxide according to claim 1, wherein the volume ratio of the catalyst support, which is a ratio of the volume of the catalyst support to the total volume, is changed.
【0018】上記第2の技術的手段による効果は、以下
のようである。The effects of the second technical means are as follows.
【0019】すなわち、触媒支持体容積を設計段階で容
易に計算できるので、一酸化炭素低減装置の設計が容易
にできる。That is, since the volume of the catalyst support can be easily calculated at the design stage, the design of the carbon monoxide reduction device can be facilitated.
【0020】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項3において講じた技術的手段(以下、第3の技
術的手段と称する。)は、前記空隙率に傾斜をつける手
段として、触媒粒子の充填密度を変えたことを特徴とす
る請求項1記載の一酸化炭素低減装置である。In order to solve the above technical problem, the technical means (hereinafter referred to as third technical means) taken in claim 3 of the present invention is a means for inclining the porosity. The carbon monoxide reducing device according to claim 1, wherein the packing density of the catalyst particles is changed.
【0021】上記第3の技術的手段による効果は、以下
のようである。The effects of the third technical means are as follows.
【0022】すなわち、触媒粒子の充填密度を変えるだ
けで空隙率を変えることができるので、同じ構造の触媒
セルを使用でき安価な一酸化炭素低減装置ができる効果
を有する。That is, since the porosity can be changed only by changing the packing density of the catalyst particles, there is an effect that a catalyst cell having the same structure can be used and an inexpensive apparatus for reducing carbon monoxide can be obtained.
【0023】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項4において講じた技術的手段(以下、第4の技
術的手段と称する。)は、請求項1〜3のいずれかに記
載の一酸化炭素低減装置を用いて炭化水素系燃料から改
質されたガスから一酸化炭素を低減した改質ガスを利用
して発電する燃料電池スタックを備えていることを特徴
とする燃料電池システムである。The technical means (hereinafter referred to as fourth technical means) employed in claim 4 of the present invention for solving the above technical problem is described in any one of claims 1 to 3. A fuel cell system comprising: a fuel cell stack that generates electricity using a reformed gas in which carbon monoxide is reduced from a gas reformed from a hydrocarbon-based fuel using a carbon monoxide reduction device. It is.
【0024】上記第4の技術的手段による効果は、以下
のようである。The effects of the fourth technical means are as follows.
【0025】すなわち、前記一酸化炭素低減装置はSV
値が大きくても効率的に一酸化炭素を低減でき、且つ前
記一酸化炭素低減装置の触媒層の温度が均一であるの
で、小さな容積で大量の改質ガスを送ることができるた
め燃料電池システムを小型且つ軽量で制御も容易になる
効果を有する。That is, the carbon monoxide reduction device is an SV
Even if the value is large, it is possible to efficiently reduce carbon monoxide, and since the temperature of the catalyst layer of the carbon monoxide reduction device is uniform, a large amount of reformed gas can be sent in a small volume, so that the fuel cell system Has the effect of being small, lightweight and easy to control.
【0026】[0026]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例に基づいて
説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below.
【0027】図1は、実施例に用いた一酸化炭素低減装
置の触媒層セル101のガス通流方向と垂直な断面図で
ある。触媒の温度を制御するため熱冷媒が循環するフィ
ン4が付属しているフィン付き管路3が内部に設けられ
ている。前記熱冷媒は、熱冷媒入口1から入り前記フィ
ン付き管路3を通流し熱冷媒出口2から排出される。前
記フィン4は、その表面に触媒を担持する機能を有する
触媒担持支持体である。このフィン4の表面に触媒担体
であるγアルミナが担持され、さらにこのγアルミナに
触媒として白金が担持されている。FIG. 1 is a cross-sectional view perpendicular to the gas flow direction of the catalyst layer cell 101 of the carbon monoxide reduction device used in the embodiment. In order to control the temperature of the catalyst, a finned pipe 3 with a fin 4 through which a heat refrigerant circulates is provided inside. The heat refrigerant enters from the heat refrigerant inlet 1, flows through the finned pipe 3, and is discharged from the heat refrigerant outlet 2. The fin 4 is a catalyst-carrying support having a function of carrying a catalyst on its surface. Γ-alumina as a catalyst carrier is supported on the surface of the fin 4, and platinum is supported on the γ-alumina as a catalyst.
【0028】本実施例の一酸化炭素低減装置は、前記触
媒層セルを複数積層させることにより構成されている。The apparatus for reducing carbon monoxide in this embodiment is constructed by stacking a plurality of the catalyst layer cells.
【0029】図2は、本発明の実施例の改質装置の概略
構成図である。本改質装置は、メタノールを燃焼させて
炭化水素系燃料であるメタノールと水を加熱する燃焼部
21、この燃焼部21の熱によりメタノールと水を蒸発
させガス化する蒸発部22、触媒を用いてメタノールと
水から水素を主成分とする改質ガスを生成する改質部2
3、および前記一酸化炭素低減装置である一酸化炭素低
減部100から構成されている。炭化水素系燃料として
は、メタノールに限らずガソリン、天然ガスなど多くの
炭化水素系燃料が利用できる。FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a reformer according to an embodiment of the present invention. The present reformer uses a combustion unit 21 for burning methanol and water, which is a hydrocarbon fuel, by burning methanol, an evaporation unit 22 for evaporating and gasifying methanol and water by the heat of the combustion unit 21, and a catalyst. Reforming unit 2 that produces reformed gas containing hydrogen as a main component from methanol and water
3 and a carbon monoxide reducing unit 100 that is the carbon monoxide reducing device. As the hydrocarbon fuel, not only methanol but also many hydrocarbon fuels such as gasoline and natural gas can be used.
【0030】前記燃焼部21は、流量制御バルブV3、
ポンプP2を介してメタノールタンク2と連結されてい
る。前記蒸発部22は、流量制御バルブV1、ポンプP
1を介して水タンク1と連絡され、流量制御バルブV
2、ポンプP2を介してメタノールタンク2と連結され
ている。前記改質部23のガス入口部は、流量制御バル
ブV4を介してエアコンプレッサ3と連結している。前
記一酸化炭素低減部100のガス入口部は、流量制御バ
ルブV5を介してエアコンプレッサ3と連結している。The combustion section 21 includes a flow control valve V3,
It is connected to the methanol tank 2 via a pump P2. The evaporator 22 includes a flow control valve V1, a pump P
1 and a flow control valve V
2. It is connected to the methanol tank 2 via the pump P2. The gas inlet of the reforming section 23 is connected to the air compressor 3 via a flow control valve V4. The gas inlet of the carbon monoxide reducing unit 100 is connected to the air compressor 3 via a flow control valve V5.
【0031】前記一酸化炭素低減部100は、触媒層セ
ル101〜106が積層されて構成されている。本図で
は、触媒層セルは6個積層されているが、必要に応じて
触媒層セルの数を変えてもよい。前記触媒層セル101
〜106の間は、ガスが漏れないようにOリングでシー
ルされている。The carbon monoxide reducing section 100 is configured by stacking catalyst layer cells 101 to 106. In this drawing, six catalyst layer cells are stacked, but the number of catalyst layer cells may be changed as necessary. The catalyst layer cell 101
The area between to 106 is sealed with an O-ring so that gas does not leak.
【0032】前記触媒層セル101〜106の熱冷媒入
口と熱冷媒出口は熱冷媒管路5で並列に連結され、熱冷
媒出口には流量制御バルブが設けられている。前記熱冷
媒管路5には、熱冷媒を循環させるポンプ6、熱冷媒を
貯蔵するリザーバタンク7、熱冷媒を冷却するラジェー
タ8が付属している。The heat refrigerant inlets and the heat refrigerant outlets of the catalyst layer cells 101 to 106 are connected in parallel by a heat refrigerant line 5, and a flow control valve is provided at the heat refrigerant outlet. The heat refrigerant pipe 5 is provided with a pump 6 for circulating the heat refrigerant, a reservoir tank 7 for storing the heat refrigerant, and a radiator 8 for cooling the heat refrigerant.
【0033】図3〜8は、それぞれ触媒層セル101〜
106のフィン4a〜4fの部分を拡大した説明断面図
である。これらの触媒層セル101〜106のセル数
は、それぞれ60,120,200,250,400,
600セル/in2である。セル数は、フィンの粗さを
表す指標で、1平方インチ当たりのフィンの山で作る三
角形の数で表す。このセル数が大きいほどフィンが細か
く空隙率が小さい。3 to 8 show catalyst layer cells 101 to 101, respectively.
FIG. 10 is an explanatory cross-sectional view in which a portion of fins 4 a to 4 f of 106 is enlarged. The number of cells of these catalyst layer cells 101 to 106 is 60, 120, 200, 250, 400,
600 cells / in 2 . The number of cells is an index indicating the roughness of the fin, and is represented by the number of triangles formed by the fin peaks per square inch. The larger the number of cells, the finer the fins and the lower the porosity.
【0034】空隙率とは、触媒層セルの全内容積に占め
るガスが通流できる容積のことである。本実施例の場
合、触媒層セルのガスが通流できる断面積を触媒層セル
内部の全断面積で除した割合で計算できる。前記フィン
4a〜4fの厚さは0.1mmであるので、設計図より
フィンの全断面積が計算でき、これから空隙率が簡単に
計算できる。本実施例では空隙率を設計段階で計算でき
るので、一酸化炭素低減装置の設計が容易にできる。The porosity is a volume through which gas can flow through the entire internal volume of the catalyst layer cell. In the case of the present embodiment, it can be calculated by a ratio obtained by dividing the cross-sectional area through which the gas in the catalyst layer cell can flow by the total cross-sectional area inside the catalyst layer cell. Since the thickness of the fins 4a to 4f is 0.1 mm, the total cross-sectional area of the fin can be calculated from the design drawing, and the porosity can be easily calculated from this. In this embodiment, since the porosity can be calculated at the design stage, the design of the carbon monoxide reduction device can be facilitated.
【0035】前記触媒層セル101〜106の空隙率
は、それぞれ73.3%,70.1%,66.4%,6
2.0%,56.8%,50.2%である。なお、触媒
層セル101〜106の内容積、触媒担持量は同じで、
内容積は750mL、白金触媒担持量は0.5g/Lで
ある。The porosity of the catalyst layer cells 101 to 106 is 73.3%, 70.1%, 66.4%, and 6%, respectively.
2.0%, 56.8% and 50.2%. The internal volumes of the catalyst layer cells 101 to 106 and the amount of the supported catalyst are the same.
The internal volume is 750 mL, and the platinum catalyst carrying amount is 0.5 g / L.
【0036】図9は、本発明の実施例の改質装置を組み
込んだ自動車等車載用の固体高分子電解質型燃料電池シ
ステムである。FIG. 9 shows a solid polymer electrolyte type fuel cell system incorporating the reforming apparatus according to the embodiment of the present invention, which is mounted on a vehicle such as an automobile.
【0037】本燃料電池システムは、改質原料である水
を貯蔵する水タンク1、改質原料である炭化水素系燃料
のメタノールを貯蔵するメタノールタンク2、前記改質
装置である改質装置30、燃料電池スタック40、燃焼
バーナ60、ターボアシストコンプレッサ80から構成
されている。The fuel cell system comprises a water tank 1 for storing water as a reforming material, a methanol tank 2 for storing methanol as a hydrocarbon-based fuel as a reforming material, and a reforming device 30 as the reforming device. , A fuel cell stack 40, a combustion burner 60, and a turbo assist compressor 80.
【0038】前記改質装置30は、エアコンプレッサ3
としてターボアシストコンプレッサ80を使用した以外
は図2と同じであり、同じ部位には同じ符号を使用し説
明は省略する。The reformer 30 is provided with an air compressor 3
2 except that a turbo assist compressor 80 is used. The same reference numerals are used for the same parts and the description is omitted.
【0039】前記一酸化炭素低減部100から排出され
る改質ガスは、三方切替弁10を切替えて燃焼バーナ6
0に送られるか、又は燃料電池スタック40に送られ
る。The reformed gas discharged from the carbon monoxide reducing section 100 switches the three-way switching valve 10 to switch the combustion burner 6
0 or to the fuel cell stack 40.
【0040】前記燃料電池スタック40は、前記改質ガ
ス中の水素とターボアシストコンプレッサ80から送ら
れる空気中の酸素を利用して電気化学反応により発電す
る。The fuel cell stack 40 generates power by an electrochemical reaction using hydrogen in the reformed gas and oxygen in the air sent from the turbo assist compressor 80.
【0041】前記燃焼バーナ60では、前記三方切替弁
10を切替えて送られる改質ガス又は燃料電池スタック
40から未利用水素ガス管路9aを介して排出される未
利用水素を燃料として、前記燃料電池スタック40から
空気管路9bを介して排出される未利用空気を助燃剤と
して燃焼する。In the combustion burner 60, the reformed gas sent by switching the three-way switching valve 10 or the unused hydrogen discharged from the fuel cell stack 40 through the unused hydrogen gas line 9a is used as a fuel. Unused air discharged from the battery stack 40 via the air line 9b is burned as a combustion aid.
【0042】ターボアシストコンプレッサ80は、ター
ビン81とモータ82とコンプレッサ83から構成され
ている。前記タービン81は、燃焼バーナ60と排ガス
管路9cを介して連結されており、前記燃焼バーナ60
の排ガスのエネルギーで回転する。前記コンプレッサ8
3は、前記タービン81と前記モータ82の動力で回転
し、空気を圧縮し、流量制御バルブV4を介して改質部
23、流量制御バルブV5を介して前記一酸化炭素低減
部100および燃料電池スタック40に供給する。The turbo assist compressor 80 comprises a turbine 81, a motor 82 and a compressor 83. The turbine 81 is connected to the combustion burner 60 via an exhaust gas line 9c.
It rotates with the energy of the exhaust gas. The compressor 8
3 is rotated by the power of the turbine 81 and the motor 82, compresses the air, reforms the fuel cell 23 via the flow control valve V4, and reduces the carbon monoxide reducing unit 100 and the fuel cell through the flow control valve V5. Supply to the stack 40.
【0043】実施例では、燃料電池スタック40に送る
水素を主成分とする改質ガスの原料のメタノールと改質
装置30の燃焼部21の燃料のメタノールは、同じメタ
ノールタンク2が用いられている。上記の改質ガスの原
料のメタノールと燃焼部21の燃料のメタノールは、別
のタンクでも良い。In the embodiment, the same methanol tank 2 is used for the methanol as the raw material of the reformed gas containing hydrogen as a main component and the methanol of the fuel in the combustion section 21 of the reformer 30 to be sent to the fuel cell stack 40. . The above-mentioned methanol of the raw material of the reformed gas and the methanol of the fuel of the combustion section 21 may be in different tanks.
【0044】メタノールタンク2から燃焼部21に供給
されたメタノールは、ブロワー70によって供給された
空気を助燃剤にして燃焼する。メタノールタンク2と水
タンク1から蒸発部22に供給されたメタノールと水
は、前記燃焼部21の燃焼熱により蒸発してガスになり
改質部23に送られる。The methanol supplied from the methanol tank 2 to the combustion section 21 is burned using the air supplied by the blower 70 as an auxiliary agent. The methanol and water supplied from the methanol tank 2 and the water tank 1 to the evaporating section 22 are evaporated by the heat of combustion of the combustion section 21 to become gas and sent to the reforming section 23.
【0045】前記改質部23に前記蒸発部22より送ら
れたメタノールと水の蒸気は、コンプレッサ83より流
量制御バルブV4 を介して送られた空気と混合され、
触媒(例えば、Cu−Zn触媒等)により水素を主成分
とする改質ガスになる。The methanol and water vapor sent from the evaporator 22 to the reformer 23 is mixed with air sent from the compressor 83 via the flow control valve V4.
A reformed gas containing hydrogen as a main component is formed by a catalyst (for example, a Cu—Zn catalyst or the like).
【0046】前記改質ガスは一酸化炭素を0.3〜1%
含んでおり、改質部23から出た改質ガスは一酸化炭素
低減部100に送られる。前記一酸化炭素低減部100
に送られた前記改質ガスは、コンプレッサ83より流量
制御バルブV5 を介して送られた空気と混合され、触
媒(例えば、Pt触媒等)により一酸化炭素を選択的に
酸化して一酸化炭素濃度を100ppm以下にして燃料
電池スタック40に送られる。The reformed gas contains carbon monoxide in an amount of 0.3 to 1%.
The reformed gas that has been contained and exited from the reforming section 23 is sent to the carbon monoxide reducing section 100. The carbon monoxide reducing unit 100
Is mixed with air sent from the compressor 83 via the flow control valve V5, and selectively oxidizes carbon monoxide with a catalyst (for example, a Pt catalyst). The fuel is sent to the fuel cell stack 40 at a concentration of 100 ppm or less.
【0047】起動直後においては改質装置30の温度が
十分上昇していないため一酸化炭素低減部100通過後
も一酸化炭素濃度が100ppm以下に低下していない
ので、前記改質ガスは三方切替弁10を切替えて燃焼バ
ーナ60に送られる。Immediately after startup, the temperature of the reformer 30 has not risen sufficiently and the carbon monoxide concentration has not dropped below 100 ppm even after passing through the carbon monoxide reducing section 100. The valve 10 is switched to be sent to the combustion burner 60.
【0048】前記燃料電池スタック40は改質ガス中の
水素とコンプレッサ83から送られた空気を利用して発
電する。前記燃料電池スタック40では水素は100%
利用されることはなく、およそ80%の利用率である。
利用されなかった水素を含むガスは未利用水素ガス管路
9aを介して燃焼バーナ60に送られる。前記燃料電池
スタック40には過剰の空気が送られているので、未利
用の空気が残っており、利用されなかった空気は空気管
路9bを介して燃焼バーナ60に送られ助燃剤になる。The fuel cell stack 40 generates power using hydrogen in the reformed gas and air sent from the compressor 83. In the fuel cell stack 40, hydrogen is 100%
It is not used and is about 80% utilization.
The gas containing unused hydrogen is sent to the combustion burner 60 via the unused hydrogen gas line 9a. Since excess air is sent to the fuel cell stack 40, unused air remains, and the unused air is sent to the combustion burner 60 via the air line 9b and becomes a combustion aid.
【0049】前記燃焼バーナ60では、一酸化炭素低減
部100から三方切替弁10を切替えて送られた改質ガ
ス又は前記燃料電池スタック40から未利用水素ガス管
路9aを介して送られた未利用水素を燃焼し、排ガスを
ターボアシストコンプレッサ80のタービン81に排ガ
ス管路9cを介して送り、前記タービン81を回転す
る。In the combustion burner 60, the reformed gas sent from the carbon monoxide reduction unit 100 by switching the three-way switching valve 10 or the unreacted gas sent from the fuel cell stack 40 via the unused hydrogen gas pipe 9a. The used hydrogen is burned, and the exhaust gas is sent to the turbine 81 of the turbo-assisted compressor 80 via the exhaust gas line 9c to rotate the turbine 81.
【0050】コンプレッサ83は、前記タービン81と
モータ82で回転され空気を圧縮して、流量制御バルブ
V4を介して改質部23、流量制御バルブV5を介して
一酸化炭素低減部100および燃料電池スタック40に
供給される。The compressor 83 is rotated by the turbine 81 and the motor 82 and compresses the air. The compressor 83 reforms the air through the flow control valve V4, the carbon monoxide reduction unit 100 through the flow control valve V5, and the fuel cell. It is supplied to the stack 40.
【0051】一酸化炭素低減部100の評価は、前記改
質部22の出口と前記一酸化炭素低減部100の出口の
ガスの一部をそれぞれ一酸化炭素濃度計で一酸化炭素濃
度を測定して行った。また、前記触媒層セル101〜1
06の中心部M1〜6の温度を熱電対により測定して行
った。測定したときの改質ガスの流量は60000NL
/hで、SV値は13000h−1であった。The carbon monoxide reducing unit 100 was evaluated by measuring the carbon monoxide concentration of each of the gas at the outlet of the reforming unit 22 and a part of the gas at the outlet of the carbon monoxide reducing unit 100 using a carbon monoxide concentration meter. I went. In addition, the catalyst layer cells 101 to 1
The measurement was carried out by measuring the temperature of the central portions M1 to M6 of the sample No. 06 using a thermocouple. The flow rate of the reformed gas when measured is 60000 NL
/ H, the SV value was 13000 h −1 .
【0052】改質部22の出口で1.0%であった一酸
化炭素濃度は、一酸化炭素低減部100の出口で10p
pmに低下した。触媒層セル101〜106の中心部M
1〜6の温度は、それぞれ185℃、185℃、175
℃、170℃、140℃、120℃で、いずれの触媒層
セルでも触媒の最適温度に入っている。SV値約130
00h−1という大きな値でも効率よく一酸化炭素が低
減されている。The carbon monoxide concentration at the outlet of the reforming section 22 was 1.0%.
pm. Central part M of catalyst layer cells 101 to 106
The temperatures of 1 to 6 are 185 ° C, 185 ° C, and 175 ° C, respectively.
At 170 ° C., 170 ° C., 140 ° C., and 120 ° C., all of the catalyst layer cells fall within the optimum temperature of the catalyst. SV value about 130
Even with a large value of 00h- 1 , carbon monoxide is efficiently reduced.
【0053】本実施例の結果、大きなSV値ですなわち
小さな触媒体積で効率よく水素を主成分とする改質ガス
から一酸化炭素を選択的に低減することができ、小型・
軽量の一酸化炭素低減装置で燃料電池の発電に必要な一
酸化炭素の少ない前記改質ガスを前記燃料電池に供給す
ることができる。また触媒層の温度が均一で安定してい
るので制御が容易である。As a result of this embodiment, carbon monoxide can be selectively reduced from a reformed gas containing hydrogen as a main component efficiently with a large SV value, that is, with a small catalyst volume.
The reformed gas containing less carbon monoxide required for power generation of the fuel cell can be supplied to the fuel cell by a lightweight carbon monoxide reduction device. Further, since the temperature of the catalyst layer is uniform and stable, control is easy.
【0054】前記一酸化炭素低減装置を組み込んだ改質
装置を備えた燃料電池システム全体の容積も小型且つ軽
量化でき、制御も容易になる。The volume of the entire fuel cell system including the reformer incorporating the carbon monoxide reduction device can be reduced in size and weight, and the control becomes easier.
【0055】本実施例では、フィンに白金触媒を担持し
て用いたが、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム等の
セラミックス粒子からなる触媒担持粒子に触媒を担持し
た触媒粒子を触媒セルに充填してもよい。この場合に空
隙率を変える方法として、触媒粒子の粒径を変えたり、
粒径の分布を変える方法がある。このため同じ構造の触
媒セルを使用できるので、一酸化炭素低減装置を低コス
ト化できる。また、ハニカム等の場合には、ハニカムの
セル密度を変えることにより空隙率を変えることができ
る。In the present embodiment, the platinum catalyst is supported on the fins. However, the catalyst cells may be filled with catalyst particles on the catalyst supporting particles made of ceramic particles such as aluminum oxide and magnesium oxide. . In this case, as a method of changing the porosity, changing the particle size of the catalyst particles,
There is a method of changing the particle size distribution. For this reason, since the catalyst cells having the same structure can be used, the cost of the carbon monoxide reduction device can be reduced. In the case of a honeycomb or the like, the porosity can be changed by changing the cell density of the honeycomb.
【0056】[0056]
【発明の効果】以上のように、本発明は、水素を主成分
とするガスから一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減装
置において、ガス入口側が大きくガス出口側が小さくな
るように空隙率に傾斜をつけたことを特徴とする一酸化
炭素低減装置およびこの一酸化炭素低減装置を用いて炭
化水素系燃料から改質されたガスから一酸化炭素を低減
した改質ガスを利用して発電する燃料電池スタックを備
えていることを特徴とする燃料電池システムであるの
で、大きなSV値ですなわち小さな触媒体積で効率よく
水素を主成分とする改質ガスから一酸化炭素を選択的に
低減することができるため、前記一酸化炭素低減装置お
よび燃料電池システムを小型且つ軽量にでき、制御も容
易にすることができる。As described above, according to the present invention, in a carbon monoxide reducing apparatus for reducing carbon monoxide from a gas containing hydrogen as a main component, the porosity is inclined so that the gas inlet side is large and the gas outlet side is small. Carbon monoxide reduction device characterized by the following, and fuel for generating electricity using a reformed gas obtained by reducing carbon monoxide from a gas reformed from a hydrocarbon-based fuel using the carbon monoxide reduction device Since the fuel cell system is provided with a cell stack, it is possible to efficiently reduce carbon monoxide from a hydrogen-based reformed gas efficiently with a large SV value, that is, with a small catalyst volume. Therefore, the carbon monoxide reduction device and the fuel cell system can be reduced in size and weight, and can be easily controlled.
【図1】実施例に用いた一酸化炭素低減装置の触媒層セ
ル101のガス通流方向と垂直な断面図FIG. 1 is a cross-sectional view of a catalyst layer cell 101 of a carbon monoxide reduction device used in an example, which is perpendicular to a gas flow direction.
【図2】本発明の実施例の改質装置の概略構成図FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a reformer according to an embodiment of the present invention.
【図3】触媒層セル101のフィンの部分を拡大した説
明断面図FIG. 3 is an explanatory sectional view in which a fin portion of the catalyst layer cell 101 is enlarged.
【図4】触媒層セル102のフィンの部分を拡大した説
明断面図FIG. 4 is an explanatory sectional view in which a fin portion of the catalyst layer cell 102 is enlarged.
【図5】触媒層セル103のフィンの部分を拡大した説
明断面図FIG. 5 is an explanatory sectional view in which a fin portion of the catalyst layer cell 103 is enlarged.
【図6】触媒層セル104のフィンの部分を拡大した説
明断面図FIG. 6 is an explanatory sectional view showing an enlarged fin portion of the catalyst layer cell 104;
【図7】触媒層セル105のフィンの部分を拡大した説
明断面図FIG. 7 is an explanatory sectional view showing an enlarged fin portion of the catalyst layer cell 105;
【図8】触媒層セル106のフィンの部分を拡大した説
明断面図FIG. 8 is an explanatory sectional view in which a fin portion of the catalyst layer cell 106 is enlarged.
【図9】本発明の実施例の改質装置を組み込んだ自動車
等車載用の固体高分子電解質型燃料電池システムFIG. 9 is a solid polymer electrolyte fuel cell system for mounting on a vehicle, such as an automobile, incorporating the reforming apparatus of the embodiment of the present invention.
4、4a〜4f…フィン(触媒担持支持体) 23…改質部 30…改質装置 40…燃料電池スタック 100…一酸化炭素低減部(一酸化炭素低減装置) 101、102、103、104、105、106…触
媒層セル4, 4a to 4f fin (catalyst supporting member) 23 reforming unit 30 reforming device 40 fuel cell stack 100 carbon monoxide reducing unit (carbon monoxide reducing device) 101, 102, 103, 104, 105, 106 ... catalyst layer cell
Claims (4)
を低減する一酸化炭素低減装置において、ガス入口側が
大きくガス出口側が小さくなるように空隙率に傾斜をつ
けたことを特徴とする一酸化炭素低減装置。1. A carbon monoxide reducing apparatus for reducing carbon monoxide from a gas containing hydrogen as a main component, wherein a porosity is inclined so that a gas inlet side is large and a gas outlet side is small. Carbon oxide reduction device.
触媒担持支持体の体積が全容積に占める割合である触媒
支持体容積率を変えたことを特徴とする請求項1記載の
一酸化炭素低減装置。2. As means for inclining the porosity,
2. The apparatus for reducing carbon monoxide according to claim 1, wherein the volume ratio of the catalyst support, which is a ratio of the volume of the catalyst support to the total volume, is changed.
て、触媒粒子の充填密度を変えたことを特徴とする請求
項1記載の一酸化炭素低減装置。3. The apparatus for reducing carbon monoxide as claimed in claim 1, wherein the means for inclining the porosity changes the packing density of the catalyst particles.
炭素低減装置を用いて炭化水素系燃料から改質されたガ
スから一酸化炭素を低減した改質ガスを利用して発電す
る燃料電池スタックを備えていることを特徴とする燃料
電池システム。4. Use of the carbon monoxide reduction device according to claim 1 to generate power using a reformed gas obtained by reducing carbon monoxide from a gas reformed from a hydrocarbon fuel. A fuel cell system comprising a fuel cell stack.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11141807A JP2000327308A (en) | 1999-05-21 | 1999-05-21 | Carbon monoxide reduction device and fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11141807A JP2000327308A (en) | 1999-05-21 | 1999-05-21 | Carbon monoxide reduction device and fuel cell system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000327308A true JP2000327308A (en) | 2000-11-28 |
Family
ID=15300594
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11141807A Withdrawn JP2000327308A (en) | 1999-05-21 | 1999-05-21 | Carbon monoxide reduction device and fuel cell system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000327308A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011020118A (en) * | 2002-03-11 | 2011-02-03 | Battelle Memorial Inst | Microchannel reactor with temperature control |
-
1999
- 1999-05-21 JP JP11141807A patent/JP2000327308A/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011020118A (en) * | 2002-03-11 | 2011-02-03 | Battelle Memorial Inst | Microchannel reactor with temperature control |
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