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JP2004002162A - Carbon monoxide removal method, carbon monoxide removal system and fuel cell system using the same - Google Patents

Carbon monoxide removal method, carbon monoxide removal system and fuel cell system using the same Download PDF

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JP2004002162A
JP2004002162A JP2003084371A JP2003084371A JP2004002162A JP 2004002162 A JP2004002162 A JP 2004002162A JP 2003084371 A JP2003084371 A JP 2003084371A JP 2003084371 A JP2003084371 A JP 2003084371A JP 2004002162 A JP2004002162 A JP 2004002162A
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田畑 健
Osamu Yamazaki
山▲崎▼ 修
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an elimination method of carbon monoxide by which the life of a carbon monoxide elimination catalyst can be extended while the concentration of carbon monoxide in a mixture gas containing hydrogen and carbon monoxide is kept to an extremely low level. <P>SOLUTION: In the elimination method of carbon monoxide by allowing a mixture gas containing hydrogen and carbon monoxide to react with an oxidizing agent on a carbon monoxide elimination catalyst so as to eliminate the carbon monoxide, the ratio of the oxidizing agent added to the mixture gas is increased in response to the decrease in the performance of the carbon monoxide elimination catalyst. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と一酸化炭素とを含む混合ガスと酸化剤とを、一酸化炭素除去触媒上で反応させて、前記一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去方法に関するものである。前記混合ガスとしては、例えば、天然ガス、ナフサ、灯油等の炭水化物類や、メタノール等のアルコール類等を改質(水蒸気改質、部分燃焼改質等)して得られる改質ガスを用いることができる。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の一酸化炭素除去方法を実施するための一酸化炭素除去システムとしては、水素と一酸化炭素とを含む混合ガス(例えば、改質ガス)と酸化剤とを、一酸化炭素除去触媒上で反応させて、前記一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去触媒を内装する一酸化炭素除去器と、前記一酸化炭素除去触媒と接触可能に、前記改質ガスに対して前記酸化剤を添加する酸化剤添加手段とを備えたものが知られていた。
【0003】
前記一酸化炭素除去触媒としては、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)等をアルミナ等の担体に担持した一酸化炭素除去触媒が知られていた。これらの一酸化炭素除去触媒は、主として、下記反応式で表わされる酸化反応によって、一酸化炭素を二酸化炭素に変換して除去する。
【0004】
【化1】
CO + 1/2O → CO
【0005】
前記一酸化炭素除去触媒から構成される触媒層に、前記酸化剤添加手段を通じて前記改質ガスに酸化剤(酸素または酸素を含む空気等)を添加したガスを導入して、前記一酸化炭素除去触媒と接触させ、これによって、前記改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変換していた。前記一酸化炭素除去触媒は、前記触媒層の温度が80〜200℃程度のときに、選択的に一酸化炭素を酸化する反応が進行し易くなるので、温度調整手段(ヒータ、冷却器など)を前記筐体に付設して、前記触媒層がその温度域になるように保持することもあった。
【0006】
この種の一酸化炭素除去システムは、燃料電池システムにおいて、燃料電池の燃料となる改質ガスを供給するために前記燃料電池の上流側に設けられていた。
【0007】
一般に、前記燃料電池システムは、必要に応じて脱硫器、並びに、改質器、一酸化炭素変成器、一酸化炭素除去器、及び、燃料電池を記載順に連接して構成されていた。化石燃料(天然ガス等の炭化水素、又は、ナフサや灯油等)又はアルコール(メタノール等)を含む前記原燃料中の硫黄分は、前記脱硫器で除去される。前記改質器においては、水蒸気改質反応、部分燃焼改質反応、またはこれらの組み合わせによって、前記原燃料から水素を含む改質ガスを生成する。前記一酸化炭素変成器では前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を一酸化炭素変性反応によって二酸化炭素に変換していた。この時点で、前記改質ガスは、水素を主成分(70体積%以上)とし、他に二酸化炭素(20体積%程度)と一酸化炭素(0.5〜1体積%)とを含むガスとなる。
【0008】
更に、固体高分子型燃料電池に供する改質ガスを製造する燃料改質システムにあっては、固体高分子型燃料電池が約80℃という低温で作動することから、微量の一酸化炭素によっても電極触媒が被毒されてしまうために、更に前記一酸化炭素を低減する必要があった。そこで、前記一酸化炭素除去システムにおいて、前記酸化剤添加手段を用いて前記酸化剤を前記改質ガスに添加して、一酸化炭素除去触媒の作用で水素と一酸化炭素とを含む混合ガスである前記改質ガスから更に一酸化炭素を除去した改質ガス(例えば、一酸化炭素10ppm以下で水素を40体積%以上含むガス(ドライベース))を得ていた。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
従来、上述した一酸化炭素除去システム及びこれを用いた燃料電池システムの運用はまだ試験段階にあり、長期間連続的に運転したときのデータを得るに至っていなかった。従って、非常に長い期間連続して一酸化炭素除去をするための方法は確立されていなかった。
ところが、発明者らは、数千時間にも及ぶ長期に亘る連続運転を行なうことに成功し、前記一酸化炭素除去触媒の長期的な安定性について検討を行なった。ここで、発明者らは、前記一酸化炭素除去器を、前記一酸化炭素除去触媒の作用に適した温度域で長期間に亘って運転すると、徐々に前記一酸化炭素除去器から排出される前記改質ガス中の一酸化炭素濃度が高まって数十ppmに達し、前記一酸化炭素除去触媒を長期間連続使用することによって、その性能が劣化することを見出した。
【0010】
このことは、固体高分子型燃料電池の電極触媒劣化を防止して、高い性能を維持したり、耐久性を確保したりするために、前記固体高分子型燃料電池に供給する前記改質ガス中の一酸化炭素濃度をコンスタントに10ppm以下にまで低減しなければならないという要請に合致しない。
一方で、このような前記一酸化炭素除去触媒の劣化をもって寿命が尽きたと判断して前記一酸化炭素除去触媒を交換することによって、前記改質ガスの一酸化炭素濃度を低減させることも考えられる。しかしながら、このような対処法では、前記一酸化炭素除去触媒は高価なものであるので、前記一酸化炭素除去触媒の交換に伴って、コストの増加するという問題点があった。又、前記一酸化炭素除去触媒の交換及び前記一酸化炭素除去システムや燃料電池システムの運転が安定化するまでの間、前記燃料電池システムからの電力供給が妨げられるという問題点があった。
【0011】
従って、本発明の目的は、上記問題点に鑑み、前記混合ガス中の一酸化炭素濃度を長期間に亘って非常に低い濃度に保ちながら、前記一酸化炭素除去触媒の寿命を延長することができる一酸化炭素除去方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明の一酸化炭素除去方法の第一特徴手段は、水素と一酸化炭素とを含む混合ガスと酸化剤とを、一酸化炭素除去触媒上で反応させて、前記一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去方法において、前記一酸化炭素除去触媒の性能低下に応じて、前記混合ガスに対する前記酸化剤の添加比率を増加させる点にある。
【0013】
又、この目的を達成するための本発明の一酸化炭素除去方法の第二特徴手段は、水素と一酸化炭素とを含む混合ガスと酸化剤とを、一酸化炭素除去触媒上で反応させて、前記一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去方法において、前記一酸化炭素除去触媒の性能低下に応じて、前記混合ガスに含まれる一酸化炭素に対する前記酸化剤の添加比率を増加させる点にある。
【0014】
又、この目的を達成するための本発明の一酸化炭素除去方法の第三特徴手段は、水素と一酸化炭素とを含む混合ガスと酸化剤とを、一酸化炭素除去触媒上で反応させて、前記一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去方法において、前記一酸化炭素除去触媒の使用時間に応じて、前記酸化剤の添加量を増加させる点にある。
【0015】
又、この目的を達成するための本発明の一酸化炭素除去システムの第一特徴構成は、図面を参酌して説明すると、請求項4に記載してあるように、水素と一酸化炭素とを含む混合ガスと酸化剤とを、一酸化炭素除去触媒上で反応させて、前記一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去触媒を内装する一酸化炭素除去器4と、前記一酸化炭素除去触媒と接触可能に、前記混合ガスに対して前記酸化剤を添加する酸化剤添加手段6と、前記一酸化炭素除去触媒の性能情報を検出する検出手段7と、前記検出手段7によって検出された前記性能情報が所定の基準を満たすか否かを判定し、前記所定の基準を満たさないと判定した場合に、前記酸化剤添加手段6を制御して、前記混合ガスに対する前記酸化剤の添加比率を増加させる制御手段8とを備える点にある。
【0016】
又、この目的を達成するための本発明の一酸化炭素除去システムの第二特徴構成は、請求項5に記載してあるように、水素と一酸化炭素とを含む混合ガスと酸化剤とを、一酸化炭素除去触媒上で反応させて、前記一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去触媒を内装する一酸化炭素除去器と、前記一酸化炭素除去触媒と接触可能に、前記混合ガスに対して前記酸化剤を添加する酸化剤添加手段と、前記一酸化炭素除去器の運転時間に対応づけて予め取得した前記一酸化炭素除去触媒の性能情報に基づいて前記酸化剤添加手段を制御し、前記混合ガスに対する前記酸化剤の添加比率を増加させる制御手段とを備える点にある。
【0017】
更に、上記第一、第二特徴構成において、請求項6に記載してあるように、前記混合ガスが、炭化水素類やアルコール類を改質して得られる改質ガスであることが好ましい。
【0018】
又、この目的を達成するための本発明の燃料電池システムの特徴構成は、図面を参酌して説明すると、請求項7に記載してあるように、請求項4〜6の何れか1項に記載された一酸化炭素除去器システム1を固体高分子型燃料電池5の上流に備え、前記一酸化炭素除去器4の出口ガス又はこれに由来するガスをアノードガスとして前記固体高分子型燃料電池5に供給する点にある。
更に、上記特徴構成において、請求項8に記載してあるように、前記性能情報が前記固体高分子燃料電池5の出力情報であることが好ましく、
請求項9に記載してあるように、前記検出手段7が、前記固体高分子型燃料電池5の出力電圧を前記性能情報として検出し、前記制御手段8が、検出された前記出力電圧が所定の基準値を下回った場合に、前記酸化剤添加手段6を制御して、前記混合ガスに対する前記酸化剤の添加比率を増加させることが好ましい。
そして、これらの作用効果は、以下の通りである。
【0019】
本発明において提案する一酸化炭素除去方法並びにこれを用いた一酸化炭素除去システム及び燃料改質システムは、この一酸化炭素除去器に収容した一酸化炭素除去触媒が、触媒のシンタリングによる劣化に加えて、鉄又は鉄化合物によって被毒(鉄被毒)されるという新知見に基づくものである。
発明者らは、前記一酸化炭素除去器による一酸化炭素除去率が徐々に低下する(劣化する)原因を解明すべく、鋭意研究を進めた結果、活性が大幅に低下した触媒の表面の状態を電子プローブ微量分析(EPMA)及び誘導結合高周波プラズマ発光分光分析(ICP発光分光分析)により解析することによって、その表面に何らかの形態で鉄原子が存在していることを確認した。又、発明者らは、ある程度シンタリングが進行した触媒でも、鉄による被毒が少なければ、充分な触媒活性を維持していることも同時に確認しており、前記触媒の活性低下には、シンタリングの影響だけでなく、前記鉄又は鉄化合物、或いは前記鉄及び鉄化合物双方の存在が深く関与していると考えた。
【0020】
そこで、更に、活性が低下した触媒に存在する鉄又は鉄化合物の由来について検討した結果、前記燃料改質システムを構成する部品(例えば、ステンレス鋼製の反応器や配管、熱交換器など)に含まれる鉄又は鉄化合物が、前記改質ガスに混入して、前記一酸化炭素除去器に内装した前記触媒に付着して活性点を塞いで、活性が低下する虞れがあることが分かった。
【0021】
これまで、一酸化炭素除去器を通常の条件で使用するにあたって、一酸化炭素除去触媒が鉄被毒を受けるとは考えられていなかったが、鉄や鉄化合物が前記改質ガスに混入し、一酸化炭素除去触媒が鉄被毒され得る原因について考察してみると、可能性の一つとして、以下の様なプロセスが推測される。
【0022】
先ず、前記一酸化炭素変成器を通過して一酸化炭素濃度を低減した改質ガス(例えば、代表的な組成としては、水素65%、二酸化炭素19%、一酸化炭素0.5%、水蒸気15.5%)は、前記一酸化炭素変成器の出口温度(約200℃程度)と同程度の温度で、前記一酸化炭素変成器から排出されるわけであるが、後続する前記一酸化炭素除去器の運転温度は、これより低い(80〜200℃程度)ため、前記一酸化炭素除去器に導入する前に、前記一酸化炭素変成器と前記一酸化炭素除去器とを接続する反応器や配管、熱交換器中などで放熱して、その温度が下がる。このとき、前記改質ガスは、水素の濃度が高く、又、前記配管や熱交換器などを構成するステンレス鋼材等には鉄、ニッケルが存在しているので、鉄と一酸化炭素とが結合することによって鉄カルボニル(Fe(CO))のような形態を取って遊離し易い条件となっている。従って、鉄が前記改質ガスと共に移動して、前記一酸化炭素除去器に流入して、前記一酸化炭素除去触媒に付着することによって、被毒するものと考えられる。
又、前記一酸化炭素変成器と前記一酸化炭素除去器との間で一酸化炭素を除去するために添加する酸化剤や、前記一酸化炭素変成器と前記一酸化炭素除去器との間で結露する水等も前記鉄被毒のプロセスに関与している可能性がある。
【0023】
そこで、発明者らは、前記一酸化炭素触媒を用いた前記混合ガスからの一酸化炭素の除去方法について鋭意研究の結果、シンタリングによる劣化のみならず、鉄によって前記酸化炭素除去触媒が大幅に被毒されても前記混合ガス中の一酸化炭素を充分に除去することができる方法があることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0024】
即ち、請求項1に記載してあるように、水素と一酸化炭素とを含む混合ガスと酸化剤とを、一酸化炭素除去触媒上で反応させて、前記一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去方法において、前記一酸化炭素除去触媒の性能低下に応じて、前記混合ガスに対する前記酸化剤の添加比率を増加させることによって、前記一酸化炭素除去触媒の一酸化炭素除去性能を回復することができることがわかった。これによって、前記混合ガス中の一酸化炭素濃度を長期間に亘って非常に低い濃度に保ちながら、前記一酸化炭素除去触媒の寿命を延長することができる。
【0025】
又、請求項2に記載してあるように、水素と一酸化炭素とを含む混合ガスと酸化剤とを、一酸化炭素除去触媒上で反応させて、前記一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去方法において、前記一酸化炭素除去触媒の性能低下に応じて、前記混合ガスに含まれる一酸化炭素に対する前記酸化剤の添加比率を増加させることによって、前記一酸化炭素除去触媒の一酸化炭素除去性能を回復することができることがわかった。これによって、前記混合ガス中の一酸化炭素濃度を長期間に亘って非常に低い濃度に保ちながら、前記一酸化炭素除去触媒の寿命を延長することができる。一酸化炭素に対する前記酸化剤の添加比率を増加させるためには、具体的には実施例に記載されているように、一酸化炭素に対する酸化剤の添加比率を指標にして、混合ガスに対する酸化剤の添加比率を上昇させればよい。
【0026】
ここで、本明細書において、「一酸化炭素除去触媒の性能」とは、直接的に導かれる前記一酸化炭素除去触媒の性能のみならず、間接的に導き出される要因をも含む。例えば、前記一酸化炭素除去触媒と接触した後の混合ガスに含まれる一酸化炭素濃度の多少をもってその性能を判定することができる。或いは、前記一酸化炭素除去触媒と接触した後の混合ガスに含まれる一酸化炭素濃度の影響を受ける要因に基づいて判断することができる。実施例において詳述するように、前記一酸化炭素除去触媒と接触した後の混合ガス或いはこれに何らかの処理を施したガスをアノードガスとして利用する燃料電池の出力電圧は、前記一酸化炭素除去触媒と接触した後の混合ガスに含まれる一酸化炭素濃度と反比例の関係にあるので、前記燃料電池の出力電圧を指標として前記一酸化炭素除去触媒の性能を判定することもできる。
【0027】
又、請求項3に記載してあるように、水素と一酸化炭素とを含む混合ガスと酸化剤とを、一酸化炭素除去触媒上で反応させて、前記一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去方法において、前記一酸化炭素除去触媒の使用時間に応じて、前記酸化剤の添加量を増加させることによって、前記一酸化炭素除去触媒の一酸化炭素除去性能を回復することができることがわかった。これによって、前記混合ガス中の一酸化炭素濃度を長期間に亘って非常に低い濃度に保ちながら、前記一酸化炭素除去触媒の寿命を延長することができる。
ここで、本明細書において、「一酸化炭素除去触媒の使用時間」とは、一酸化炭素除去触媒を一酸化炭素除去処理に使用した場合において、その処理開始時からの経過時間のことを意味する。
【0028】
又、上記一酸化炭素除去方法を実施するために、請求項4に記載する一酸化炭素除去システムを採用することができる。即ち、図面を参酌して説明すると、一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去触媒を内装する一酸化炭素除去器4において、水素と一酸化炭素とを含む混合ガスと酸化剤とを一酸化炭素除去触媒上で反応させる際に、前記酸化剤は酸化剤添加手段6によって、前記一酸化炭素除去触媒と接触可能に前記一酸化炭素除去器4に対して添加される。ここで、検出手段7が前記一酸化炭素除去触媒の前記性能情報を検出することによって、前記一酸化炭素除去触媒の状態を把握することができる。そして、制御手段8が、前記検出手段7によって検出された前記性能情報が所定の基準を満たすか否かを判定し、前記所定の基準を満たさないと判定した場合に、前記酸化剤添加手段6を制御して、前記混合ガスに対する前記酸化剤の添加比率を増加させると、前記一酸化炭素除去触媒の性能が回復する。従って、前記一酸化炭素除去触媒の寿命を延長しつつ、一酸化炭素濃度が非常に低い前記混合ガス(例えば、一酸化炭素濃度が10ppm以下)を長期間に亘って安定して供給することができる。
【0029】
更に、請求項5に記載してあるように、前記性能情報を前記一酸化炭素除去器の運転時間と対応づけて予め取得しておいて、これを利用することもできる。即ち、一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去触媒を内装する一酸化炭素除去器において、水素と一酸化炭素とを含む混合ガスと酸化剤とを一酸化炭素除去触媒上で反応させる際に、前記酸化剤は酸化剤添加手段によって、前記一酸化炭素除去触媒と接触可能に、前記混合ガスに対して添加される。そして、制御手段が、予め取得した前記性能情報に基づいて、前記酸化剤添加手段を制御して、前記混合ガスに対する前記酸化剤の添加比率を増加させると、前記一酸化炭素除去触媒の性能が回復する。従って、前記一酸化炭素除去のための工程及び構成を削減することができる。
【0030】
更に、請求項6に記載してあるように、前記混合ガスが、炭化水素類やアルコール類を改質して得られる改質ガスである場合、一酸化炭素の混入が制限される用途(例えば、燃料電池のアノードガス製造等)に用いられることが多い。従って、本発明に係る一酸化炭素除去システムによって、一酸化炭素濃度を非常に低くすることができることは好ましい。
【0031】
又、図面を参酌して説明すると、請求項7に記載してあるように、請求項4〜6の何れか1項に記載された一酸化炭素除去器システム1を固体高分子型燃料電池5の上流に備えることによって、非常に一酸化炭素濃度が低い(例えば、10ppm以下の)前記一酸化炭素除去器4の出口ガスが、非常に長期に亘って得られる。従って、出口ガス又はこれに由来するガスをアノードガスとして前記固体高分子型燃料電池5に供給することによって、前記固体高分子型燃料電池5を構成する電極触媒の被毒を防止し、長期間に亘って安定運転することができる。又、実施例において詳述するように、前記アノードガス中の一酸化炭素濃度を低減することによって前記固体高分子型燃料電池5の出力電圧を上げることができるので、利用効率を向上させることができる。
【0032】
更に、図面を参酌して説明すると、請求項8に記載してあるように、前記性能情報が前記固体高分子燃料電池5の出力情報であると、従来から設けられている電圧計や電流計等を前記検出手段7として利用することができる。
【0033】
具体的には、図面を参酌して説明すると、請求項9に記載してあるように、前記検出手段7が、前記固体高分子型燃料電池5の出力電圧を前記出力情報として検出し、前記制御手段8が、検出された前記出力電圧が所定の基準値を下回った場合に、前記酸化剤添加手段6を制御して、前記混合ガスに対する前記酸化剤の添加比率を増加させる。
【0034】
尚、図面との対比を容易にするために符号を付しているが、本発明は図面の構造に限定されるものではない。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明に係る一酸化炭素除去システム1を備えた、本発明に係る燃料電池システムを示す。この燃料電池システムは、大別すると、天然ガス(都市ガス)、ナフサ、灯油等の炭化水素類を原燃料として、固体高分子型燃料電池5にアノードガスとして供する水素を主成分とする改質ガスを製造する燃料改質システムと、前記燃料改質システムから供給される前記改質ガスをアノードガスとし、空気(酸素)をカソードガスとして供給されることによって発電する固体高分子型燃料電池5とを有する。
【0036】
前記燃料改質システムは、改質器2、一酸化炭素変成器3、及び前記一酸化炭素除去システム1を構成する一酸化炭素除去器4が配管を通じて連設されている。これらを通過して改質された改質ガスは、固体高分子型燃料電池5のアノード極に供給される。
以下に、各構成要素について説明する。
【0037】
前記改質器2は、改質触媒を内装し、前記改質触媒を加熱するためのバーナが設けられる。前記改質器2内では、前記原燃料と別途供給される水蒸気とを混合して前記改質触媒と接触させる。前記改質触媒の作用によって、前記原燃料中のメタン等の炭化水素類が主に水素に改質され、副生物としての一酸化炭素、二酸化炭素が生成する。
【0038】
このようにして得られた改質ガスは、水素に富むものの、副生成物としての一酸化炭素を十数%含むので、前記固体高分子型燃料電池5に直接供給すると電極触媒が著しく被毒する。そこで、前記一酸化炭素変成器3において、出口温度を約200℃の条件下で、銅−亜鉛系触媒等の一酸化炭素変成触媒と接触させて一酸化炭素を二酸化炭素に変成させる。前記一酸化炭素変成器3の出口ガスでは、0.3〜1%にまで一酸化炭素濃度が低減される。しかし、前記固体高分子型燃料電池5を長期間に亘って安定運転するためには、10ppm程度にまで一酸化炭素濃度を削減する必要があるので、前記一酸化炭素変成器3の出口ガス(改質ガス)を、更に、下流に設けた前記一酸化炭素除去器4に導入する。
【0039】
前記一酸化炭素除去器4は、前記一酸化炭素除去触媒と接触可能に、前記混合ガスに対して前記酸化剤を添加する酸化剤添加手段6と、前記一酸化炭素除去触媒の性能情報を検出する検出手段7と、前記検出手段7によって検出された前記性能情報に基づいて前記酸化剤添加手段6を制御する制御手段8と共に、本発明に係る前記一酸化炭素除去システム1を構成し、前記一酸化炭素変成器3の出口ガスから一酸化炭素を除去する。
【0040】
前記一酸化炭素除去器4には、一酸化炭素変成器3の出口ガス中に含まれる一酸化炭素を除去可能な一酸化炭素除去触媒が内装してある。このような触媒は、例えば、ルテニウム(或いは、白金、ロジウム、パラジウム等の貴金属)をアルミナ球等の担体に担持したものを使用することができる。例えば、本法に使用する一酸化炭素除去としては、アルミナ担体に0.1〜5.0重量%、好ましくは0.5〜2.0重量%のルテニウムを担持した触媒を使用することができる。前記反応ガス中の一酸化炭素は、主として、前記一酸化炭素除去触媒が促進する酸化除去反応によって、酸素と結合して二酸化炭素となる。同時に、メタン化反応によって一酸化炭素を除去することもできる。これらの作用によって、非常に一酸化炭素濃度の低い前記改質ガスが得られる。
【0041】
尚、前記一酸化炭素除去触媒の反応温度は、前記一酸化炭素除去が進行する温度域であればよいが、好ましくは、二酸化炭素のメタン化反応を抑制することができる80〜180℃で行なうことが好ましい。
【0042】
前記検出手段7が検出する前記一酸化炭素除去触媒の性能情報とは、例えば、前記一酸化炭素除去触媒と接触する前の前記改質ガス中の一酸化炭素濃度、前記一酸化炭素除去触媒と接触した後の前記改質ガス中の一酸化炭素濃度、又は、前記一酸化炭素除去触媒と接触した後の前記改質ガス中の一酸化炭素濃度が反映される要因に関する情報である。具体的には、前記一酸化炭素除去触媒と接触する前、又は接触した後の前記改質ガス中の一酸化炭素濃度そのものの情報、前記燃料電池の出力に関する情報(出力情報)等がある。前記検出手段7には、例えば一酸化炭素ガス検知センサが挙げられる。前記一酸化炭素ガス検知センサは、改質ガスの流路中に設けられてリアルタイムでデータを取得するように構成されてもよいし、前記一酸化炭素ガス検知センサにより予め取得したデータから履歴を作成しておいて、その履歴を性能情報として用いてもよい。前記燃料電池の制御方法には、出力電力一定方式、出力電流一定方式、出力電圧一定方式等の種々の方式が有り、これらの方式に応じて得られる電圧値、電流値等の前記出力情報を利用することができる。
【0043】
前記検出手段7は、前記性能情報を取得可能な手段であればよく、例えば、前記性能情報が出力情報である出力電圧の場合、図1に示すように電圧計を採用することができる。或いは、前記性能情報が一酸化炭素濃度であれば、公知の一酸化炭素センサ、水素炎イオン化検出器(FID)、熱伝導度検出計(TCD)等を用いることができる。これらの検出手段7は、予め前記一酸化炭素除去システム1又は前記燃料電池システムに配備されていたものを利用することもできる。
【0044】
前記制御手段8はマイコン、前記燃料電池システム全体の各種制御を司る制御装置等で構成することができる。前記制御手段8は、前記検出手段7から送られてくる前記性能情報信号を受け、この性能情報に基づいて演算処理を行う演算部と、前記演算部による演算処理の結果に基づいて、前記酸化剤添加手段6に対して前記酸化剤の添加量を制御する信号を発する制御部を有する。
尚、前記制御手段8による前記酸化剤添加手段6の制御例については、後述する。
【0045】
前記酸化剤添加手段6としてはブロワやポンプ等の公知の構成を採用することができ、前記ブロワやポンプ等で空気を搬送する。前記酸化剤の搬送先は、前記改質ガスの存在下で前記一酸化炭素除去触媒と前記酸化剤とが接触可能である場所であればよく、例えば、図1に示すように、前記一酸化炭素除去器4の上流側の前記配管から前記酸化剤を導入することができる。又は、前記一酸化炭素除去器4内に、前記酸化剤を導入するように構成してあってもよい。
【0046】
前記一酸化炭素除去器4から排出された前記改質ガスは、前記固体高分子型燃料電池5にアノードガスとして導入される。前記固体高分子型燃料電池5は、燃料極(アノード極)と空気極(カソード極)との間に、電解質としての固体高分子膜を介装してある。前記アノードガスを前記燃料極に供給し、カソードガス(空気)を前記空気極に供給すると、前記アノードガス中の水素と前記カソードガス中の酸素が結合して前記空気極側で水が生成し電気が発生する。発電後の前記カソードガスのオフガスは大気中に放出される。前記アノードガスのオフガスは未反応の水素と残存するメタンを燃料として利用するために、前記改質器2に返送することができる。
【0047】
このような燃料電池システムにおける前記演算処理の例として、前記性能情報が前記固体高分子型燃料電池の出力電圧である場合を説明する。
図1に示すように、前記固体高分子型燃料電池5で生成した電力は送電線9を伝って外部に供給される。この送電線9又は前記固体高分子型燃料電池5の内部配線には検出手段7としての電圧計7が接続されている。この電圧計7によって検出された前記固体高分子型燃料電池5の電圧は、先に説明したように、前記一酸化炭素除去触媒の一酸化炭素除去能の影響を受ける。即ち、前記一酸化炭素除去触媒の性能が低下して前記一酸化炭素除去器4の出口ガスにおける一酸化炭素濃度が上昇すると、前記固体高分子型燃料電池5の出力電圧が低下する。この電圧計7によって検出された電圧のデータは前記性能情報として記録され、前記制御手段8に送られる。前記制御手段8は、前記演算部において、前記性能情報(電圧データ)が所定の電圧値を超えているか否かを判定する。前記判定の結果、前記電圧データが所定の電圧値を下回る場合、前記制御部はこの判定を受けて、前記酸化剤添加手段6に対して、前記酸化剤の添加量を増加させる命令信号を発する。この命令信号を受けた前記酸化剤添加手段6は、前記酸化剤の添加量を増加させる。この結果、前記一酸化炭素除去器4内の[O]/[CO]が上がって、前記一酸化炭素除去触媒による一酸化炭素の酸化反応が亢進し、前記一酸化炭素除去器4の出口ガスの一酸化炭素濃度を低減することができる。
【0048】
ここで、前記酸化剤の添加比率は、前記一酸化炭素の酸化反応の理論的下限である[O]/[CO]が0.5以上であることが必要である。又、前記混合ガス中に含まれる水素の燃焼を抑制するために、酸素の添加率を可及的に低減することが好ましい。よって、[O]/[CO]が3.0以下となるように添加することが好ましい。尚、上述した前記燃料電池システムの発電効率よりも、長期の安定運転を重視する場合には、水素の爆発限界以下(例えば、前記一酸化炭素除去器4の入口の一酸化炭素濃度が1%のとき、[O]/[CO]が5.0以下)となるように、前記酸化剤を添加することが好ましい。
【0049】
従って、前記一酸化炭素除去システム1は、可能であれば先に提示した[O]/[CO]の範囲内の低い[O]/[CO]から運転を開始し、前記電圧値の下降に伴って[O]/[CO]が上昇するように制御する。
【0050】
【実施例】
以下に本発明の実施例を説明する。
〔実施例1〕
一酸化炭素除去器の出口ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を前記一酸化炭素除去触媒の性能情報として、酸化剤添加量を制御した例を以下に説明する。
アルミナ担体にルテニウム(Ru)を1重量%担持したRu/アルミナ触媒を8mlとり、これを、内部に熱電対挿入用鞘管を有するステンレス鋼製の反応管(筐体)に充填して一酸化炭素除去器を作製した。この一酸化炭素除去器は、前記熱電対挿入用鞘管に挿入した熱電対によって前記一酸化炭素除去触媒の温度をモニタリングして、前記反応管を外部に備えたヒータを操作し、前記反応管の温度を制御可能に構成した。
【0051】
この一酸化炭素除去器に、H6%、N94%の組成を有するガスを、1,000ml/分の速度で導入しながら反応管温度を250℃に上昇させて250℃のまま2時間保持した(前処理)。この前処理は、前記Ru/アルミナ触媒の低温における初期活性を高めるための処理である。
【0052】
この後、前記反応管の温度を低下させた後、一酸化炭素変成器の出口ガスに空気を添加したガス([O]/[CO]=1.5)に相当する反応模擬ガス(一酸化炭素0.5%、メタン0.5%、二酸化炭素20.9%、酸素0.75%、窒素3.0%、残部が水素である混合ガスに湿りガス中の水蒸気濃度が5%となるように水蒸気を添加したガス)を、空間速度(GHSV)7,500/時間(ドライベース)で前記一酸化炭素除去器に導入し、前記一酸化炭素除去触媒により形成される触媒層の最高温度が140℃となるように制御しながら一酸化炭素の除去を行なった。
【0053】
尚、前記反応ガス中の酸素濃度は手動で変更可能に構成した。
又、前記一酸化炭素除去器から排出された出口ガスに含まれる一酸化炭素の濃度は、水素炎イオン化検出器(FID)で検出した。このFIDの検出限界(下限)は1ppmであった。
又、前記一酸化炭素除去器に導入する前記反応ガス中の酸素濃度は、前記FIDによる一酸化炭素濃度の検出データを操作者がチェックして、10ppm又はそれ以上になった時点で酸素添加量を増加させることとした。
【0054】
上記条件で、前記一酸化炭素除去器を約2,600時間連続運転した結果を、図2に示す。
前記一酸化炭素除去器の運転を開始してから約900時間経過するまでは、出口ガス中の一酸化炭素濃度は検出限界以下(1ppm未満)であった。しかし、この後、出口ガス中の一酸化炭素濃度は上昇し始め、1793時間後に10ppmまで達した。そこで、前記反応ガス中の酸素濃度を[O]/[CO]=3.0になるまで増加させると、前記出口ガス中の一酸化炭素濃度は検出限界以下にまで減少した。以後、[O]/[CO]=3.0で運転を続け、2,500時間以上、この状態を保つことができた。
【0055】
更に、前記一酸化炭素除去器の運転を継続し、6000時間後の前記一酸化炭素除去触媒の活性(出口ガス中の一酸化炭素濃度)を測定した。触媒層の最高温度が120℃の条件で、一時的に[O]/[CO]を1.5に変動させると、出口ガス中の一酸化炭素濃度は212ppmにまで上昇した。この後、[O]/[CO]=3.0に上昇させると、前記一酸化炭素除去器1の出口ガス中の一酸化炭素濃度は検出限界以下(1ppm未満)に戻った。
上述したように運転した後に、前記一酸化炭素除去触媒を前記一酸化炭素除去器から取り出して、前記一酸化炭素除去触媒への鉄付着量をICP発光分光分析によって測定した。この結果、一酸化炭素除去触媒1gあたりで約0.64mgの鉄が増加していることがわかった。又、このときの前記一酸化炭素除去触媒の一酸化炭素吸着量は運転開始前より46%減少していた。
このように、本法によって制御した一酸化炭素除去システムは、劣化した一酸化炭素除去触媒を用いた場合であっても、高い一酸化炭素除去能を長期間に亘って維持した。
【0056】
〔実施例2〕
一酸化炭素除去器の出口ガス(改質ガス)を利用する燃料電池の出力電圧を前記一酸化炭素除去触媒の性能情報として、酸化剤添加量を制御する例を以下に説明する。
アノードガス(改質ガス)に含まれる一酸化炭素濃度が固体高分子型燃料電池(E−Tek社製MEA使用)のセル性能に与える影響を試験した。尚、前記燃料電池の運転温度は70℃、電流密度は300mA/cm、燃料利用率は60%であった。
この結果を、図3に示す。
【0057】
前記アノードガス中の一酸化炭素濃度が1ppm未満(図中では0ppmと表示)の場合、単セル電圧は634mVであった。ところが、前記アノードガス中の一酸化炭素濃度が10ppmになると546mV、20ppmのときには約430mVにまで低下した。従って、前記燃料電池の出力電圧が、前記アノードガス、即ち、一酸化炭素除去器の出口ガスに含まれる一酸化炭素濃度と反比例の関係にあった。
従って、前記一酸化炭素除去触媒の性能情報として前記燃料電池の出力電圧に関する情報を利用することができる。
【0058】
〔別実施形態〕
以下に別実施形態を説明する。
(イ) 本発明に係る一酸化炭素除去システムでは、例えば、一酸化炭素変成器を上流側に設けた場合には、その出口ガスの組成が一酸化炭素除去触媒の性能に影響するといえる。そこで、原燃料の品質に依存する一酸化炭素変成器の入口ガス中の一酸化炭素濃度、又は一酸化炭素変成触媒の経時的な劣化による一酸化炭素変成器の出口ガス中の一酸化炭素濃度の上昇を考慮して、一酸化炭素除去触媒の性能情報を決定することも可能である。この場合、前記性能情報は、例えば一酸化炭素ガス検知センサにより取得することができる。前記一酸化炭素ガス検知センサは、各ガスの流路中に設けられてリアルタイムでデータを取得するように構成されてもよいし、前記一酸化炭素ガス検知センサにより予め取得したデータから履歴を作成しておいて、その履歴を性能情報として用いてもよい。また、前記一酸化炭素除去触媒の性能情報として燃料電池の出力情報を採用した場合には、燃料電池の状態が一酸化炭素除去触媒の性能に影響するといえる。そこで、燃料電池の経時的な劣化による電圧低下などを考慮して、一酸化炭素除去触媒の性能情報を決定することも可能である。
(ロ) 前記燃料電池システムにおいては、前記検出手段によってリアルタイムに取得した前記性能情報に基づいて、前記一酸化炭素除去システムをフィードバック制御したが、前記性能情報の取得方法はこのような方法に限定されない。例えば、同一の一酸化炭素除去システム、同種の一酸化炭素除去システム、同一燃料電池システム、同種の燃料電池システム、同一の一酸化炭素除去触媒、又は、同種の一酸化炭素除去触媒等を以前に使用したときの前記性能情報を前記一酸化炭素除去システム又は前記燃料電池システムの運転時間に対応づけて蓄積しておいて、この予め取得した性能情報に基づいて、前記制御手段に演算処理を行なわせて前記酸化剤添加手段を制御することができる。尚、前記性能情報の蓄積は、手動で行なってもよく、又は、前記制御手段が自動的に情報を収集・蓄積するように設定してあってもよい。
【0059】
例えば、前記実施例1によって得られた前記出口ガス中の一酸化炭素濃度の履歴を利用して、前記一酸化炭素除去器の運転を開始してから1793時間後に、前記反応ガス中の[O]/[CO]を1.5から3.0に上昇させるように、酸素ガスを添加する装置をマイコン等の制御手段で制御する一酸化炭素除去システムを構築することができた。
【0060】
また、前記一酸化炭素除去システムが部分負荷の出力で運転している場合には、それぞれの運転状態について予め取得した性能情報に基づいて、それらの運転状態に応じた量の酸化剤を添加するように制御すればよい。
例えば、前記混合ガス(一酸化炭素変成器の出口ガス)の量や前記混合ガスに含まれる一酸化炭素の量(濃度)に関して、それぞれの運転状態(定格または部分負荷等)について予め取得した情報を使用し、それらの運転状態に応じた量の酸化剤を添加することができる。
【0061】
(ハ) 本発明に係る一酸化炭素除去システムの用途は、燃料電池システムの構成要素としての使用に限定されない。本発明に係る一酸化炭素除去システムは、水素と一酸化炭素とを含む混合ガス中の一酸化炭素を除去する他の用途に使用可能であり、例えば、本システム単独、又は、工業的な水素ガス製造における精製工程において使用することができる。
【0062】
(ニ) 本発明に係る一酸化炭素除去システムに導入される混合ガスの由来(原燃料)は、メタノールなどのアルコール類でもよい。この場合、改質触媒は前記アルコールを改質するのに適した種類の公知の改質一酸化炭素除去触媒を使用することができる。
【0063】
(ホ) 前記燃料電池システムにおいて、前記原燃料が硫黄分を含むものである場合、公知の脱硫触媒を内装した脱硫器を前記改質器2の前に設けることができる。前記脱硫器を設けることによって、前記改質触媒、前記一酸化炭素変性触媒、前記一酸化炭素除去触媒等の被毒を防止することができる。
(へ) 前記燃料改質システムで用いる脱硫触媒、改質触媒、一酸化炭素変成触媒は、その種類を限定する必要はなく、公知のものを使用することができる。又、前記燃料電池として固体高分子型燃料電池を例示したが、他種の燃料電池、例えば、前記リン酸型燃料電池を用いた燃料電池システムにも、本発明を適用することができる。
(ト) 本発明に係る一酸化炭素除去システム及び燃料電池システムは、前記一酸化炭素除去触媒の鉄による被毒が抑制される使用条件下において、前記一酸化炭素除去触媒のシンタリングによる劣化が生じている場合にも、水素と一酸化炭素とを含む混合ガス中の一酸化炭素濃度を長期間に亘って非常に低い濃度に保ちながら、前記一酸化炭素除去触媒の寿命を延長することができると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃料電池システムの概略図
【図2】燃料電池に供給されるアノードガス中の一酸化炭素濃度と前記燃料電池を構成する単セルの出力電圧との関係を表わすグラフ
【図3】本発明に係る一酸化炭素除去システムの出口ガスにおける一酸化炭素濃度を表わすグラフ
【符号の説明】
1 一酸化炭素除去システム
2 改質器
3 一酸化炭素変成器
4 一酸化炭素除去器
5 燃料電池
6 酸化剤添加手段
7 検出手段
8 制御手段
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a carbon monoxide removal method for removing a carbon monoxide by reacting a mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide with an oxidant on a carbon monoxide removal catalyst. As the mixed gas, for example, a reformed gas obtained by reforming (steam reforming, partial combustion reforming, etc.) a carbohydrate such as natural gas, naphtha, kerosene, or an alcohol such as methanol is used. Can be.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a carbon monoxide removal system for carrying out this type of carbon monoxide removal method, a mixed gas (for example, reformed gas) containing hydrogen and carbon monoxide and an oxidant are used to remove carbon monoxide. Reacting on a catalyst, a carbon monoxide remover containing a carbon monoxide removal catalyst for removing the carbon monoxide, and the oxidizing agent for the reformed gas so as to be able to contact the carbon monoxide removal catalyst. And a means for adding an oxidizing agent for adding the compound.
[0003]
As the carbon monoxide removal catalyst, a carbon monoxide removal catalyst in which ruthenium (Ru), rhodium (Rh), platinum (Pt), palladium (Pd), or the like is supported on a carrier such as alumina has been known. These carbon monoxide removal catalysts convert and remove carbon monoxide into carbon dioxide mainly by an oxidation reaction represented by the following reaction formula.
[0004]
Embedded image
CO + 1 / 2O2→ CO2
[0005]
A gas obtained by adding an oxidizing agent (oxygen or air containing oxygen) to the reformed gas through the oxidizing agent adding means is introduced into a catalyst layer composed of the carbon monoxide removing catalyst to remove the carbon monoxide. The catalyst was brought into contact with a catalyst, whereby carbon monoxide in the reformed gas was converted into carbon dioxide. In the carbon monoxide removal catalyst, when the temperature of the catalyst layer is about 80 to 200 ° C., the reaction of selectively oxidizing carbon monoxide easily proceeds, so that the temperature adjusting means (heater, cooler, etc.) May be attached to the housing to keep the temperature of the catalyst layer in the temperature range.
[0006]
This type of carbon monoxide removal system has been provided in a fuel cell system on the upstream side of the fuel cell in order to supply a reformed gas serving as fuel for the fuel cell.
[0007]
In general, the fuel cell system is configured by connecting a desulfurizer, a reformer, a carbon monoxide converter, a carbon monoxide remover, and a fuel cell in the stated order as necessary. The sulfur content in the raw fuel containing fossil fuels (hydrocarbons such as natural gas or naphtha or kerosene) or alcohols (methanol or the like) is removed by the desulfurizer. In the reformer, a reformed gas containing hydrogen is generated from the raw fuel by a steam reforming reaction, a partial combustion reforming reaction, or a combination thereof. In the carbon monoxide converter, carbon monoxide contained in the reformed gas was converted into carbon dioxide by a carbon monoxide modification reaction. At this time, the reformed gas is a gas containing hydrogen as a main component (70% by volume or more), and a gas containing carbon dioxide (about 20% by volume) and carbon monoxide (0.5 to 1% by volume). Become.
[0008]
Further, in a fuel reforming system for producing a reformed gas to be supplied to a polymer electrolyte fuel cell, since the polymer electrolyte fuel cell operates at a low temperature of about 80 ° C., even a small amount of carbon monoxide is used. Since the electrode catalyst is poisoned, it is necessary to further reduce the carbon monoxide. Therefore, in the carbon monoxide removal system, the oxidant is added to the reformed gas using the oxidant addition means, and the mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide is acted on by the action of the carbon monoxide removal catalyst. A reformed gas obtained by further removing carbon monoxide from the certain reformed gas (for example, a gas containing 10 vol% or less of carbon monoxide and 40 vol% or more of hydrogen (dry base)) has been obtained.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
Conventionally, the operation of the above-described carbon monoxide removal system and the fuel cell system using the same are still in the test stage, and data on continuous operation for a long period of time has not been obtained. Therefore, a method for continuously removing carbon monoxide for a very long period has not been established.
However, the inventors have succeeded in performing a continuous operation for as long as several thousand hours, and have studied the long-term stability of the carbon monoxide removal catalyst. Here, when the inventors operate the carbon monoxide remover for a long time in a temperature range suitable for the action of the carbon monoxide removal catalyst, the carbon monoxide remover is gradually discharged from the carbon monoxide remover. It has been found that the carbon monoxide concentration in the reformed gas increases to reach several tens of ppm, and that the performance of the catalyst for carbon monoxide removal deteriorates due to continuous use for a long period of time.
[0010]
This is because the reformed gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell in order to prevent deterioration of the electrode catalyst of the polymer electrolyte fuel cell, maintain high performance, and ensure durability. It does not meet the requirement that the concentration of carbon monoxide therein must be constantly reduced to below 10 ppm.
On the other hand, it is conceivable to reduce the carbon monoxide concentration of the reformed gas by replacing the carbon monoxide removal catalyst by determining that the life has expired due to such deterioration of the carbon monoxide removal catalyst. . However, in such a countermeasure, since the carbon monoxide removing catalyst is expensive, there is a problem that the cost increases with replacement of the carbon monoxide removing catalyst. In addition, there is a problem that the power supply from the fuel cell system is hindered until the replacement of the carbon monoxide removal catalyst and the operation of the carbon monoxide removal system and the fuel cell system are stabilized.
[0011]
Accordingly, an object of the present invention is to extend the life of the carbon monoxide removal catalyst while keeping the concentration of carbon monoxide in the mixed gas at a very low concentration for a long time in view of the above problems. An object of the present invention is to provide a method for removing carbon monoxide.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
To achieve this object, the first characteristic means of the method for removing carbon monoxide of the present invention comprises reacting a mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide with an oxidizing agent on a carbon monoxide removing catalyst, In the carbon monoxide removing method for removing carbon monoxide, the point is that the addition ratio of the oxidizing agent to the mixed gas is increased in accordance with the performance decrease of the carbon monoxide removing catalyst.
[0013]
A second feature of the method for removing carbon monoxide of the present invention for achieving this object is to react a mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide with an oxidizing agent on a carbon monoxide removing catalyst. In the carbon monoxide removing method for removing carbon monoxide, the ratio of the oxidizing agent to carbon monoxide contained in the mixed gas is increased in accordance with a decrease in the performance of the carbon monoxide removing catalyst. .
[0014]
A third feature of the method for removing carbon monoxide of the present invention for achieving this object is to react a mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide with an oxidant on a carbon monoxide removal catalyst. In the carbon monoxide removing method for removing carbon monoxide, the amount of the oxidizing agent added is increased according to the usage time of the carbon monoxide removing catalyst.
[0015]
In addition, the first characteristic configuration of the carbon monoxide removal system of the present invention for achieving this object will be described with reference to the drawings. The mixed gas and the oxidizing agent are reacted on the carbon monoxide removing catalyst to remove the carbon monoxide, and the carbon monoxide removing device 4 equipped with the carbon monoxide removing catalyst is provided therein. An oxidizing agent adding means 6 for adding the oxidizing agent to the mixed gas so that the mixed gas can be contacted; a detecting means 7 for detecting performance information of the carbon monoxide removing catalyst; and the performance detected by the detecting means 7 It is determined whether or not the information satisfies a predetermined criterion, and if it is determined that the criterion does not satisfy the predetermined criterion, the oxidizing agent adding unit 6 is controlled to increase the adding ratio of the oxidizing agent to the mixed gas. And control means 8 for causing Located in.
[0016]
According to a second feature of the carbon monoxide removal system of the present invention for achieving this object, as described in claim 5, a mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide and an oxidizing agent are used. Reacting on the carbon monoxide removing catalyst, a carbon monoxide removing device equipped with a carbon monoxide removing catalyst for removing the carbon monoxide, and contactable with the carbon monoxide removing catalyst; Oxidizing agent adding means for adding the oxidizing agent, and controlling the oxidizing agent adding means based on performance information of the carbon monoxide removing catalyst obtained in advance in association with the operation time of the carbon monoxide removing device, Control means for increasing the ratio of the oxidizing agent to the mixed gas.
[0017]
Further, in the first and second aspects, it is preferable that the mixed gas is a reformed gas obtained by reforming a hydrocarbon or an alcohol.
[0018]
Further, the characteristic configuration of the fuel cell system of the present invention for achieving this object will be described with reference to the drawings, as described in claim 7, according to any one of claims 4 to 6. The described carbon monoxide remover system 1 is provided upstream of a polymer electrolyte fuel cell 5, and the outlet gas of the carbon monoxide remover 4 or a gas derived therefrom is used as an anode gas to form the polymer electrolyte fuel cell. 5 to supply.
Furthermore, in the above-mentioned characteristic configuration, as described in claim 8, it is preferable that the performance information is output information of the polymer electrolyte fuel cell 5,
As described in claim 9, the detection means 7 detects an output voltage of the polymer electrolyte fuel cell 5 as the performance information, and the control means 8 determines that the detected output voltage is a predetermined value. It is preferable to control the oxidizing agent adding means 6 to increase the adding ratio of the oxidizing agent to the mixed gas when the value falls below the reference value.
And these effects are as follows.
[0019]
The carbon monoxide removal method proposed in the present invention and the carbon monoxide removal system and the fuel reforming system using the same are characterized in that the carbon monoxide removal catalyst housed in the carbon monoxide remover is resistant to deterioration due to sintering of the catalyst. In addition, it is based on a new finding that it is poisoned by iron or iron compounds (iron poisoning).
The present inventors have conducted intensive studies to elucidate the cause of the gradual decrease (deterioration) of the carbon monoxide removal rate by the carbon monoxide remover. As a result, the state of the surface of the catalyst whose activity was greatly reduced was found. Was analyzed by electron probe microanalysis (EPMA) and inductively coupled high-frequency plasma emission spectroscopy (ICP emission spectroscopy) to confirm that iron atoms were present on the surface in some form. The present inventors have also confirmed that even a catalyst that has undergone some sintering has maintained sufficient catalytic activity as long as the poisoning by iron is small. It was considered that not only the influence of the ring but also the presence of the iron or the iron compound or both of the iron and the iron compound was deeply involved.
[0020]
Therefore, as a result of further study on the origin of iron or an iron compound present in the catalyst whose activity has been reduced, parts (for example, a stainless steel reactor, a pipe, a heat exchanger, etc.) constituting the fuel reforming system have been examined. It was found that the iron or iron compound contained was mixed with the reformed gas, adhered to the catalyst provided in the carbon monoxide remover, closed the active site, and could lower the activity. .
[0021]
Until now, when using the carbon monoxide remover under normal conditions, it was not thought that the carbon monoxide removal catalyst would be poisoned with iron, but iron and iron compounds were mixed into the reformed gas, Considering the cause of the possibility that the carbon monoxide removal catalyst may be poisoned with iron, one of the possibilities is presumed to be the following process.
[0022]
First, a reformed gas having a reduced carbon monoxide concentration after passing through the carbon monoxide converter (for example, a typical composition is 65% hydrogen, 19% carbon dioxide, 0.5% carbon monoxide, steam 15.5%) is discharged from the carbon monoxide converter at the same temperature as the outlet temperature (about 200 ° C.) of the carbon monoxide converter, but is discharged from the carbon monoxide converter. Since the operating temperature of the remover is lower than this (about 80 to 200 ° C.), the reactor for connecting the carbon monoxide converter and the carbon monoxide remover before introducing the carbon monoxide remover. Radiates heat in pipes, pipes, heat exchangers, etc., and the temperature drops. At this time, since the reformed gas has a high concentration of hydrogen, and iron and nickel are present in stainless steel materials and the like constituting the pipes and heat exchangers, iron and carbon monoxide are combined. Carbonyl (Fe (CO)5)) And the condition is easy to release. Therefore, it is considered that iron moves along with the reformed gas, flows into the carbon monoxide remover, and adheres to the carbon monoxide removal catalyst, thereby poisoning.
Further, an oxidizing agent added for removing carbon monoxide between the carbon monoxide converter and the carbon monoxide remover, and an oxidizer added between the carbon monoxide converter and the carbon monoxide remover. Condensed water may also be involved in the iron poisoning process.
[0023]
Therefore, the inventors have conducted intensive studies on a method for removing carbon monoxide from the mixed gas using the carbon monoxide catalyst. As a result, not only deterioration due to sintering, but also the carbon oxide removal catalyst was significantly reduced by iron. The present inventors have found that there is a method capable of sufficiently removing carbon monoxide in the mixed gas even if poisoned, and completed the present invention.
[0024]
That is, as described in claim 1, a mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide and an oxidizing agent are reacted on a carbon monoxide removing catalyst to remove the carbon monoxide. In the removing method, it is possible to recover the carbon monoxide removing performance of the carbon monoxide removing catalyst by increasing an addition ratio of the oxidizing agent to the mixed gas in accordance with the performance decrease of the carbon monoxide removing catalyst. I knew I could do it. This makes it possible to extend the life of the carbon monoxide removal catalyst while keeping the concentration of carbon monoxide in the mixed gas at a very low level for a long period of time.
[0025]
In addition, as described in claim 2, a mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide and an oxidizing agent are reacted on a carbon monoxide removing catalyst to remove the carbon monoxide. In the removing method, the ratio of the oxidizing agent to the carbon monoxide contained in the mixed gas is increased in accordance with a decrease in the performance of the carbon monoxide removing catalyst, whereby the carbon monoxide removing catalyst is removed. It turns out that performance can be restored. This makes it possible to extend the life of the carbon monoxide removal catalyst while keeping the concentration of carbon monoxide in the mixed gas at a very low level for a long period of time. In order to increase the addition ratio of the oxidizing agent to carbon monoxide, specifically, as described in Examples, using the addition ratio of the oxidizing agent to carbon monoxide as an index, the oxidizing agent to the mixed gas May be increased.
[0026]
Here, in the present specification, the “performance of the carbon monoxide removal catalyst” includes not only the performance of the carbon monoxide removal catalyst which is directly derived, but also the factor which is derived indirectly. For example, the performance can be determined based on the concentration of carbon monoxide contained in the mixed gas after contact with the carbon monoxide removal catalyst. Alternatively, the determination can be made based on a factor affected by the concentration of carbon monoxide contained in the mixed gas after contact with the carbon monoxide removal catalyst. As will be described in detail in Examples, the output voltage of a fuel cell using a mixed gas after contact with the carbon monoxide removal catalyst or a gas obtained by subjecting the mixed gas to some treatment as an anode gas depends on the carbon monoxide removal catalyst. Since it is inversely proportional to the concentration of carbon monoxide contained in the mixed gas after contact with the fuel cell, the performance of the carbon monoxide removal catalyst can be determined using the output voltage of the fuel cell as an index.
[0027]
Also, as described in claim 3, a mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide and an oxidizing agent are reacted on a carbon monoxide removing catalyst to remove the carbon monoxide. In the removal method, it was found that the carbon monoxide removal performance of the carbon monoxide removal catalyst can be restored by increasing the amount of the oxidizing agent added according to the usage time of the carbon monoxide removal catalyst. . This makes it possible to extend the life of the carbon monoxide removal catalyst while keeping the concentration of carbon monoxide in the mixed gas at a very low level for a long period of time.
Here, in the present specification, the "use time of the carbon monoxide removal catalyst" means the elapsed time from the start of the treatment when the carbon monoxide removal catalyst is used for the carbon monoxide removal treatment. I do.
[0028]
Further, in order to carry out the carbon monoxide removal method, a carbon monoxide removal system according to a fourth aspect can be employed. That is, referring to the drawings, in a carbon monoxide remover 4 equipped with a carbon monoxide removing catalyst for removing carbon monoxide, a mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide and an oxidant are mixed with carbon monoxide. When reacting on the removing catalyst, the oxidizing agent is added to the carbon monoxide removing device 4 by the oxidizing agent adding means 6 so as to be able to contact the carbon monoxide removing catalyst. Here, the state of the carbon monoxide removing catalyst can be grasped by the detecting means 7 detecting the performance information of the carbon monoxide removing catalyst. Then, the control means 8 determines whether or not the performance information detected by the detection means 7 satisfies a predetermined criterion. If it is determined that the performance information does not satisfy the predetermined criterion, the oxidizing agent adding means 6 Is controlled to increase the ratio of the oxidizing agent to the mixed gas, the performance of the carbon monoxide removal catalyst is restored. Therefore, it is possible to stably supply the mixed gas having a very low carbon monoxide concentration (for example, the carbon monoxide concentration is 10 ppm or less) over a long period of time while extending the life of the carbon monoxide removal catalyst. it can.
[0029]
Further, as described in claim 5, the performance information may be acquired in advance in association with the operation time of the carbon monoxide remover, and may be used. That is, in a carbon monoxide remover equipped with a carbon monoxide removal catalyst for removing carbon monoxide, when reacting a mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide with an oxidant on the carbon monoxide removal catalyst, The oxidizing agent is added to the mixed gas by an oxidizing agent adding means so as to be able to contact the carbon monoxide removing catalyst. Then, based on the performance information acquired in advance, the control means controls the oxidizing agent adding means to increase the ratio of the oxidizing agent to the mixed gas. Recover. Therefore, steps and configurations for removing the carbon monoxide can be reduced.
[0030]
Furthermore, as described in claim 6, when the mixed gas is a reformed gas obtained by reforming hydrocarbons or alcohols, use in which mixing of carbon monoxide is restricted (for example, , Fuel cell anode gas production, etc.). Therefore, it is preferable that the carbon monoxide removal system according to the present invention can greatly reduce the carbon monoxide concentration.
[0031]
Also, with reference to the drawings, as described in claim 7, the carbon monoxide remover system 1 according to any one of claims 4 to 6 is a polymer electrolyte fuel cell 5 The outlet gas of the carbon monoxide remover 4 having a very low carbon monoxide concentration (for example, 10 ppm or less) can be obtained for a very long time. Therefore, by supplying the outlet gas or a gas derived therefrom as the anode gas to the polymer electrolyte fuel cell 5, poisoning of the electrode catalyst constituting the polymer electrolyte fuel cell 5 is prevented, , And stable operation is possible. Further, as will be described in detail in the embodiment, since the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell 5 can be increased by reducing the concentration of carbon monoxide in the anode gas, the utilization efficiency can be improved. it can.
[0032]
Further, referring to the drawings, as described in claim 8, a voltmeter or an ammeter conventionally provided if the performance information is output information of the polymer electrolyte fuel cell 5 Can be used as the detection means 7.
[0033]
Specifically, referring to the drawings, as described in claim 9, the detecting means 7 detects an output voltage of the polymer electrolyte fuel cell 5 as the output information, When the detected output voltage is lower than a predetermined reference value, the control means controls the oxidant adding means to increase the ratio of the oxidant to the mixed gas.
[0034]
In addition, although reference numerals are given to facilitate comparison with the drawings, the present invention is not limited to the structure of the drawings.
[0035]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a fuel cell system according to the present invention including the carbon monoxide removal system 1 according to the present invention. This fuel cell system can be roughly classified into a reforming process in which hydrocarbons such as natural gas (city gas), naphtha, and kerosene are used as a raw fuel and hydrogen that is used as an anode gas for the polymer electrolyte fuel cell 5 is used as a main component. A fuel reforming system for producing gas; and a polymer electrolyte fuel cell 5 for generating electricity by supplying the reformed gas supplied from the fuel reforming system as an anode gas and supplying air (oxygen) as a cathode gas. And
[0036]
In the fuel reforming system, a reformer 2, a carbon monoxide converter 3, and a carbon monoxide remover 4 constituting the carbon monoxide removal system 1 are connected in series through a pipe. The reformed gas that has passed through them is supplied to the anode of the polymer electrolyte fuel cell 5.
Hereinafter, each component will be described.
[0037]
The reformer 2 contains a reforming catalyst and is provided with a burner for heating the reforming catalyst. In the reformer 2, the raw fuel and steam separately supplied are mixed and brought into contact with the reforming catalyst. By the action of the reforming catalyst, hydrocarbons such as methane in the raw fuel are mainly reformed into hydrogen, and carbon monoxide and carbon dioxide are produced as by-products.
[0038]
Although the reformed gas thus obtained is rich in hydrogen, it contains more than ten percent of carbon monoxide as a by-product, so that when directly supplied to the polymer electrolyte fuel cell 5, the electrode catalyst is significantly poisoned. I do. Therefore, in the carbon monoxide converter 3, the outlet temperature is about 200 ° C., and the carbon monoxide is converted into carbon dioxide by contacting with a carbon monoxide conversion catalyst such as a copper-zinc catalyst. At the outlet gas of the carbon monoxide converter 3, the carbon monoxide concentration is reduced to 0.3 to 1%. However, in order to stably operate the polymer electrolyte fuel cell 5 for a long period of time, it is necessary to reduce the concentration of carbon monoxide to about 10 ppm. (Reformed gas) is further introduced into the carbon monoxide remover 4 provided downstream.
[0039]
The carbon monoxide remover 4 detects an oxidant adding means 6 for adding the oxidant to the mixed gas so as to be able to contact the carbon monoxide removal catalyst, and performance information of the carbon monoxide removal catalyst. And the control means 8 for controlling the oxidizing agent adding means 6 based on the performance information detected by the detecting means 7 to constitute the carbon monoxide removal system 1 according to the present invention. Carbon monoxide is removed from the outlet gas of the carbon monoxide converter 3.
[0040]
The carbon monoxide remover 4 contains a carbon monoxide removal catalyst capable of removing carbon monoxide contained in the outlet gas of the carbon monoxide converter 3. As such a catalyst, for example, a catalyst in which ruthenium (or a noble metal such as platinum, rhodium, or palladium) is supported on a carrier such as alumina spheres can be used. For example, for removing carbon monoxide used in the present method, a catalyst in which 0.1 to 5.0% by weight, preferably 0.5 to 2.0% by weight of ruthenium is supported on an alumina carrier can be used. . Carbon monoxide in the reaction gas is mainly combined with oxygen to form carbon dioxide by an oxidation removal reaction promoted by the carbon monoxide removal catalyst. At the same time, carbon monoxide can be removed by a methanation reaction. By these actions, the reformed gas having a very low carbon monoxide concentration can be obtained.
[0041]
The reaction temperature of the carbon monoxide removal catalyst may be within a temperature range in which the carbon monoxide removal proceeds, but is preferably carried out at 80 to 180 ° C. where the methanation reaction of carbon dioxide can be suppressed. Is preferred.
[0042]
The performance information of the carbon monoxide removal catalyst detected by the detection means 7 is, for example, the concentration of carbon monoxide in the reformed gas before contacting with the carbon monoxide removal catalyst, the carbon monoxide removal catalyst, It is information on a factor that reflects the concentration of carbon monoxide in the reformed gas after contact, or the concentration of carbon monoxide in the reformed gas after contact with the carbon monoxide removal catalyst. Specifically, there are information on the carbon monoxide concentration itself in the reformed gas before or after contact with the carbon monoxide removal catalyst, information on the output of the fuel cell (output information), and the like. The detection means 7 includes, for example, a carbon monoxide gas detection sensor. The carbon monoxide gas detection sensor may be provided in the flow path of the reformed gas and configured to acquire data in real time, or a history may be obtained from data previously acquired by the carbon monoxide gas detection sensor. The history may be created and the history may be used as performance information. The control method of the fuel cell includes various methods such as a constant output power method, a constant output current method, and a constant output voltage method.The output information such as a voltage value and a current value obtained according to these methods is provided. Can be used.
[0043]
The detection means 7 may be any means capable of acquiring the performance information. For example, when the performance information is an output voltage which is output information, a voltmeter can be employed as shown in FIG. Alternatively, if the performance information is the carbon monoxide concentration, a known carbon monoxide sensor, a flame ionization detector (FID), a thermal conductivity detector (TCD), or the like can be used. As these detecting means 7, those previously provided in the carbon monoxide removal system 1 or the fuel cell system can also be used.
[0044]
The control means 8 can be composed of a microcomputer, a control device for controlling various controls of the entire fuel cell system, and the like. The control unit 8 receives the performance information signal sent from the detection unit 7 and performs an arithmetic process based on the performance information. The control unit 8 performs the oxidation based on a result of the arithmetic process performed by the arithmetic unit. A control unit for issuing a signal for controlling the amount of the oxidizing agent added to the agent adding means 6;
A control example of the oxidizing agent adding means 6 by the control means 8 will be described later.
[0045]
As the oxidizing agent adding means 6, a known configuration such as a blower or a pump can be adopted, and air is conveyed by the blower or the pump. The destination of the oxidant may be any place where the carbon monoxide removal catalyst can contact the oxidant in the presence of the reformed gas. For example, as shown in FIG. The oxidizing agent can be introduced from the pipe on the upstream side of the carbon remover 4. Alternatively, the oxidizing agent may be introduced into the carbon monoxide remover 4.
[0046]
The reformed gas discharged from the carbon monoxide remover 4 is introduced into the polymer electrolyte fuel cell 5 as an anode gas. The polymer electrolyte fuel cell 5 has a polymer electrolyte membrane interposed between a fuel electrode (anode) and an air electrode (cathode). When the anode gas is supplied to the fuel electrode and the cathode gas (air) is supplied to the air electrode, hydrogen in the anode gas and oxygen in the cathode gas combine to generate water on the air electrode side. Electricity is generated. The off-gas of the cathode gas after power generation is released into the atmosphere. The off-gas of the anode gas can be returned to the reformer 2 in order to use unreacted hydrogen and remaining methane as fuel.
[0047]
As an example of the arithmetic processing in such a fuel cell system, a case where the performance information is an output voltage of the polymer electrolyte fuel cell will be described.
As shown in FIG. 1, electric power generated by the polymer electrolyte fuel cell 5 is supplied to the outside via a power transmission line 9. A voltmeter 7 as detecting means 7 is connected to the transmission line 9 or the internal wiring of the polymer electrolyte fuel cell 5. As described above, the voltage of the polymer electrolyte fuel cell 5 detected by the voltmeter 7 is affected by the carbon monoxide removing ability of the carbon monoxide removing catalyst. That is, when the performance of the carbon monoxide removing catalyst is reduced and the carbon monoxide concentration in the outlet gas of the carbon monoxide remover 4 is increased, the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell 5 is reduced. The data of the voltage detected by the voltmeter 7 is recorded as the performance information and sent to the control means 8. The control unit 8 determines in the arithmetic unit whether the performance information (voltage data) exceeds a predetermined voltage value. If the result of the determination is that the voltage data is lower than a predetermined voltage value, the control unit receives this determination and issues a command signal to the oxidizing agent adding means 6 to increase the amount of the oxidizing agent added. . The oxidant adding means 6 receiving this command signal increases the amount of the oxidant added. As a result, [O] in the carbon monoxide remover 4 is removed.2] / [CO] is increased, the oxidation reaction of carbon monoxide by the carbon monoxide removal catalyst is accelerated, and the carbon monoxide concentration at the outlet gas of the carbon monoxide remover 4 can be reduced.
[0048]
Here, the addition ratio of the oxidizing agent is a theoretical lower limit of the oxidation reaction of the carbon monoxide [O2] / [CO] needs to be 0.5 or more. Further, in order to suppress the combustion of hydrogen contained in the mixed gas, it is preferable to reduce the oxygen addition rate as much as possible. Therefore, [O2] / [CO] is preferably 3.0 or less. In the case where long-term stable operation is more important than the power generation efficiency of the fuel cell system described above, it is equal to or lower than the explosion limit of hydrogen (for example, when the concentration of carbon monoxide at the inlet of the carbon monoxide remover 4 is 1%). When [O2] / [CO] is 5.0 or less).
[0049]
Therefore, the carbon monoxide removal system 1 has been proposed previously [O2] / [CO] low [O]2] / [CO], and [O] with the decrease of the voltage value2] / [CO] is increased.
[0050]
【Example】
Hereinafter, examples of the present invention will be described.
[Example 1]
An example in which the addition amount of the oxidizing agent is controlled using the concentration of carbon monoxide contained in the outlet gas of the carbon monoxide remover as the performance information of the carbon monoxide removal catalyst will be described below.
8 ml of a Ru / alumina catalyst in which 1% by weight of ruthenium (Ru) is supported on an alumina carrier is filled into a stainless steel reaction tube (housing) having a sheath tube for inserting a thermocouple therein, and then subjected to monoxide oxidation. A carbon remover was made. This carbon monoxide remover monitors the temperature of the carbon monoxide removal catalyst with a thermocouple inserted into the thermocouple insertion sheath tube, operates a heater having the reaction tube outside, and operates the reaction tube. Is configured to be controllable.
[0051]
This carbon monoxide remover has H26%, N2The temperature of the reaction tube was raised to 250 ° C. while introducing a gas having a composition of 94% at a rate of 1,000 ml / min, and the temperature was kept at 250 ° C. for 2 hours (pretreatment). This pretreatment is a treatment for increasing the initial activity of the Ru / alumina catalyst at a low temperature.
[0052]
Then, after lowering the temperature of the reaction tube, a gas obtained by adding air to the outlet gas of the carbon monoxide converter ([O2] / [CO] = 1.5) (0.5% carbon monoxide, 0.5% methane, 20.9% carbon dioxide, 0.75% oxygen, 3.0% nitrogen) A gas obtained by adding water vapor so that the concentration of water vapor in the humid gas becomes 5% to a mixed gas whose balance is hydrogen) at a space velocity (GHSV) of 7,500 / hour (dry base) at the carbon monoxide remover. The carbon monoxide was removed while controlling the maximum temperature of the catalyst layer formed by the carbon monoxide removal catalyst to be 140 ° C.
[0053]
The oxygen concentration in the reaction gas was configured to be manually changeable.
The concentration of carbon monoxide contained in the outlet gas discharged from the carbon monoxide remover was detected by a flame ionization detector (FID). The detection limit (lower limit) of this FID was 1 ppm.
The oxygen concentration in the reaction gas introduced into the carbon monoxide remover is determined by the operator by checking the detection data of the carbon monoxide concentration by the FID. Was increased.
[0054]
The result of continuously operating the carbon monoxide remover under the above conditions for about 2,600 hours is shown in FIG.
Until about 900 hours had passed since the start of the operation of the carbon monoxide remover, the concentration of carbon monoxide in the outlet gas was below the detection limit (less than 1 ppm). However, after this, the concentration of carbon monoxide in the outlet gas began to rise and reached 1 ppm after 1793 hours. Therefore, the oxygen concentration in the reaction gas is changed to [O2] / [CO] = 3.0, the concentration of carbon monoxide in the outlet gas decreased below the detection limit. Thereafter, [O2] / [CO] = 3.0, the operation was continued, and this state could be maintained for 2,500 hours or more.
[0055]
Further, the operation of the carbon monoxide remover was continued, and the activity (carbon monoxide concentration in the outlet gas) of the carbon monoxide removal catalyst was measured after 6000 hours. Under the condition that the maximum temperature of the catalyst layer is 120 ° C., [O2] / [CO] was varied to 1.5, the carbon monoxide concentration in the outlet gas increased to 212 ppm. After this, [O2] / [CO] = 3.0, the concentration of carbon monoxide in the outlet gas of the carbon monoxide remover 1 returned to below the detection limit (less than 1 ppm).
After operating as described above, the carbon monoxide removal catalyst was taken out of the carbon monoxide remover, and the amount of iron attached to the carbon monoxide removal catalyst was measured by ICP emission spectroscopy. As a result, it was found that about 0.64 mg of iron was increased per 1 g of the carbon monoxide removal catalyst. At this time, the carbon monoxide adsorption amount of the carbon monoxide removal catalyst was 46% smaller than before the start of the operation.
Thus, the carbon monoxide removal system controlled by the present method maintained a high carbon monoxide removal ability over a long period of time even when a deteriorated carbon monoxide removal catalyst was used.
[0056]
[Example 2]
An example in which an output amount of a fuel cell using an outlet gas (reformed gas) of a carbon monoxide remover is used as performance information of the carbon monoxide removal catalyst to control an oxidant addition amount will be described below.
The effect of the concentration of carbon monoxide contained in the anode gas (reformed gas) on the cell performance of a polymer electrolyte fuel cell (using MEA manufactured by E-Tek) was tested. The operating temperature of the fuel cell was 70 ° C., and the current density was 300 mA / cm.2The fuel utilization was 60%.
The result is shown in FIG.
[0057]
When the concentration of carbon monoxide in the anode gas was less than 1 ppm (shown as 0 ppm in the figure), the single cell voltage was 634 mV. However, when the concentration of carbon monoxide in the anode gas became 10 ppm, it decreased to 546 mV, and when it was 20 ppm, it decreased to about 430 mV. Therefore, the output voltage of the fuel cell was inversely proportional to the concentration of carbon monoxide contained in the anode gas, that is, the outlet gas of the carbon monoxide remover.
Therefore, information on the output voltage of the fuel cell can be used as the performance information of the carbon monoxide removal catalyst.
[0058]
[Another embodiment]
Hereinafter, another embodiment will be described.
(A) In the carbon monoxide removal system according to the present invention, for example, when a carbon monoxide converter is provided on the upstream side, it can be said that the composition of the outlet gas affects the performance of the carbon monoxide removal catalyst. Therefore, the concentration of carbon monoxide in the inlet gas of the carbon monoxide converter, which depends on the quality of the raw fuel, or the concentration of carbon monoxide in the outlet gas of the carbon monoxide converter due to the deterioration of the carbon monoxide conversion catalyst over time. It is also possible to determine the performance information of the carbon monoxide removal catalyst in consideration of the rise of the carbon monoxide. In this case, the performance information can be acquired by, for example, a carbon monoxide gas detection sensor. The carbon monoxide gas detection sensor may be provided in the flow path of each gas and configured to acquire data in real time, or may create a history from data previously acquired by the carbon monoxide gas detection sensor. Then, the history may be used as performance information. When the output information of the fuel cell is used as the performance information of the carbon monoxide removal catalyst, it can be said that the state of the fuel cell affects the performance of the carbon monoxide removal catalyst. Therefore, it is also possible to determine the performance information of the carbon monoxide removal catalyst in consideration of the voltage drop due to the deterioration of the fuel cell over time.
(B) In the fuel cell system, the carbon monoxide removal system is feedback-controlled based on the performance information acquired in real time by the detection means, but the method for acquiring the performance information is limited to such a method. Not done. For example, the same carbon monoxide removal system, the same carbon monoxide removal system, the same fuel cell system, the same fuel cell system, the same carbon monoxide removal catalyst, or the same carbon monoxide removal catalyst The performance information at the time of use is stored in association with the operation time of the carbon monoxide removal system or the fuel cell system, and arithmetic processing is performed on the control means based on the performance information obtained in advance. Thus, the oxidizing agent adding means can be controlled. The accumulation of the performance information may be performed manually, or the control means may be set to automatically collect and accumulate the information.
[0059]
For example, using the history of the concentration of carbon monoxide in the outlet gas obtained in Example 1, 1793 hours after the operation of the carbon monoxide remover was started, [O2] / [CO] was increased from 1.5 to 3.0, and a carbon monoxide removal system in which an apparatus for adding oxygen gas was controlled by control means such as a microcomputer could be constructed.
[0060]
Further, when the carbon monoxide removal system is operating at a partial load output, an oxidizing agent is added in an amount corresponding to the operating state based on performance information acquired in advance for each operating state. Control may be performed as follows.
For example, with respect to the amount of the mixed gas (outlet gas of the carbon monoxide converter) and the amount (concentration) of carbon monoxide contained in the mixed gas, information obtained in advance for each operation state (rated or partial load, etc.) , And an oxidizing agent can be added in an amount depending on the operating conditions.
[0061]
(C) The application of the carbon monoxide removal system according to the present invention is not limited to use as a component of a fuel cell system. The carbon monoxide removal system according to the present invention can be used for other applications for removing carbon monoxide in a mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide, for example, the system alone, or industrial hydrogen. It can be used in a purification process in gas production.
[0062]
(D) The origin (raw fuel) of the mixed gas introduced into the carbon monoxide removal system according to the present invention may be alcohols such as methanol. In this case, a known reforming carbon monoxide removal catalyst of a type suitable for reforming the alcohol can be used as the reforming catalyst.
[0063]
(E) In the fuel cell system, when the raw fuel contains sulfur, a desulfurizer having a known desulfurization catalyst may be provided in front of the reformer 2. By providing the desulfurizer, poisoning of the reforming catalyst, the carbon monoxide denaturing catalyst, the carbon monoxide removing catalyst, and the like can be prevented.
(F) The type of the desulfurization catalyst, the reforming catalyst, and the carbon monoxide conversion catalyst used in the fuel reforming system need not be limited, and known ones can be used. Although the polymer electrolyte fuel cell has been exemplified as the fuel cell, the present invention can also be applied to other types of fuel cells, for example, a fuel cell system using the phosphoric acid fuel cell.
(G) In the carbon monoxide removal system and the fuel cell system according to the present invention, under the use condition in which the poisoning of the carbon monoxide removal catalyst by iron is suppressed, deterioration of the carbon monoxide removal catalyst due to sintering is reduced. Even if it occurs, it is possible to extend the life of the carbon monoxide removal catalyst while maintaining the carbon monoxide concentration in the mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide at a very low concentration for a long period of time. It is considered possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a relationship between a concentration of carbon monoxide in an anode gas supplied to a fuel cell and an output voltage of a single cell constituting the fuel cell.
FIG. 3 is a graph showing the concentration of carbon monoxide in the outlet gas of the carbon monoxide removal system according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1. Carbon monoxide removal system
2 reformer
3 carbon monoxide transformer
4 Carbon monoxide remover
5 Fuel cell
6 means for adding oxidizing agent
7 Detection means
8) Control means

Claims (9)

水素と一酸化炭素とを含む混合ガスと酸化剤とを、一酸化炭素除去触媒上で反応させて、前記一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去方法において、
前記一酸化炭素除去触媒の性能低下に応じて、前記混合ガスに対する前記酸化剤の添加比率を増加させる一酸化炭素除去方法。
A mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide and an oxidizing agent are reacted on a carbon monoxide removing catalyst, and in the carbon monoxide removing method for removing the carbon monoxide,
A method for removing carbon monoxide, wherein the ratio of the oxidizing agent to the mixed gas is increased in accordance with a decrease in performance of the carbon monoxide removing catalyst.
水素と一酸化炭素とを含む混合ガスと酸化剤とを、一酸化炭素除去触媒上で反応させて、前記一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去方法において、
前記一酸化炭素除去触媒の性能低下に応じて、前記混合ガスに含まれる一酸化炭素に対する前記酸化剤の添加比率を増加させる一酸化炭素除去方法。
A mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide and an oxidizing agent are reacted on a carbon monoxide removing catalyst, and in the carbon monoxide removing method for removing the carbon monoxide,
A method for removing carbon monoxide, wherein the addition ratio of the oxidizing agent to carbon monoxide contained in the mixed gas is increased in accordance with a decrease in performance of the carbon monoxide removing catalyst.
水素と一酸化炭素とを含む混合ガスと酸化剤とを、一酸化炭素除去触媒上で反応させて、前記一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去方法において、
前記一酸化炭素除去触媒の使用時間に応じて、前記酸化剤の添加量を増加させる一酸化炭素除去方法。
A mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide and an oxidizing agent are reacted on a carbon monoxide removing catalyst, and in the carbon monoxide removing method for removing the carbon monoxide,
A method for removing carbon monoxide, wherein the amount of the oxidizing agent added is increased according to the usage time of the carbon monoxide removing catalyst.
水素と一酸化炭素とを含む混合ガスと酸化剤とを、一酸化炭素除去触媒上で反応させて、前記一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去触媒を内装する一酸化炭素除去器と、
前記一酸化炭素除去触媒と接触可能に、前記混合ガスに対して前記酸化剤を添加する酸化剤添加手段と、
前記一酸化炭素除去触媒の性能情報を検出する検出手段と、
前記検出手段によって検出された前記性能情報が所定の基準を満たすか否かを判定し、前記所定の基準を満たさないと判定した場合に、前記酸化剤添加手段を制御して、前記混合ガスに対する前記酸化剤の添加比率を増加させる制御手段とを備える一酸化炭素除去システム。
A mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide and an oxidizing agent are reacted on a carbon monoxide removing catalyst, and a carbon monoxide removing device equipped with a carbon monoxide removing catalyst for removing the carbon monoxide,
Oxidizing agent adding means for adding the oxidizing agent to the mixed gas so as to be able to contact the carbon monoxide removing catalyst,
Detecting means for detecting performance information of the carbon monoxide removal catalyst,
It is determined whether or not the performance information detected by the detection means satisfies a predetermined criterion, and when it is determined that the performance information does not satisfy the predetermined criterion, the oxidizing agent adding means is controlled to control the mixed gas. Control means for increasing the ratio of addition of the oxidizing agent.
水素と一酸化炭素とを含む混合ガスと酸化剤とを、一酸化炭素除去触媒上で反応させて、前記一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去触媒を内装する一酸化炭素除去器と、
前記一酸化炭素除去触媒と接触可能に、前記混合ガスに対して前記酸化剤を添加する酸化剤添加手段と、
前記一酸化炭素除去器の運転時間に対応づけて予め取得した前記一酸化炭素除去触媒の性能情報に基づいて前記酸化剤添加手段を制御し、前記混合ガスに対する前記酸化剤の添加比率を増加させる制御手段とを備える一酸化炭素除去システム。
A mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide and an oxidizing agent are reacted on a carbon monoxide removing catalyst, and a carbon monoxide removing device equipped with a carbon monoxide removing catalyst for removing the carbon monoxide,
Oxidizing agent adding means for adding the oxidizing agent to the mixed gas so as to be able to contact the carbon monoxide removing catalyst,
The oxidizing agent adding unit is controlled based on performance information of the carbon monoxide removing catalyst obtained in advance in association with the operation time of the carbon monoxide removing device, and an adding ratio of the oxidizing agent to the mixed gas is increased. A carbon monoxide removal system comprising a control unit.
前記混合ガスが、炭化水素類やアルコール類を改質して得られる改質ガスである請求項4又は5に記載の一酸化炭素除去システム。The carbon monoxide removal system according to claim 4 or 5, wherein the mixed gas is a reformed gas obtained by reforming a hydrocarbon or an alcohol. 請求項4〜6の何れか1項に記載された一酸化炭素除去システムを固体高分子型燃料電池の上流に備え、前記一酸化炭素除去器の出口ガス又はこれに由来するガスをアノードガスとして前記固体高分子型燃料電池に供給する燃料電池システム。The carbon monoxide removal system according to any one of claims 4 to 6 is provided upstream of a polymer electrolyte fuel cell, and an outlet gas of the carbon monoxide remover or a gas derived therefrom is used as an anode gas. A fuel cell system for supplying the polymer electrolyte fuel cell. 前記性能情報が前記固体高分子燃料電池の出力情報である請求項7に記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 7, wherein the performance information is output information of the polymer electrolyte fuel cell. 前記検出手段が、前記固体高分子型燃料電池の出力電圧を前記出力情報として検出し、
前記制御手段が、検出された前記出力電圧が所定の基準値を下回った場合に、前記酸化剤添加手段を制御して、前記混合ガスに対する前記酸化剤の添加比率を増加させる請求項8に記載の燃料電池システム。
The detecting means detects an output voltage of the polymer electrolyte fuel cell as the output information,
9. The control method according to claim 8, wherein the control means controls the oxidizing agent adding means to increase the oxidizing agent adding ratio to the mixed gas when the detected output voltage falls below a predetermined reference value. Fuel cell system.
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