JP2004010376A - CO removal device and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
【課題】冷却システムをコンパクト化したCO除去装置および燃料電池システムを提供する。
【解決手段】CO除去装置3を、水素リッチガス中のCOを水素に優先した酸化させる選択触媒層を充填した触媒層14、および内部をプレート型ヒートパイプ18aにより構成した触媒層14を支持する構造体と、水素リッチガスの流通路となるフィン13とを積層することにより構成する。さらに、積層方向に円柱型ヒートパイプ18bを貫通させ、貫通させた円柱型ヒートパイプ18bの一部をCO除去装置3に隣接する加熱器24内に配置する。
【選択図】 図15An object of the present invention is to provide a CO removing device and a fuel cell system in which a cooling system is made compact.
A structure is provided in which a CO removing device (3) supports a catalyst layer (14) filled with a selective catalyst layer for oxidizing CO in a hydrogen-rich gas with priority to hydrogen and a catalyst layer (14) having a plate-type heat pipe (18a) inside. It is configured by stacking a body and fins 13 that serve as a flow path for hydrogen-rich gas. Further, the cylindrical heat pipe 18b is penetrated in the laminating direction, and a part of the penetrated cylindrical heat pipe 18b is disposed in the heater 24 adjacent to the CO removing device 3.
[Selection diagram] FIG.
Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、一酸化炭素除去装置を備えた燃料電池システム、特に一酸化炭素除去装置の温度調整を行うための構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、一酸化炭素除去装置(以下、CO除去装置)として、特開2000−203801号公報に開示されたような、触媒を用いてCOを選択的に酸化させる方法が知られている。
【0003】
このCO除去装置は熱交換が可能な触媒装置であり、熱交換の機能をもつフィン部分に触媒を担持させることにより触媒部を構成する。この触媒部において、発熱を伴う選択酸化反応を生じることにより、改質ガス中のCOを低減する。このとき、効率のよい酸化反応を生じるためには、触媒部を活性温度に維持する必要がある。そこで、プレートを介して触媒部に隣接する冷媒流路を構成し、改質ガスの流れに直行して冷媒を流通させることにより触媒装置の温度を調整している。
【0004】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、特開2000−203801号公報においては、CO除去装置内部の冷媒流路の設置および、CO除去装置外部の冷媒配管の設置が複雑であり、冷却構成を含め、全体の構成サイズが大きくなるという問題があった。また、触媒部全体を活性温度に維持するのは難しく、触媒部の面積を大きくする必要があるという問題があった。これに対して、自動車等の移動体の動力源として燃料電池システムを採用する際には、搭載できる容積に限界があり、燃料電池システムのコンパクト化が望まれている。
【0005】
そこで、本発明は、冷却システムの構成を簡略化することにより構成サイズを抑えたCO除去装置およびそれを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【0006】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、CO除去装置を、水素リッチガス中のCOを水素に優先して酸化させる選択触媒層を充填した触媒層と、内部をヒートパイプにより構成した前記触媒層を支持する構造体とから構成する。
【0007】
気相と液相とからなる作動流体を収容したヒートパイプは、前記触媒層の一部の温度が所定の温度より上昇した場合には、前記作動流体の蒸発熱により前記所定の温度より上昇した部分の温度を低下させ、前記触媒層の一部の温度が所定の温度より低下した場合には、前記作動流体の凝縮熱より前記所定の温度より低下した部分の温度を上昇させる。
【0008】
また、燃料電池システムとしては、水または酸素含有ガスの少なくとも一方と炭化水素燃料とを用いた改質反応によりCOを含有する水素リッチガスを生成する改質器と、水素リッチガス中のCOを触媒層における選択酸化反応により酸化させるCO除去装置と、前記CO除去装置によりCO濃度が低減された水素リッチガス中の水素を用いて発電を行うスタックと、前記改質器に供給する水または炭化水素燃料の少なくとも一方を加熱する加熱器と、を備える。このとき前記CO除去装置には、前記触媒層の温度調整を行うためのヒートパイプを備え、前記CO除去装置と前記加熱器とを前記ヒートパイプにより熱的に連通させる。
【0009】
【作用及び効果】
触媒層の温度調整を行うためにヒートパイプを用いることで、触媒層の温度を均一化することができるので、CO除去装置をコンパクト化することができる。また、熱媒体の供給・流通・回収の管理が不要となるので、CO除去装置外の媒体流路を簡略化し、構成サイズを抑制することができる。
【0010】
このとき、触媒層の一部が所定温度より上昇した場合には作動流体の蒸発熱により触媒層を冷却し、所定温度より低くなった場合には作動流体の凝縮熱により触媒層を加熱する。これにより、触媒層の温度を均一化することができ、システムの構成サイズを抑制することができる。
【0011】
また燃料電池システムとして、改質器とCO除去装置、スタックと、改質器に供給する水または炭化水素燃料の少なくとも一方を加熱する加熱器と、を備える。このとき、CO除去装置には触媒層の温度調整を行うためのヒートパイプを備え、CO除去装置と加熱器とをヒートパイプにより熱的に連通させる。これにより、複雑な冷媒流路を用いずにCO除去装置で生じた熱を加熱器で利用することができ、燃料電池システムの構成をコンパクト化することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
第1の実施形態における燃料電池システムに用いる改質システムの構成を図1に示す。
【0013】
改質システムを、水・空気・炭化水素燃料からなる燃料ガスから改質ガスを生成する改質器1、改質ガス中のCOを低減するシフト反応器2、改質ガス中のCOをさらに低減するCO除去装置3、改質ガス中の水素を用いて発電を行うスタック4より構成する。
【0014】
発電運転を行う際には、まず、改質器1において、ガソリン等の炭化水素燃料を改質して改質ガスを生成する。このとき、水素の生成に伴ってCOが発生し、例えばガソリンを用いた場合には1.5%程度のCOが発生する。COはスタック4における発電を著しく妨げるため、CO濃度を低減してから改質ガスをスタック4に供給する必要がある。ここでは、発電を妨げない10ppm程度までCO濃度を低減する。
【0015】
そこで、改質器1の下流にシフト反応器2およびCO除去装置3を配置する。シフト反応器2では、シフト反応(CO+H2O→CO2+H2)によりCOを低減する。低CO濃度となった改質ガスをCO除去装置3に供給して発熱を伴う酸化反応(CO+1/2O2→CO2)を生じることにより、さらにCO濃度を低減する。
【0016】
このようにCOを低減させた改質ガスをスタック4の燃料極に供給し、また酸化剤としての空気を空気極に供給する。これにより、スタック4の電極間で酸素と水素の電気化学反応を生じて起電力を生じる。
【0017】
このような燃料電池システムに用いるCO除去装置3の構成を図2に示す。本実施形態では、プレート型ヒートパイプ12と、波形をしたフィン13とを交互に積み重ねることにより構成した積層体25によりCO除去装置3を構成する。
【0018】
CO除去装置3において酸化反応を生じるためには、CO除去装置3に充填した触媒の温度がある一定の範囲内の触媒活性温度である必要がある。従って、COの選択酸化反応を継続的に生じさせるためには、反応に伴って発生する熱を媒体(冷媒)を用いて他の場所や部位に輸送し、分散、回収、または廃棄する必要がある。
【0019】
しかしながら、従来のCO除去装置3における冷媒と熱交換をして酸化熱を輸送する方法では、冷媒を供給・回収するための配管や駆動装置を設置する必要があり、また、反応器内部に冷媒を流通させる必要があった。このために、燃料電池システムのサイズが大きくなるのに対して、自動車等の移動体に搭載する場合には、システムのサイズが制限されるためにコンパクト化が望まれるという問題が生じる。
【0020】
また、CO除去装置3内の触媒で、改質ガスの通路方向および通路断面内で発熱が不均一になる可能性がある。これは、触媒の分布が不均一であったり、改質ガス中に含まれるCOの量が酸化反応に伴って下流側ほど減少するためである。これにより、冷媒による熱交換によって触媒活性温度をCO除去装置3内部の改質ガス通路全域で得ようとしても、その一部では触媒活性温度よりも低くなってしまう。その結果、COを生成する逆シフト反応(H2+CO2→CO+H2O)が発生するという問題が生じる。
【0021】
そこで本実施形態では、熱輸送媒体としてヒートパイプ12を用いる。ここでは、ヒートパイプ12の外側表面に触媒層14をコートした触媒担持体としてヒートパイプ12を用いる。このように構成することにより、ヒートパイプ12の外側面の温度が均一になる作用を利用して、触媒層14の温度分布を抑制する。
【0022】
ここで、ヒートパイプ12の外側面上に設置した触媒層14で温度が均一になる原理を、ヒートパイプ12の断面を示した図3を用いて説明する。
【0023】
ここでは、ヒートパイプ12をプレート型ヒートパイプとし、外側から触媒層14、プレート型パイプ部15、ウィック16、蒸発部17より構成する。プレート型パイプ部15の外側表面に触媒をコートすることにより触媒層14を構成する。プレート型パイプ部15の内側面には液体状の作動流体の流通部となるウィック16を構成する。ウィック16のさらに内側には、気体状の作動流体の流通部となる蒸発部17を空間により構成する。
【0024】
触媒層14の一部で局部的に発熱反応が生じて温度が上昇した場合、例えば図3(a)においては受熱部位21の温度が上昇した場合、発生した熱はプレート型パイプ部15の内側面へ熱伝導により伝わる。プレート型パイプ部15の内側面では、伝わった熱によりウィック16に含まれる液相の作動流体を蒸発させる。このように液相から気相に相変換すると、外側面から伝わった熱が蒸発潜熱に費やされるため、受熱部位21を冷却することができる。
【0025】
一方、発熱反応がなくてプレート型パイプ部15の外側表面の温度が局部的に低い場合、図3においては放熱部位22の温度が低下している場合、その内側では蒸気部17に含まれる気相の作動流体が冷却・凝縮される。これに伴って、作動流体から凝縮熱が放出され、プレート型パイプ部15の内側面の温度を上昇させる。この熱がプレート型パイプ部15の外側面まで伝達されることにより、放熱部位22の外側表面に配置した触媒層14の温度を上昇する。
【0026】
また、冷却により液体になった作動流体は、毛細管現象によりプレート型パイプ部15の内側壁面に形成したウィック16を通じて、蒸発により液相が減少した箇所へ移動する。例えば、図3においては、放熱部位22で凝縮した作動流体がウィック16を通じて受熱部位21へ移動する。移動した作動流体は、再び熱を受けて蒸発することにより、受熱部位21を冷却する。ただし、この受熱部位21、放熱部位22の位置はヒートパイプ12により異なり、また、供給される改質ガスの流量や濃度によっても異なる。例えば、図3(b)、(c)や、さらに細かく受熱部位21と放熱部位22が分布する場合もあるが、この場合も同様にヒートパイプ12の外側表面の温度を均一にすることができ、触媒層14の温度を均一にすることができる。
【0027】
このようにして、ヒートパイプ12ではプレート型パイプ部15の外側表面温度を、外部からのエネルギ供給を受けずに、常に一定に保つように作動する。なお、ヒートパイプ12に封入した作動流体はその内側の圧力や流体の種類により、沸点(飽和温度)を変更できるので、予めヒートパイプ12を作動させたい温度に設定することが可能である。
【0028】
次に、プレート型ヒートパイプ12に用いるウィック16の形状について説明する。ウィック16の斜視図を図4に、平面図を図5に示す。
【0029】
ここでは、多孔質体により形成した二枚の平板16a、16bの表面に縦横均等に溝16cを構成したものを用いる。このような平板16a、16bを溝16cが対向するように重ね合わせることで、溝16cにより構成される空間を蒸発部17とし、多孔質体の平板16a、16bをウィック16とすることができる。このように構成すると、接触する平板16a、16b間で毛細管現象により液相の作動流体の流通が可能となる。これによりウィック16内での液相の作動流体が平板16a、16b間で移動可能となるので、さらに効果的にプレート型ヒートパイプ12の外側面の温度を均一に維持することができる。
【0030】
次に、本実施形態の効果を説明する。
【0031】
触媒層14を支持する構造体の内部をヒートパイプ12により構成する。ヒートパイプ12には外表面の温度を均一にする作用があるので、触媒層14の温度の均一化を複雑な構成を有することなく実現することができる。つまり、ヒートパイプ12により触媒層14の温度が均一化されるので、触媒層14全体を活性温度に維持することができる。これにより、COの酸化効率を向上することができ、CO除去装置3をコンパクト化しても改質ガス中のCOを除去することができる。また、作動流体の供給・流通・回収をする必要がなく、システムを簡略化することができ、構成サイズを抑制することができる。
【0032】
ヒートパイプ12では、触媒層14の一部の温度が所定の温度より上昇した場合には、作動流体の蒸発熱により触媒層14の温度を低下させる。また、触媒層14の一部の温度が所定の温度より低下した場合には、作動流体の凝縮熱により触媒層14の温度を上昇させる。これにより、触媒層14の温度を均一化することができるので、COの酸化反応の効率を向上することができ、ひいてはCO除去装置3をコンパクト化することができる。また、ヒートパイプ12では、パイプ内部を作動流体が移動することにより、高温部から低温部へ熱を供給することができるので、冷却システムを簡略化することができる。
【0033】
このヒートパイプ12をプレート型ヒートパイプにより構成することで、均一な触媒活性温度の分布を平面面内で得られる。これにより、効率のよい酸化反応を面全体で得られ、CO除去装置3をコンパクト化しても十分にCO除去を行うことができる。
【0034】
さらにプレート型ヒートパイプ12と、改質ガスの流通路を構成するフィン13とを交互に積層することにより積層体25を構成する。これにより、触媒層14を形成する面積を大きくすることができるので、CO除去装置3のコンパクト化を実現できる。
【0035】
次に、第2の実施形態におけるCO除去装置3の構成を図6〜図9に示す。本実施形態に用いる改質システムの構成を、第1の実施形態に用いた改質システムの構成と同様とする。
【0036】
ここで用いるCO除去装置3を、第1の実施形態におけるCO除去装置3のプレート型ヒートパイプ12(本実施形態ではプレート型ヒートパイプ18a)の中央部に積層方向にヒートパイプ18bを貫通することにより構成する。ここでは、中央に貫通させるヒートパイプ18bを円柱形状である円柱型ヒートパイプにより構成する。
【0037】
本実施形態では、図6に示すように、中央に円形状の穴18cを設けたプレート型ヒートパイプ18aを所定間隔を空けて積層する。円柱型ヒートパイプ18bを、プレート型ヒートパイプ18aに設けた穴18cに埋め込む。これにより、積層されたプレート型ヒートパイプ18a間を円柱型ヒートパイプ18bにより連通させる(図7)。
【0038】
このように組み立てたヒートパイプ18を図8に示すように固定する。ここでは各プレート型ヒートパイプ18aと円柱型ヒートパイプ18bとの接触部をロウ付け等により接合する。さらに、図9に示すように、所定間隔を空けて積層したプレート型ヒートパイプ18a間にフィン13を配置する。ここで、第1実施形態と同様にフィン13は平板を波状に折り曲げたものを用いる。
【0039】
また、図10に示すように、プレート型ヒートパイプ18aと円柱型ヒートパイプ18bとを接合させる時に、内部、ここでは蒸発部17およびウィック16で連通するように構成することもできる。
【0040】
次に、本実施形態の効果を説明する。第1の実施形態における効果に加えて以下のような効果が生じる。
【0041】
積層体25を構成するプレート型ヒートパイプ18aを互いに熱的に連通させることで、プレート型ヒートパイプ18a間の熱の受け渡しを可能にすることができる。これにより、触媒層14の積層面方向のみならず積層方向の温度を均一化することができ、CO除去装置3に充填した触媒全体の温度を均一化することができる。その結果、触媒を活性温度に維持するのが容易になり、効率よく酸化反応を生じることができるので、CO除去装置3をさらにコンパクト化することができる。
【0042】
このとき、ヒートパイプ18bにより積層体25を積層方向に貫通することで、積層体25を構成するプレート型ヒートパイプを熱的に連通させることができる。これにより上記に記載の効果を得ることができる。
【0043】
また、ヒートパイプ18a、18bを接合する際に、内部を連通させることにより、ヒートパイプ18a、18b間で作動流体の移動が可能となる。これにより熱の移動がスムーズになるので、さらに触媒層14において温度勾配が生じたときにすばやく均一化することができる。
【0044】
次に、第3の実施形態におけるCO除去装置3の構成を図11に示す。本実施形態に用いる改質システムの構成を、第1の実施形態に用いた改質システムの構成と同様とする。
【0045】
ここでは、第1の実施形態におけるCO除去装置3のプレート型ヒートパイプ12(本実施形態ではプレート型ヒートパイプ19a)に、積層方向に二本のヒートパイプ19b、19cを貫通させる。ここでは、ヒートパイプ19b、19cとして円柱型ヒートパイプを用い、第2の実施形態と同様にロウ付け等でプレート型ヒートパイプ19aに固定する。
【0046】
次に、本実施形態の効果を説明する。ここでは、第2の実施形態と異なる点のみを説明する。
【0047】
ヒートパイプ19b、19cを積層体25の積層方向に貫通させることで、積層体25を構成するプレート型ヒートパイプ19aを熱的に連通させることができる。このヒートパイプ19b、19cを複数本、ここでは二本とすることで、一本の場合より積層方向の熱の移動をスムーズに行うことができる。特に触媒層14の積層面が大きなCO除去装置3の場合、作動流体の移動に時間がかかるので、ヒートパイプ19bを複数本とすることで効率的に触媒層14の温度を均一化することができる。
【0048】
次に、第4の実施形態におけるCO除去装置3の構成を図12に示す。本実施形態に用いる改質システムの構成を、第1の実施形態に用いた改質システムの構成と同様とする。
【0049】
ここではCO除去装置3を、プレート型ヒートパイプ20aとフィン13を積層したものに対して、積層方向に貫通するプレート型ヒートパイプ20bを配置することにより構成する。つまり図12に示すように、プレート型ヒートパイプ20a、20bにより四角形に区切られたフィン13がCO除去装置3の断面内で縦横に並ぶように構成する。ここでは、プレート型ヒートパイプ20a、20bに囲まれた一区分のフィン13を3層により構成し、横に四区分、縦に三区分構成する。
【0050】
ここでも、第2、3の実施形態と同様にロウ付け等で縦方向のプレート型ヒートパイプ20bと横方向のプレート型ヒートパイプ20aとを接合する。
【0051】
次に本実施形態特有の効果を説明する。
【0052】
縦方向に並列させたプレート型ヒートパイプ20bと横方向に並列させたプレート型ヒートパイプ20aを組み合わせて格子状の空間を構成し、その空間にフィン13を配置することによりCO除去装置3を構成する。これにより、縦方向、横方向および水素リッチガスの流通方向に関して熱の移動がさらにスムーズになり、触媒層14全体の温度が均一化される。
【0053】
第5の実施形態におけるCO除去装置3の構成を図13に示す。本実施形態に用いる改質システムの構成を、第1の実施形態に用いた改質システムの構成と同様とする。
【0054】
ここではCO除去装置3として、第1の実施形態で用いたプレート型ヒートパイプ12とフィン13との積層体25の周囲を、ベルト型のヒートパイプ23により囲ったものを用いる。ここで、ベルト型ヒートパイプ23は積層体25の積層方向に沿って延びるものとし、このように周囲を囲むことにより積層体25の耐久性を向上することができる。ここでは、積層体25の積層面を長方形より構成し、積層面上で長辺に並行になるようにベルト型ヒートパイプ23を配置する。本実施形態では二本のベルト型ヒートパイプ23を用いる。
【0055】
第1の実施形態における効果に加えて、本実施形態では以下のような効果が得られる。
【0056】
積層体25の周囲をヒートパイプ23により囲うことにより、積層体25を構成するプレート型ヒートパイプ12を熱的に連通させることができる。これにより、第2の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、熱的に連通させるヒートパイプ23をベルト型とし、積層体25の周囲に巻き付けることで、積層構造の耐久性を向上することができる。
【0057】
第6の実施形態に用いる改質システムの構成を、図14に示す。
【0058】
本実施形態では、CO除去装置3に隣接して加熱器24を配置する。ここでは、加熱器24を、水蒸発器、燃料蒸発器、水および燃料蒸発器、燃料予熱器等のいずれか一つ、または複数の反応器の性能を兼ね備えた反応器により構成する。加熱器は平板を所定間隔を空けて複数枚重ねることにより構成し、平板間に熱を供給する対象、例えば水や炭化水素燃料等を流通する。これにより蒸発した、または予熱された水または燃料は改質器1における改質反応に用いることで燃料効率を向上することができる。ここでは、加熱器24の熱源としてCO除去装置3で生じた熱を利用する。
【0059】
次に本実施形態で用いるCO除去装置3の構成を図15に示す。
【0060】
CO除去装置3として、第3の実施形態に用いたCO除去装置を採用する。但し、CO除去装置3に隣接して加熱器24を配置し、積層体25を貫通する円柱型ヒートパイプ19bを、積層体25とともに加熱器24を貫通するように構成する。また、加熱器24は、加熱される流体の流通路を構成する複数の平板を積層する(積層体26)ことにより構成する。ここでは、CO除去装置3の積層方向と加熱器24の積層方向を同じとし、ヒートパイプ19bはこの二つの反応器の積層体25、26を貫通するように設置する。これにより、CO除去装置3の温度が上昇したとき、CO除去装置3内の積層体25部分を受熱部位21、加熱器24の積層体26部分を放熱部位22として、CO除去装置3で発生した熱を円柱型ヒートパイプ19bを介して加熱器24に供給することができる。
【0061】
次に、本実施形態の効果を説明する。
【0062】
CO除去装置3と加熱器24とをヒートパイプ19bにより熱的に連通させることにより、CO除去装置3で生じた熱を加熱源として利用することができる。
【0063】
ここでは、CO除去装置3に隣接して加熱器24を備え、ヒートパイプ19bの一部を加熱器24内に配置することで、複雑な熱媒体配管を用いずに、CO除去装置3で生じた熱を利用することができる。
【0064】
特に、加熱器24を改質反応の燃料、ここでは水と炭化水素燃料の少なくとも一方の予熱器または蒸発器とすることで、改質反応を行うのに必要な燃料ガスを生成するエネルギとしてCO除去装置3で発生した熱を利用することができ、燃料効率を向上することができる。
【0065】
第7の実施形態に用いるCO除去装置3の構成を図16に示す。ここで、本実施形態における改質システムは第6の実施形態に用いた改質システムの構成と同様とする。
【0066】
本実施形態では、CO除去装置3の積層方向両端に加熱器24a、24bを配置した。このとき、CO除去装置3に備えた円柱型ヒートパイプ19bの両端を、加熱器24a、24bを貫通するように構成することで、CO除去装置3で生じた熱を加熱器24a、24bで利用可能とした。その他の構成は第6実施形態と同様とする。ここで、加熱器24a、24bは改質器1に供給する水を蒸発する水蒸発器、改質器1に供給する炭化水素燃料を蒸発する燃料蒸発器、水または炭化水素燃料を予熱する予熱器のいずれか一つとすることができる。ここでは、水蒸発器および炭化水素燃料の予熱器とする。
【0067】
このように加熱器24a、24bをCO除去装置3の両端に配置することで、CO除去装置3で生じた熱を効果的に利用することができる。特に加熱器24、a、24bを水蒸発器、炭化水素燃料の予熱器とすることで、改質反応に利用する前の燃料を蒸発または加熱する熱源としてCO除去装置3で生じた熱を利用することができる。
【0068】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態における燃料電池システムの構成図である。
【図2】第1の実施形態に用いるCO除去装置の構成図である。
【図3】第1の実施形態に用いるヒートパイプの構成図である。
【図4】第1の実施形態に用いるウィックの斜視図である。
【図5】第1の実施形態に用いるウィックの平面図である。
【図6】第2の実施形態に用いるヒートパイプの組み立て方法の説明図である。
【図7】第2の実施形態に用いるヒートパイプの構成図である。
【図8】第2の実施形態に用いるヒートパイプの断面図である。
【図9】第2の実施形態に用いる積層体の断面図である。
【図10】第2の実施形態に用いるヒートパイプの断面の例を示す図である。
【図11】第3の実施形態におけるヒートパイプの構成図である。
【図12】第4の実施形態におけるCO除去装置の断面図である。
【図13】第5の実施形態におけるCO除去装置の構成図である。
【図14】第6の実施形態における燃料電池システムの構成図である。
【図15】第6の実施形態におけるCO除去装置および加熱器の概略図である。
【図16】第7の実施形態におけるCO除去装置および加熱器の概略図である。
【符号の説明】
1 改質器
3 CO除去装置
4 スタック
12 プレート型ヒートパイプ(ヒートパイプ)
13 フィン
14 触媒層
18a プレート型ヒートパイプ
18b 円柱型ヒートパイプ(熱的に連通させるヒートパイプ)
19a プレート型ヒートパイプ
19b 円柱型ヒートパイプ(熱的に連通させるヒートパイプ)
23 ベルト型ヒートパイプ(熱的に連通させるヒートパイプ)
24 加熱器(予熱器、蒸発器)
25 積層体[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a fuel cell system having a carbon monoxide removing device, and more particularly to a structure for adjusting the temperature of the carbon monoxide removing device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a carbon monoxide removing device (hereinafter, referred to as a CO removing device), a method of selectively oxidizing CO using a catalyst as disclosed in JP-A-2000-203801 is known.
[0003]
This CO removal device is a catalyst device capable of heat exchange, and forms a catalyst portion by supporting a catalyst on a fin portion having a heat exchange function. In the catalyst section, a selective oxidation reaction accompanied by heat generation occurs, thereby reducing CO in the reformed gas. At this time, in order to generate an efficient oxidation reaction, it is necessary to maintain the catalyst section at the activation temperature. Therefore, a coolant flow path adjacent to the catalyst section is formed via the plate, and the temperature of the catalyst device is adjusted by flowing the coolant in a direction perpendicular to the flow of the reformed gas.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-203801, installation of the refrigerant flow path inside the CO removal device and installation of the refrigerant pipe outside the CO removal device are complicated, and the entire configuration size including the cooling configuration becomes large. There was a problem. Further, it is difficult to maintain the entire catalyst section at the activation temperature, and there is a problem that the area of the catalyst section needs to be increased. On the other hand, when a fuel cell system is used as a power source of a moving body such as an automobile, the volume that can be mounted is limited, and a reduction in the size of the fuel cell system is desired.
[0005]
Therefore, an object of the present invention is to provide a CO removal device in which the configuration size is suppressed by simplifying the configuration of a cooling system, and a fuel cell system using the same.
[0006]
[Means for solving the problem]
The present invention provides a CO removing device including a catalyst layer filled with a selective catalyst layer that oxidizes CO in a hydrogen-rich gas in preference to hydrogen and a structure supporting the catalyst layer, the inside of which is formed by a heat pipe. I do.
[0007]
A heat pipe containing a working fluid composed of a gaseous phase and a liquid phase, when a part of the temperature of the catalyst layer rises above a predetermined temperature, the heat pipe rises above the predetermined temperature due to heat of evaporation of the working fluid. The temperature of the portion is reduced, and when the temperature of a portion of the catalyst layer is lower than a predetermined temperature, the temperature of the portion lower than the predetermined temperature from the heat of condensation of the working fluid is increased.
[0008]
Further, as a fuel cell system, a reformer that generates a hydrogen-rich gas containing CO by a reforming reaction using at least one of water or an oxygen-containing gas and a hydrocarbon fuel, and a catalyst layer that converts CO in the hydrogen-rich gas into a catalyst layer A CO removal device that oxidizes by the selective oxidation reaction in the above, a stack that performs power generation using hydrogen in a hydrogen-rich gas having a reduced CO concentration by the CO removal device, and a water or hydrocarbon fuel supplied to the reformer. And a heater for heating at least one. At this time, the CO removal device is provided with a heat pipe for adjusting the temperature of the catalyst layer, and the CO removal device and the heater are thermally connected by the heat pipe.
[0009]
[Action and effect]
By using a heat pipe to adjust the temperature of the catalyst layer, the temperature of the catalyst layer can be made uniform, so that the CO removing device can be made compact. Further, since it is not necessary to manage the supply, distribution, and recovery of the heat medium, the medium flow path outside the CO removing device can be simplified, and the configuration size can be suppressed.
[0010]
At this time, when a part of the catalyst layer rises above a predetermined temperature, the catalyst layer is cooled by the heat of evaporation of the working fluid, and when the temperature falls below the predetermined temperature, the catalyst layer is heated by the heat of condensation of the working fluid. Thereby, the temperature of the catalyst layer can be made uniform, and the configuration size of the system can be suppressed.
[0011]
The fuel cell system further includes a reformer, a CO removal device, a stack, and a heater for heating at least one of water and hydrocarbon fuel supplied to the reformer. At this time, the CO removing device is provided with a heat pipe for adjusting the temperature of the catalyst layer, and the CO removing device and the heater are thermally connected by the heat pipe. Thus, the heat generated in the CO removing device can be used in the heater without using a complicated refrigerant flow path, and the configuration of the fuel cell system can be made compact.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows the configuration of a reforming system used in the fuel cell system according to the first embodiment.
[0013]
The reforming system includes a reformer 1 that generates a reformed gas from a fuel gas composed of water, air, and a hydrocarbon fuel, a
[0014]
When performing the power generation operation, first, the reformer 1 reforms a hydrocarbon fuel such as gasoline to generate a reformed gas. At this time, CO is generated with the generation of hydrogen. For example, when gasoline is used, about 1.5% of CO is generated. Since CO significantly hinders power generation in the stack 4, it is necessary to supply the reformed gas to the stack 4 after reducing the CO concentration. Here, the CO concentration is reduced to about 10 ppm which does not hinder power generation.
[0015]
Therefore, the
[0016]
The reformed gas with the reduced CO is supplied to the fuel electrode of the stack 4 and the air as the oxidant is supplied to the air electrode. This causes an electrochemical reaction between oxygen and hydrogen between the electrodes of the stack 4 to generate an electromotive force.
[0017]
FIG. 2 shows the configuration of the
[0018]
In order to cause an oxidation reaction in the
[0019]
However, in the conventional method of transporting oxidizing heat by exchanging heat with the refrigerant in the
[0020]
Further, the heat generated by the catalyst in the
[0021]
Therefore, in this embodiment, the
[0022]
Here, the principle that the temperature becomes uniform in the
[0023]
Here, the
[0024]
If the temperature rises due to a local exothermic reaction in a part of the
[0025]
On the other hand, when there is no exothermic reaction and the temperature of the outer surface of the plate-
[0026]
Further, the working fluid that has become liquid by cooling moves through the
[0027]
In this way, the
[0028]
Next, the shape of the
[0029]
Here, two
[0030]
Next, effects of the present embodiment will be described.
[0031]
The inside of the structure supporting the
[0032]
In the
[0033]
By forming the
[0034]
Further, a laminate 25 is formed by alternately stacking the plate-
[0035]
Next, the configuration of the
[0036]
The
[0037]
In the present embodiment, as shown in FIG. 6, plate-
[0038]
The
[0039]
Further, as shown in FIG. 10, when the plate-
[0040]
Next, effects of the present embodiment will be described. The following effects are produced in addition to the effects of the first embodiment.
[0041]
The heat transfer between the plate-
[0042]
At this time, by penetrating the laminate 25 in the laminating direction by the
[0043]
Further, when the
[0044]
Next, the configuration of a
[0045]
Here, two
[0046]
Next, effects of the present embodiment will be described. Here, only differences from the second embodiment will be described.
[0047]
By penetrating the
[0048]
Next, the configuration of a
[0049]
Here, the
[0050]
Here, similarly to the second and third embodiments, the vertical plate-
[0051]
Next, effects unique to the present embodiment will be described.
[0052]
A lattice-shaped space is formed by combining the plate-
[0053]
FIG. 13 shows the configuration of a
[0054]
Here, as the
[0055]
In addition to the effects of the first embodiment, the present embodiment has the following effects.
[0056]
By surrounding the laminate 25 with the
[0057]
FIG. 14 shows the configuration of the reforming system used in the sixth embodiment.
[0058]
In the present embodiment, a
[0059]
Next, the configuration of the
[0060]
As the
[0061]
Next, effects of the present embodiment will be described.
[0062]
By thermally connecting the
[0063]
Here, a
[0064]
In particular, by using the
[0065]
FIG. 16 shows a configuration of a
[0066]
In the present embodiment, heaters 24a and 24b are arranged at both ends in the stacking direction of the
[0067]
By arranging the heaters 24a and 24b at both ends of the
[0068]
It is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various changes can be made within the scope of the technical idea described in the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a configuration diagram of a CO removal device used in the first embodiment.
FIG. 3 is a configuration diagram of a heat pipe used in the first embodiment.
FIG. 4 is a perspective view of a wick used in the first embodiment.
FIG. 5 is a plan view of a wick used in the first embodiment.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a method of assembling a heat pipe used in a second embodiment.
FIG. 7 is a configuration diagram of a heat pipe used in a second embodiment.
FIG. 8 is a sectional view of a heat pipe used in the second embodiment.
FIG. 9 is a sectional view of a laminated body used in the second embodiment.
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a cross section of a heat pipe used in the second embodiment.
FIG. 11 is a configuration diagram of a heat pipe according to a third embodiment.
FIG. 12 is a sectional view of a CO removal device according to a fourth embodiment.
FIG. 13 is a configuration diagram of a CO removal device according to a fifth embodiment.
FIG. 14 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a sixth embodiment.
FIG. 15 is a schematic diagram of a CO removal device and a heater according to a sixth embodiment.
FIG. 16 is a schematic diagram of a CO removal device and a heater according to a seventh embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Reformer
3 CO removal equipment
4 stack
12 Plate type heat pipe (heat pipe)
13 Fins
14 Catalyst layer
18a Plate type heat pipe
18b Cylindrical heat pipe (heat pipe for thermal communication)
19a Plate type heat pipe
19b Cylindrical heat pipe (heat pipe for thermal communication)
23 Belt-type heat pipes (heat pipes that communicate thermally)
24 heater (preheater, evaporator)
25 laminate
Claims (10)
前記触媒層を支持する構造体の内部をヒートパイプにより構成する一酸化炭素除去装置。In a carbon monoxide removal device equipped with a catalyst layer filled with a selective oxidation catalyst that preferentially oxidizes carbon monoxide in hydrogen-rich gas over hydrogen,
An apparatus for removing carbon monoxide, wherein the inside of a structure supporting the catalyst layer is constituted by a heat pipe.
気相と液相とからなる作動流体を収容したヒートパイプを備え、
前記触媒層の一部の温度が所定の温度より上昇した場合には、前記作動流体の蒸発熱により前記所定の温度より上昇した部分の温度を低下させ、
前記触媒層の一部の温度が所定の温度より低下した場合には、前記作動流体の凝縮熱により前記所定の温度より低下した部分の温度を上昇させることを特徴とする一酸化炭素除去装置。In a carbon monoxide removal device equipped with a catalyst layer filled with a selective oxidation catalyst that preferentially oxidizes carbon monoxide in hydrogen-rich gas over hydrogen,
A heat pipe containing a working fluid consisting of a gas phase and a liquid phase is provided,
When the temperature of a part of the catalyst layer is higher than a predetermined temperature, the temperature of the part which is higher than the predetermined temperature is reduced by heat of evaporation of the working fluid,
When the temperature of a part of the catalyst layer is lower than a predetermined temperature, the temperature of the part lower than the predetermined temperature is increased by the heat of condensation of the working fluid.
水素リッチガス中の一酸化炭素を触媒層における選択酸化反応により酸化させる一酸化炭素除去装置と、
前記一酸化炭素除去装置により一酸化炭素濃度が低減された水素リッチガス中の水素を用いて発電を行うスタックと、
前記改質器に供給する水または炭化水素燃料の少なくとも一方を加熱する加熱器と、を備え、
前記CO除去装置には、前記触媒層の温度調整を行うためのヒートパイプを備え、
前記一酸化炭素除去装置と前記加熱器とを前記ヒートパイプにより熱的に連通させることを特徴とする燃料電池システム。A reformer that generates a hydrogen-rich gas containing carbon monoxide by a reforming reaction using at least one of water or an oxygen-containing gas and a hydrocarbon fuel,
A carbon monoxide removing device that oxidizes carbon monoxide in a hydrogen-rich gas by a selective oxidation reaction in a catalyst layer,
A stack that performs power generation using hydrogen in a hydrogen-rich gas having a reduced carbon monoxide concentration by the carbon monoxide removal device,
A heater for heating at least one of water or hydrocarbon fuel supplied to the reformer,
The CO removal device includes a heat pipe for adjusting the temperature of the catalyst layer,
A fuel cell system, wherein the carbon monoxide removing device and the heater are thermally connected by the heat pipe.
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| JP2004010376A true JP2004010376A (en) | 2004-01-15 |
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|---|---|
| JP (1) | JP2004010376A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7520637B2 (en) | 2004-10-29 | 2009-04-21 | Lg Display Co., Ltd. | Backlight unit and liquid crystal display device |
| JP2014520739A (en) * | 2011-07-05 | 2014-08-25 | リンデ アクチエンゲゼルシャフト | Syngas production method |
| KR101729531B1 (en) * | 2014-10-28 | 2017-04-24 | 세종공업 주식회사 | Self Cooling type PrOx and Portable Fuel Cell Generator thereby |
| CN115832355A (en) * | 2022-11-16 | 2023-03-21 | 南京航空航天大学 | Heat pipe-fin composite heat exchange structure for cold start and stop of high-power fuel cell |
-
2002
- 2002-06-04 JP JP2002162789A patent/JP2004010376A/en active Pending
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