一酸化炭素除去装置及び水素製造装置
【課題】一酸化炭素が十分に除去された高純度な水素を製造することが可能な一酸化炭素除去装置及びこれを備えた水素製造装置を提供する。
【解決手段】水素リッチな改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置２２であって、改質ガスに含まれる一酸化炭素を水性シフト反応により低減するシフト部２３と、シフト部２３からの改質ガスと空気とを混合するチャンバ５２と、チャンバ５２からの混合ガスを混合ガス流路２６と接することで冷却する冷却部としての改質用水流路２７と、この冷却部で冷却された混合ガス中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化部２５と、を備える。
【解決手段】水素リッチな改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置２２であって、改質ガスに含まれる一酸化炭素を水性シフト反応により低減するシフト部２３と、シフト部２３からの改質ガスと空気とを混合するチャンバ５２と、チャンバ５２からの混合ガスを混合ガス流路２６と接することで冷却する冷却部としての改質用水流路２７と、この冷却部で冷却された混合ガス中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化部２５と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば灯油等の水素製造用原料から製造された水素リッチな改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置及びこれを備える水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池による発電に使用するための水素を製造する水素製造装置として、例えば特許文献１に開示されてものがある。この装置では、メタノール等の水素製造用原料を改質触媒層で改質して水素リッチな改質ガスを生成し、燃料電池の電極触媒に被毒をもたらす改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を除去すべく、改質ガスをＣＯ変成触媒層に通して水性シフト反応によりＣＯを低減し、更に、ＣＯ変成触媒層からの改質ガスをＣＯ選択酸化触媒層に通して選択酸化によりＣＯをより一層低減している。
【０００３】
このＣＯ選択酸化触媒層による選択酸化では、ＣＯを酸化させるための酸素源が必要となるため、酸化除去部に空気を導入することが行われる。
【特許文献１】特開２００４−３１２８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、改質ガスと空気とが十分に混ざっていなかったり、選択酸化触媒を最大限に活性化する温度範囲にガス温度が温度調整されていなかったりすると、ＣＯ選択酸化触媒層におけるＣＯの除去効率が低下するおそれがある。
【０００５】
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、一酸化炭素が十分に除去された高純度な水素を製造することが可能な一酸化炭素除去装置及びこれを備えた水素製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る一酸化炭素除去装置は、水素リッチな改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置であって、改質ガスに含まれる一酸化炭素を水性シフト反応により低減するシフト部と、シフト部からの改質ガスと酸素含有ガスとを混合するチャンバと、チャンバからの混合ガスを冷却する冷却部と、冷却部で冷却された混合ガス中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化部と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
この一酸化炭素除去装置では、シフト部からの改質ガスと酸素含有ガスとを混合する混合チャンバを設けることにより、シフト部からの改質ガスと酸素含有ガスとを十分に混合させることが可能であるという特徴を有する。また、その後段に混合ガスと改質用水の熱交換器を設けることにより、混合ガスを冷却して選択酸化部での選択酸化に好適な温度に調整すると共に、改質用水に熱を供給することで改質効率を向上させることができる、という特徴を有する。以上により、改質部で効率的に水素を製造し、また、選択酸化部での選択酸化を効率的に行うことができるため、一酸化炭素が十分に除去された高純度な水素を効率的に製造することが可能となる。
【０００８】
一酸化炭素除去装置は、略柱状の第１領域と、第１領域の外周側に位置し第１領域と同軸の環状領域である第２領域と、第２領域の外周側に位置し第１領域と同軸の環状領域である第３領域と、第３領域の外周側に位置し第１領域と同軸の環状領域である第４領域と、を備え、第１領域に、チャンバとシフト部からの改質ガスを該チャンバに導入するための中央ガス流路とを有し、第２領域に、シフト部を有し、第３領域に、チャンバからの混合ガスが通る混合ガス流路と選択酸化部とを有し、第４領域に冷却部を有する、ことを特徴としてもよい。このように同軸環状に各部を配置することで、コンパクトな構成で一酸化炭素の効率的な除去を行うことができる。
【０００９】
第３領域にある環状の混合ガス流路には、チャンバからの混合ガスが導入される導入口が周方向の一部分に偏って設けられており、第３領域にある環状の選択酸化部には、選択酸化された改質ガスが導出される導出口が周方向の一部分に偏って設けられており、第１領域を中心とした周方向の位置関係において、導入口と導出口とは、第１領域を挟んで反対側に設けられていることを特徴としてもよい。ここで、導入口と導出口とが第１領域に関して同じ側にある場合は、導入口から選択酸化部に導入された混合ガスの大部分が選択酸化部の一部分に偏って通され、しかも導入口と導出口とを結ぶ最短距離で十分な選択酸化を施されることなく導出されるおそれがあるものの、このように導入口と導出口とを第１領域を挟んで反対側に設けることで、選択酸化部の特定部分に偏ることなく、且つその中をより長く通すことができるため、改質ガス中の一酸化炭素を十分に低減することが可能となる。
【００１０】
第３領域にある環状の混合ガス流路内には、導入口から導入された混合ガスを周方向に分散させるための分散体が設けられていることを特徴としてもよい。このようにすれば、混合ガスを周方向に分散して一部に偏ることなく選択酸化部に通すことができるため、改質ガス中の一酸化炭素を十分に低減することが可能となる。
【００１１】
選択酸化部と混合ガス流路とは、穴が複数空いた環状板により区画されていることを特徴としてもよい。このようにすれば、環状板において混合ガスの流量が制限されることで、混合ガスを周方向により一層分散させることができる。
【００１２】
酸素含有ガスは、中央ガス流路を通してチャンバに導入されることを特徴としてもよい。このようにすれば、酸素含有ガスがシフト部を介して予熱されるため、改質ガスと酸素含有ガスとをチャンバにおいて混合させ易くなる。
第４領域にある環状の冷却部には改質用水が流され、その導入口が周方向の一部分に偏って設けられており、冷却部内には、改質用水を周方向に分散させるための分散体が設けられていることを特徴としてもよい。このようにすれば、改質用水を周方向に分散して一部に偏ることなく冷却部に通すことができるため、選択酸化部の周方向の温度を均一にすることができ、改質ガス中の一酸化炭素を十分に低減することが可能となる。
【００１３】
本発明に係る水素製造装置は、水素製造用原料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質装置と、上記した一酸化炭素除去装置と、を備えることを特徴とする。この水素製造装置では、上記した一酸化炭素除去装置を備えるため、水素製造用原料から一酸化炭素が十分に除去された高純度な水素を製造することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、一酸化炭素が十分に除去された高純度な水素を製造することが可能な一酸化炭素除去装置及びこれを備えた水素製造装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１６】
図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの概略を示す図である。この燃料電池システム１は、水素製造装置２において水素製造用原料から水素リッチな改質ガスを生成し、この改質ガスを用いて燃料電池３で発電を行う。
【００１７】
この燃料電池システム１で用いる水素製造用原料としては、水蒸気改質により水素を含む改質ガスを得られる物質であれば使用できる。例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。工業用あるいは民生用に安価に入手できる原料として、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、メタン、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）を挙げることができ、また石油から得られるガソリン、ナフサ、灯油、軽油など炭化水素油を挙げることができる。これらの中でも、液体原料が好ましく、特に灯油は入手容易でありその取扱が容易であるため好ましい。
【００１８】
燃料電池システム１は、図１に示すように、水素製造装置（以下、「ＦＰＳ」という）、２及び燃料電池３を備えている。燃料電池３としては、固体高分子形（以下、「ＰＥＦＣ」という）、リン酸形、アルカリ形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形など種々の形式のものが挙げられるが、本実施形態では、特に一酸化炭素（ＣＯ）による被毒が問題となるＰＥＦＣを前提に説明する。
【００１９】
ＦＰＳ２は、改質装置２１と、一酸化炭素除去装置２２とを備えている。改質装置２１は、改質用水を用いて水素製造用原料としての灯油を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを生成する。一酸化炭素除去装置２２は、改質ガスからＰＥＦＣ３において被毒となるＣＯを除去する。この一酸化炭素除去装置２２は、シフト部２３、チャンバ２４、及び選択酸化部２５を有している。
【００２０】
シフト部２３は、シフト触媒を用いて水性シフト反応により改質ガス中のＣＯを除去する。選択酸化部２５は、選択酸化触媒を用いて選択酸化により改質ガス中のＣＯを除去する。チャンバ２４は、選択酸化のための酸素供給源としての空気（酸素含有ガス）と改質ガスとを混合する。なお、チャンバ２４と選択酸化部２５との間には、チャンバ２４で混合された混合ガスが流れる混合ガス流路２６が設けられており、これと改質用水が流れる冷却部としての改質用水流路２７とが接して熱交換することにより、混合ガスを冷却する。
【００２１】
燃料電池３は、このようにしてＦＰＳ２で製造された水素リッチな改質ガスを利用し、酸素との電気化学反応によって発電を行う。
【００２２】
図２は、図１の燃料電池システム１が備えるＦＰＳ２の具体的な構成を示す縦断面図である。図２に示すように、ＦＰＳ２の改質装置２１は、熱源としてのバーナを備える燃焼筒３１と、燃焼筒３１を囲むように配置され、水素製造用原料を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質部３２と、改質部３２と燃焼筒３１との間に設けられた排ガス流路３３と、改質部３２に導入される改質用水が通る上部水路３４とを有している。
【００２３】
改質部３２は、図２及び図３に示すように、燃焼筒３１の外側で、燃焼筒３１と同軸に配置された筒状の内胴部３５と、内胴部３５の外側で、内胴部３５に同軸に配置された外胴部３６と、を備えている。燃焼筒３１と内胴部３５との間に、燃焼筒３１からの排ガスが通過する排ガス流路３３が形成されている。
【００２４】
外胴部３６の下部には、図２に示すように、上部よりも径が小さくなっている縮径部３６ａが形成されている。内胴部３５と外胴部３６との間には、原料ガスと水蒸気との水蒸気改質反応を促進して改質ガスを生成する改質触媒が収容されており、縮径部３６ａの下端には、改質触媒を支持する環状の多孔板３２ａが設けられている。これにより、多孔板３２ａを通って改質ガスが流出する。縮径部３６ａ、多孔板３２ａ及び縮径部３６ａに対面する内筒部３５の下部によって改質ガスの流出部が形成されている。
【００２５】
縮径部３６ａの外側には、図２及び図４に示すように、環状の仕切壁３７が配置されている。仕切壁３７は、流出部の下方に配置された円形のガイド板３８に固定されており、ガイド板３８は内胴部３５の下端に固定されている。この仕切り壁３７は、断熱構造を有している。例えば、他の筒体よりも肉厚に形成されていてもよく、ＷＤＳ（商品名：独Wacker chemie GmbH社製）やグラスウール等の公知の断熱材を利用してもよい。あるいは、内部に空気等の気体が封入された、もしくは内部が真空とされた二重壁構造を利用してもよい。仕切壁３７の外側には、外胴部３６の上部と同径の筒状の外壁部３９が配置され、外壁部３９は、外胴部３６の上部下端に固定されている。これらガイド板３８及び仕切壁３７によって改質ガスが流れる改質ガス流路４２が形成される。すなわち、流出部から流出した改質ガスは、ガイド板３８に衝突して流れ方向が変わり、仕切壁３７に案内されながら縮径部３６ａの外周面に沿って上昇した後、仕切壁３７の上端を抜けて折り返し、外壁部３９の内周面に沿って下降する。このように、改質ガス流路４２を流れる改質ガスは、縮径部３６ａの上部近傍では改質触媒よりも温度が高くなるため、縮径部３６ａを介して改質触媒と熱交換し、改質触媒の温度低下を防止する。
【００２６】
外胴部３６及び外壁部３９の外側には、外胴部３６及び外壁部３９と同軸に配置された筒状の上部水路壁４０が設けられている。外胴部３６及び外壁部３９と上部水路壁４０との間には、水蒸気改質のための改質用水が流動する上部水路３４が形成される。この改質用水は、改質ガス流路４２を通る改質ガスと外壁部３９を介して熱交換して加熱されながら、水蒸気として上部水路３４を上昇し、改質部３２の導入部に供給される。なお、改質部３２の流出部から流出して改質ガス流路４２を流れる改質ガスは、外壁部３９を介して改質用水との間で熱交換されて冷却される。
【００２７】
一酸化炭素（ＣＯ）除去装置２２は、改質装置２１で生成された改質ガス中の一酸化炭素を除去する。ＣＯ除去装置２２は、改質装置２１の下方に隣接して配置されており、縦型のＦＰＳ２が構成されている。このように、熱供給が必要な改質装置２１を上部に配置する一方、冷却が必要なＣＯ除去装置２２を下部に配置したので、改質装置２１の周りをＣＯ除去装置が同軸に取り囲む構成とする場合と比べて熱効率を上げることができると共に、スリムな構成とすることができる。
【００２８】
ＣＯ除去装置２２は、略円柱状の第１領域Ｓ１と、第１領域Ｓ１の外周側に位置し、第１領域Ｓ１と同軸の環状領域である第２領域Ｓ２と、第２領域Ｓ２の外周側に位置し、第１領域Ｓ１と同軸の環状領域である第３領域Ｓ３と、第３領域Ｓ３の外周側に位置し、第１領域Ｓ１と同軸の環状領域である第４領域Ｓ４を備えている。
【００２９】
第２領域Ｓ２には、改質ガス中の一酸化炭素を水と二酸化炭素とに転化する水性シフト反応によって一酸化炭素を低減するシフト部２３が設けられている。シフト部２３は、高温シフト部２３ａと低温シフト部２３ｂとを有しており、それぞれ異なる温度領域で活性化するシフト触媒が設けられている。改質装置２１からの改質ガスは、７００°Ｃ程度の非常に高い温度であり、高温シフト部２３ａには、高温での水性シフト反応の促進に有利なシフト触媒が収容されている。シフト触媒としては、例えばＦｅ−Ｃｒの混合酸化物が挙げられる。低温シフト部２３ｂには、高温シフト部２３ａのシフト触媒よりも低い温度での水性シフト反応の促進に有利なシフト触媒が収容されている。シフト触媒としては、例えばＺｎ−Ｃｕの混合酸化物が挙げられる。このシフト部２３による水性シフト反応により、改質ガス中に含まれるＣＯ濃度は１％程度にまで軽減される。なお、シフト部２３の入口には、改質装置２１からの改質ガスを入口全体に亘って分散させる分散板４９が設けられている。この分散板４９は、例えば複数の穴が空けられたパンチングメタルであり、ガス流量を制限することで、改質ガスを周方向に分散する。
【００３０】
第１領域Ｓ１には、シフト部２３からの改質ガスが流れる中央ガス流路５１と、中央ガス流路５１からの改質ガスと酸素含有ガスとしての空気とを混合するチャンバ５２とが設けられている。なお、中央ガス流路５１には細径の空気導入パイプ５３が設けられており、ＦＰＳ２外部から空気導入パイプ５３を通してチャンバ５２に空気が導入されるようになっている。
【００３１】
第３領域Ｓ３には、チャンバ５２からの混合ガスが流れる混合ガス流路２６と、混合ガス流路２６で冷却された混合ガス中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化部２５とが設けられている。なお、チャンバ５２と混合ガス流路２６とは、図２及び図５に示すように、高温シフト部２３ａを貫く連絡流路５４により連絡されている。このようにして、混合ガス流路２６への混合ガスの導入口５５が周方向の一部分に偏って集約化されている。混合ガス流路２６には、図６に示すように、混合ガス流路２６を画成する内周壁外面に分散体５６が設けられている。分散体５６は、導入口５５から混合ガス流路２６へ導入された混合ガスを周方向に分散させるものであり、導入口５５直下の角度位置を中心とした２７０度程度の角度範囲に亘って、流路幅の半分程度を塞ぐように配置されている。
【００３２】
混合ガス流路２６と選択酸化部２５とは、図２及び図７に示すように、穴が複数空いた環状板５７により区画されている。選択酸化部２５では、ＣＯ濃度は１０ppm以下にまで低減される。選択酸化部２５の下部には、図２に示すように、高純度の水素ガスを含む改質ガスが流出する改質ガス流出部５８が設けられている。この改質ガス流出部５８への導出口５９から、改質ガスが導出される。このようにして、改質ガス流出部５８への改質ガスの導出口５９が周方向の一部分に偏って集約化されている。ここで、図２及び図８に示すように、第１領域Ｓ１を中心とした周方向の位置関係において、混合ガス流路２６への導入口５５と、改質ガス流出部５８への導出口５９とは、第１領域Ｓ１を挟んで反対側に設けられている。反対側とは、少なくとも、導入口５５が設けられた角度位置を中心として左右に９０度づつ進んだ１８０度の角度領域とは異なる他方の１８０度の角度領域をいう。特に本実施形態では、導入口５５が設けられた角度位置を中心として左右に１８０度づつ進んだ正反対の角度位置に導出口５９が設けられている。
【００３３】
第４領域Ｓ４には、チャンバ５２からの混合ガスを冷却する冷却部が設けられている。この冷却部は、第３領域と第４領域とを区画する内側筒体６０とこれを囲む外側筒体６１との間の改質用水流路２７として構成されている。この冷却部としての改質用水流路２７を改質用水が流れることで、混合ガス流路２６の部位で改質用水と混合ガスとが熱交換し、混合ガスが冷却される。なお、改質用水流路２７は混合ガス流路２６の下方に設けられた選択酸化部２５の下部まで延びており、選択酸化部２５をも冷却する。
ここで、改質用水の導入口は、図２及び図９に示すように、周方向の一部の角度位置に偏って設けられているが、この導入口が設けられた部分の直上には、内側筒体６０の外周面上に導入口の角度位置を中心とした１２０度程度の角度範囲に亘って、流路幅の半分程度を塞ぐように分散体６３が配置されている。
【００３４】
ここで、改質装置２１とＣＯ除去装置２２との連結部分について説明する。この改質装置２１の下端は、中央に小径の穴が空いた円形の内波板２１ａと、同じく中央に大径の穴が空いた外波板２１ｂとにより塞がれている。一方、ＣＯ除去装置２２の上端は、中央に小径の穴が空いた円形の内波板２２ａと、同じく中央に大径の穴が空いた外波板２２ｂとにより塞がれている。そして、環状連絡流路４１が両外波板２１ｂ，２２ｂの穴に挿通されている。改質装置２１側の内波板２１ａは、内周部が環状連絡流路４１に接続されて封止されており、外周部が外壁部３９に接続されて封止されている。また改質装置２１側の外波板２１ｂは、内周部が環状連絡流路４１と離間され、外周部が上部水路壁４０と接続され封止されている。一方、ＣＯ除去装置２２側の内波板２２ａは、内周部が環状連絡流路４１に接続されて封止されており、外周部が第３領域Ｓ３と第４領域Ｓ４とを区画する内側筒体６０に接続されて封止されている。またＣＯ除去装置２２側の外波板２２ｂは、内周部が環状連絡流路２２ｂと離間され、外周部が外側筒体６１と接続され封止されている。
【００３５】
次に、上記したＦＰＳ２の作用について説明する。
【００３６】
まず、改質用水がＣＯ除去装置２２の改質用水流路２７を通って選択酸化部２５を冷却すると共に、更に混合ガス流路２６との間で混合ガスを冷却しながら上昇する。改質用水の導入口は、周方向の一部分に偏って設けられているが、この導入口が設けられた部分の直上には、内側筒体６０の外周面上に導入口の角度位置を中心とした１２０度程度の角度範囲に亘って、流路幅の半分程度を塞ぐように分散体６３が配置されている。従って、改質用水を周方向に分散して一部に偏ることなく改質用水流路２７に通すことができるため、選択酸化部２５の周方向の温度を均一にすることができ、改質ガス中の一酸化炭素を十分に低減することが可能となる。ＣＯ除去装置２２の上部に至った改質用水は、ＣＯ除去装置２２側の内波板２２ａと外波板２２ｂとの間を通り、環状連絡流路４１の側面を伝って、改質装置２１側の内波板２１ａと外波板２１ｂとの間を通り、上部水路３４を通って改質部３２に導入される。また、改質部３２には、水素製造用原料としての灯油が導入される。
【００３７】
改質部３２では、燃焼筒３１からの熱を受けながら灯油を水蒸気改質して、水素リッチな改質ガスを生成する。改質ガスは、流出部の多孔板３２ａを通して改質ガス流路４２に送り出される。流出部から流出した改質ガスは、ガイド板３８に衝突して流れ方向が変わり、仕切壁３７に案内されながら縮径部３６ａの外周面に沿って上昇した後、仕切壁３７の上端を抜けて折り返し、外壁部３９の内周面に沿って下降する。これにより、内側の改質ガス流路４２を流れる改質ガスは、縮径部３６ａの上部近傍では改質触媒よりも温度が高くなるため、縮径部３６ａを介して改質触媒と熱交換し、改質触媒の温度低下を防止する。一方で、外側の改質ガス流路４２を通る改質ガスは、改質用水と外壁部３９を介して熱交換して冷却される。
【００３８】
改質装置２１で生成された改質ガスは、環状連絡流路４１を通ってＣＯ除去装置２２に導入される。導入された改質ガスは、分散板４９により流量が制限されることで、周方向に分散される。そして、まず高温シフト部２３ａ及び低温シフト部２３ｂに順次導入されて水性シフト反応によりＣＯが除去される。次に、シフト部２３下端に達した改質ガスは、下端の円盤状空間を通って、内側の中央ガス流路５１を上昇する。中央ガス流路５１の上部にはチャンバ５２が設けられており、ここで空気導入パイプ５３から導入された空気と改質ガスとが混合される。チャンバ５２で混合された混合ガスは、連絡流路５４を通って導入口５５から混合ガス流路２６に導入される。ここで混合ガスは改質用水との熱交換により冷却される。また、導入口５５から混合ガス流路２６へ導入された混合ガスは、分散体５６により周方向に分散される。更に、混合ガス流路２６と選択酸化部２５とを区画する環状板５７により流量が制限されることで、混合ガスが周方向により一層分散される。このように、周方向に分散された混合ガスが、環状板５７の穴を通して選択酸化部２５に導入される。選択酸化部２５では、選択酸化により改質ガス中のＣＯが十分に除去された上で、導出口５９から改質ガス流出部５８へ導出される。このように、改質ガス流出部５８へ導出された改質ガスが燃料電池に送られて、発電が行われる。
【００３９】
以上詳述したように、本実施形態に係る一酸化炭素除去装置２２によれば、シフト部２３からの改質ガスと空気とを冷却前にチャンバ５２において十分に混合することができ、また、その後で改質用水流路２７と混合ガス流路２６とが接する冷却部において混合ガスを冷却して選択酸化部２５での選択酸化に好適な温度に調整することができるため、選択酸化部２５での選択酸化を効率的に行うことができる。これにより、一酸化炭素が十分に除去された高純度な水素を製造することが可能となる。
【００４０】
また、同軸環状に一酸化炭素除去装置２２の各部を配置することで、コンパクトな構成で一酸化炭素の効率的な除去を行うことができる。
【００４１】
また、混合ガス流路２６への混合ガスの導入口５５が周方向の一部分に集約されているため、滞留時間を稼ぐことで、チャンバ５２での改質ガスと空気との混合を促進することができる。また、選択酸化部２５からの改質ガスの導出口５９が周方向の一部分に集約されているため、滞留時間を稼ぐことで、選択酸化部２５での選択酸化を促進することができる。また、混合ガス流路２６への混合ガスの導入口５５と選択酸化された改質ガスの導出口５９とが第１領域Ｓ１に関して同じ側にある場合は、導入口５５から混合ガス流路２６に導入された混合ガスの大部分が選択酸化部２５の一部分に偏って通され、しかも導入口５５と導出口５９とを結ぶ最短距離で十分な選択酸化を施されることなく導出されるおそれがあるものの、図５及び図８に示すように、本実施形態のように導入口５５と導出口５９とを第１領域Ｓ１を挟んで反対側に設けることで、混合ガスが選択酸化部２５の特定部分に偏ることなく、且つ選択酸化部２５中の触媒により長く通すことができるため、改質ガス中の一酸化炭素を十分に低減することが可能となる。
【００４２】
また、混合ガス流路２６内には、導入口５５から導入された混合ガスを周方向に分散させるための分散体５６が設けられているため、混合ガスを周方向に分散して一部に偏ることなく選択酸化部２５に通すことができ、改質ガス中の一酸化炭素を十分に低減することが可能となる。
【００４３】
また、選択酸化部２５と混合ガス流路２６とは、穴が複数空いた環状板５７により区画されているため、環状板５７において混合ガスの流量が制限されることで、混合ガスを周方向により一層分散させることができる。
【００４４】
また、空気導入パイプ５３を介し中央ガス流路５１を通して空気がチャンバ５２に導入されることで、空気がシフト部２３を介して予熱されるため、改質ガスと空気とをチャンバ５２において混合させ易くなる。
また、選択酸化部２５の外周には改質用水流路２７を兼ねた冷却部が設けられており、改質用水の導入口は、周方向の一部分に偏って設けられているが、この導入口が設けられた部分の直上には、導入口の角度位置を中心とした１２０度程度の角度範囲に亘って、流路幅の半分程度を塞ぐように分散体６３が配置されている。従って、改質用水を周方向に分散して一部に偏ることなく改質用水流路２７に通すことができるため、選択酸化部２５の周方向の温度を均一にすることができ、改質ガス中の一酸化炭素を十分に低減することが可能となる。
【００４５】
また、本実施形態に係るＦＰＳ２は、改質装置２１で生成した改質ガス中のＣＯを上記した一酸化炭素除去装置２２で除去できるため、水素製造用原料から一酸化炭素が十分に除去された高純度な水素を製造することが可能となる。
【００４６】
また本実施形態にかかる改質装置２１は、改質部３２と上部水路３４との間に設けられた仕切り壁３７を備えているため、改質部３２から導出された改質ガスを縮径部３６ａの部分における改質部３２の外周面に沿って案内することで、吸熱反応が行われる改質部３２との熱交換により改質ガスの熱を回収することができると共に、上部水路３４の内周面に沿って案内することで、上部水路３４を流れる改質用水との熱交換により改質ガスの熱を回収することができ、熱効率を上げることができる。また、燃焼筒３１、排ガス流路３３、改質部３２、及び上部水路３４を順次外側から取り囲む構成とし、改質部３２と上部水路３４との間に仕切り壁３７を設けるというシンプルな構成であるため、コンパクトな構成とすることができる。
【００４７】
また、仕切り壁３７は断熱構造を有するため、改質ガス流路４２の改質部３２側と上部水路３４側との双方でバランスよく熱回収を進めることができ、より温度の低い上部水路３４側でより多くの熱が回収されてしまうことを防ぐことができる。
【００４８】
また本実施形態に係るＦＰＳ２は、分散板４９によりシフト部２３の入口全体に亘って改質ガスを分散させることができるため、シフト部２３の一部に改質ガスが偏るのを防止し、全体を使って効率的にシフト反応させて、改質ガス中の一酸化炭素を除去することができる。
【００４９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば、上記した実施形態では、チャンバ５２と混合ガス流路２６との連絡流路５４を一つのみ設けたが、連絡流路５４は複数あってもよい。ただし、この場合は、導入口５５を周方向の一部分に偏って配置するのが好ましい。改質ガス流出部５８への導出口５９も同様である。
【００５０】
また、上記した実施形態では、改質部３２を下部で縮径し、仕切り壁３７をその縮径させた部分の高さ範囲にのみ設けているが、改質部３２を全て均一径とし、仕切り壁３７を改質部３２の上端手前まで延ばして、改質ガス流路４２の長さを稼いでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの概略を示す図である。
【図２】図１の燃料電池システムが備える水素製造装置の具体的な構成を示す縦断面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】図２のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】図２のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】図２のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【図８】図２のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。
【図９】図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…燃料電池システム、２…水素製造装置（ＦＰＳ）、３…燃料電池、２１…改質装置、２２…一酸化炭素除去装置、２３…シフト部、２５…選択酸化部、２６…混合ガス流路、２７…改質用水流路（冷却部）、３１…燃焼筒、３２…改質部、３３…排ガス流路、３４…上部水路、３７…仕切り壁、４２…改質ガス流路、４９…分散板、５１…中央ガス流路、５２…チャンバ、５３…空気導入パイプ、５５…導入口、５６…分散体、５７…環状板、５９…導出口、６３…分散体、Ｓ１…第１領域、Ｓ２…第２領域、Ｓ３…第３領域、Ｓ４…第４領域。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば灯油等の水素製造用原料から製造された水素リッチな改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置及びこれを備える水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池による発電に使用するための水素を製造する水素製造装置として、例えば特許文献１に開示されてものがある。この装置では、メタノール等の水素製造用原料を改質触媒層で改質して水素リッチな改質ガスを生成し、燃料電池の電極触媒に被毒をもたらす改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を除去すべく、改質ガスをＣＯ変成触媒層に通して水性シフト反応によりＣＯを低減し、更に、ＣＯ変成触媒層からの改質ガスをＣＯ選択酸化触媒層に通して選択酸化によりＣＯをより一層低減している。
【０００３】
このＣＯ選択酸化触媒層による選択酸化では、ＣＯを酸化させるための酸素源が必要となるため、酸化除去部に空気を導入することが行われる。
【特許文献１】特開２００４−３１２８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、改質ガスと空気とが十分に混ざっていなかったり、選択酸化触媒を最大限に活性化する温度範囲にガス温度が温度調整されていなかったりすると、ＣＯ選択酸化触媒層におけるＣＯの除去効率が低下するおそれがある。
【０００５】
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、一酸化炭素が十分に除去された高純度な水素を製造することが可能な一酸化炭素除去装置及びこれを備えた水素製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る一酸化炭素除去装置は、水素リッチな改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置であって、改質ガスに含まれる一酸化炭素を水性シフト反応により低減するシフト部と、シフト部からの改質ガスと酸素含有ガスとを混合するチャンバと、チャンバからの混合ガスを冷却する冷却部と、冷却部で冷却された混合ガス中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化部と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
この一酸化炭素除去装置では、シフト部からの改質ガスと酸素含有ガスとを混合する混合チャンバを設けることにより、シフト部からの改質ガスと酸素含有ガスとを十分に混合させることが可能であるという特徴を有する。また、その後段に混合ガスと改質用水の熱交換器を設けることにより、混合ガスを冷却して選択酸化部での選択酸化に好適な温度に調整すると共に、改質用水に熱を供給することで改質効率を向上させることができる、という特徴を有する。以上により、改質部で効率的に水素を製造し、また、選択酸化部での選択酸化を効率的に行うことができるため、一酸化炭素が十分に除去された高純度な水素を効率的に製造することが可能となる。
【０００８】
一酸化炭素除去装置は、略柱状の第１領域と、第１領域の外周側に位置し第１領域と同軸の環状領域である第２領域と、第２領域の外周側に位置し第１領域と同軸の環状領域である第３領域と、第３領域の外周側に位置し第１領域と同軸の環状領域である第４領域と、を備え、第１領域に、チャンバとシフト部からの改質ガスを該チャンバに導入するための中央ガス流路とを有し、第２領域に、シフト部を有し、第３領域に、チャンバからの混合ガスが通る混合ガス流路と選択酸化部とを有し、第４領域に冷却部を有する、ことを特徴としてもよい。このように同軸環状に各部を配置することで、コンパクトな構成で一酸化炭素の効率的な除去を行うことができる。
【０００９】
第３領域にある環状の混合ガス流路には、チャンバからの混合ガスが導入される導入口が周方向の一部分に偏って設けられており、第３領域にある環状の選択酸化部には、選択酸化された改質ガスが導出される導出口が周方向の一部分に偏って設けられており、第１領域を中心とした周方向の位置関係において、導入口と導出口とは、第１領域を挟んで反対側に設けられていることを特徴としてもよい。ここで、導入口と導出口とが第１領域に関して同じ側にある場合は、導入口から選択酸化部に導入された混合ガスの大部分が選択酸化部の一部分に偏って通され、しかも導入口と導出口とを結ぶ最短距離で十分な選択酸化を施されることなく導出されるおそれがあるものの、このように導入口と導出口とを第１領域を挟んで反対側に設けることで、選択酸化部の特定部分に偏ることなく、且つその中をより長く通すことができるため、改質ガス中の一酸化炭素を十分に低減することが可能となる。
【００１０】
第３領域にある環状の混合ガス流路内には、導入口から導入された混合ガスを周方向に分散させるための分散体が設けられていることを特徴としてもよい。このようにすれば、混合ガスを周方向に分散して一部に偏ることなく選択酸化部に通すことができるため、改質ガス中の一酸化炭素を十分に低減することが可能となる。
【００１１】
選択酸化部と混合ガス流路とは、穴が複数空いた環状板により区画されていることを特徴としてもよい。このようにすれば、環状板において混合ガスの流量が制限されることで、混合ガスを周方向により一層分散させることができる。
【００１２】
酸素含有ガスは、中央ガス流路を通してチャンバに導入されることを特徴としてもよい。このようにすれば、酸素含有ガスがシフト部を介して予熱されるため、改質ガスと酸素含有ガスとをチャンバにおいて混合させ易くなる。
第４領域にある環状の冷却部には改質用水が流され、その導入口が周方向の一部分に偏って設けられており、冷却部内には、改質用水を周方向に分散させるための分散体が設けられていることを特徴としてもよい。このようにすれば、改質用水を周方向に分散して一部に偏ることなく冷却部に通すことができるため、選択酸化部の周方向の温度を均一にすることができ、改質ガス中の一酸化炭素を十分に低減することが可能となる。
【００１３】
本発明に係る水素製造装置は、水素製造用原料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質装置と、上記した一酸化炭素除去装置と、を備えることを特徴とする。この水素製造装置では、上記した一酸化炭素除去装置を備えるため、水素製造用原料から一酸化炭素が十分に除去された高純度な水素を製造することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、一酸化炭素が十分に除去された高純度な水素を製造することが可能な一酸化炭素除去装置及びこれを備えた水素製造装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１６】
図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの概略を示す図である。この燃料電池システム１は、水素製造装置２において水素製造用原料から水素リッチな改質ガスを生成し、この改質ガスを用いて燃料電池３で発電を行う。
【００１７】
この燃料電池システム１で用いる水素製造用原料としては、水蒸気改質により水素を含む改質ガスを得られる物質であれば使用できる。例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。工業用あるいは民生用に安価に入手できる原料として、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、メタン、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）を挙げることができ、また石油から得られるガソリン、ナフサ、灯油、軽油など炭化水素油を挙げることができる。これらの中でも、液体原料が好ましく、特に灯油は入手容易でありその取扱が容易であるため好ましい。
【００１８】
燃料電池システム１は、図１に示すように、水素製造装置（以下、「ＦＰＳ」という）、２及び燃料電池３を備えている。燃料電池３としては、固体高分子形（以下、「ＰＥＦＣ」という）、リン酸形、アルカリ形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形など種々の形式のものが挙げられるが、本実施形態では、特に一酸化炭素（ＣＯ）による被毒が問題となるＰＥＦＣを前提に説明する。
【００１９】
ＦＰＳ２は、改質装置２１と、一酸化炭素除去装置２２とを備えている。改質装置２１は、改質用水を用いて水素製造用原料としての灯油を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを生成する。一酸化炭素除去装置２２は、改質ガスからＰＥＦＣ３において被毒となるＣＯを除去する。この一酸化炭素除去装置２２は、シフト部２３、チャンバ２４、及び選択酸化部２５を有している。
【００２０】
シフト部２３は、シフト触媒を用いて水性シフト反応により改質ガス中のＣＯを除去する。選択酸化部２５は、選択酸化触媒を用いて選択酸化により改質ガス中のＣＯを除去する。チャンバ２４は、選択酸化のための酸素供給源としての空気（酸素含有ガス）と改質ガスとを混合する。なお、チャンバ２４と選択酸化部２５との間には、チャンバ２４で混合された混合ガスが流れる混合ガス流路２６が設けられており、これと改質用水が流れる冷却部としての改質用水流路２７とが接して熱交換することにより、混合ガスを冷却する。
【００２１】
燃料電池３は、このようにしてＦＰＳ２で製造された水素リッチな改質ガスを利用し、酸素との電気化学反応によって発電を行う。
【００２２】
図２は、図１の燃料電池システム１が備えるＦＰＳ２の具体的な構成を示す縦断面図である。図２に示すように、ＦＰＳ２の改質装置２１は、熱源としてのバーナを備える燃焼筒３１と、燃焼筒３１を囲むように配置され、水素製造用原料を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質部３２と、改質部３２と燃焼筒３１との間に設けられた排ガス流路３３と、改質部３２に導入される改質用水が通る上部水路３４とを有している。
【００２３】
改質部３２は、図２及び図３に示すように、燃焼筒３１の外側で、燃焼筒３１と同軸に配置された筒状の内胴部３５と、内胴部３５の外側で、内胴部３５に同軸に配置された外胴部３６と、を備えている。燃焼筒３１と内胴部３５との間に、燃焼筒３１からの排ガスが通過する排ガス流路３３が形成されている。
【００２４】
外胴部３６の下部には、図２に示すように、上部よりも径が小さくなっている縮径部３６ａが形成されている。内胴部３５と外胴部３６との間には、原料ガスと水蒸気との水蒸気改質反応を促進して改質ガスを生成する改質触媒が収容されており、縮径部３６ａの下端には、改質触媒を支持する環状の多孔板３２ａが設けられている。これにより、多孔板３２ａを通って改質ガスが流出する。縮径部３６ａ、多孔板３２ａ及び縮径部３６ａに対面する内筒部３５の下部によって改質ガスの流出部が形成されている。
【００２５】
縮径部３６ａの外側には、図２及び図４に示すように、環状の仕切壁３７が配置されている。仕切壁３７は、流出部の下方に配置された円形のガイド板３８に固定されており、ガイド板３８は内胴部３５の下端に固定されている。この仕切り壁３７は、断熱構造を有している。例えば、他の筒体よりも肉厚に形成されていてもよく、ＷＤＳ（商品名：独Wacker chemie GmbH社製）やグラスウール等の公知の断熱材を利用してもよい。あるいは、内部に空気等の気体が封入された、もしくは内部が真空とされた二重壁構造を利用してもよい。仕切壁３７の外側には、外胴部３６の上部と同径の筒状の外壁部３９が配置され、外壁部３９は、外胴部３６の上部下端に固定されている。これらガイド板３８及び仕切壁３７によって改質ガスが流れる改質ガス流路４２が形成される。すなわち、流出部から流出した改質ガスは、ガイド板３８に衝突して流れ方向が変わり、仕切壁３７に案内されながら縮径部３６ａの外周面に沿って上昇した後、仕切壁３７の上端を抜けて折り返し、外壁部３９の内周面に沿って下降する。このように、改質ガス流路４２を流れる改質ガスは、縮径部３６ａの上部近傍では改質触媒よりも温度が高くなるため、縮径部３６ａを介して改質触媒と熱交換し、改質触媒の温度低下を防止する。
【００２６】
外胴部３６及び外壁部３９の外側には、外胴部３６及び外壁部３９と同軸に配置された筒状の上部水路壁４０が設けられている。外胴部３６及び外壁部３９と上部水路壁４０との間には、水蒸気改質のための改質用水が流動する上部水路３４が形成される。この改質用水は、改質ガス流路４２を通る改質ガスと外壁部３９を介して熱交換して加熱されながら、水蒸気として上部水路３４を上昇し、改質部３２の導入部に供給される。なお、改質部３２の流出部から流出して改質ガス流路４２を流れる改質ガスは、外壁部３９を介して改質用水との間で熱交換されて冷却される。
【００２７】
一酸化炭素（ＣＯ）除去装置２２は、改質装置２１で生成された改質ガス中の一酸化炭素を除去する。ＣＯ除去装置２２は、改質装置２１の下方に隣接して配置されており、縦型のＦＰＳ２が構成されている。このように、熱供給が必要な改質装置２１を上部に配置する一方、冷却が必要なＣＯ除去装置２２を下部に配置したので、改質装置２１の周りをＣＯ除去装置が同軸に取り囲む構成とする場合と比べて熱効率を上げることができると共に、スリムな構成とすることができる。
【００２８】
ＣＯ除去装置２２は、略円柱状の第１領域Ｓ１と、第１領域Ｓ１の外周側に位置し、第１領域Ｓ１と同軸の環状領域である第２領域Ｓ２と、第２領域Ｓ２の外周側に位置し、第１領域Ｓ１と同軸の環状領域である第３領域Ｓ３と、第３領域Ｓ３の外周側に位置し、第１領域Ｓ１と同軸の環状領域である第４領域Ｓ４を備えている。
【００２９】
第２領域Ｓ２には、改質ガス中の一酸化炭素を水と二酸化炭素とに転化する水性シフト反応によって一酸化炭素を低減するシフト部２３が設けられている。シフト部２３は、高温シフト部２３ａと低温シフト部２３ｂとを有しており、それぞれ異なる温度領域で活性化するシフト触媒が設けられている。改質装置２１からの改質ガスは、７００°Ｃ程度の非常に高い温度であり、高温シフト部２３ａには、高温での水性シフト反応の促進に有利なシフト触媒が収容されている。シフト触媒としては、例えばＦｅ−Ｃｒの混合酸化物が挙げられる。低温シフト部２３ｂには、高温シフト部２３ａのシフト触媒よりも低い温度での水性シフト反応の促進に有利なシフト触媒が収容されている。シフト触媒としては、例えばＺｎ−Ｃｕの混合酸化物が挙げられる。このシフト部２３による水性シフト反応により、改質ガス中に含まれるＣＯ濃度は１％程度にまで軽減される。なお、シフト部２３の入口には、改質装置２１からの改質ガスを入口全体に亘って分散させる分散板４９が設けられている。この分散板４９は、例えば複数の穴が空けられたパンチングメタルであり、ガス流量を制限することで、改質ガスを周方向に分散する。
【００３０】
第１領域Ｓ１には、シフト部２３からの改質ガスが流れる中央ガス流路５１と、中央ガス流路５１からの改質ガスと酸素含有ガスとしての空気とを混合するチャンバ５２とが設けられている。なお、中央ガス流路５１には細径の空気導入パイプ５３が設けられており、ＦＰＳ２外部から空気導入パイプ５３を通してチャンバ５２に空気が導入されるようになっている。
【００３１】
第３領域Ｓ３には、チャンバ５２からの混合ガスが流れる混合ガス流路２６と、混合ガス流路２６で冷却された混合ガス中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化部２５とが設けられている。なお、チャンバ５２と混合ガス流路２６とは、図２及び図５に示すように、高温シフト部２３ａを貫く連絡流路５４により連絡されている。このようにして、混合ガス流路２６への混合ガスの導入口５５が周方向の一部分に偏って集約化されている。混合ガス流路２６には、図６に示すように、混合ガス流路２６を画成する内周壁外面に分散体５６が設けられている。分散体５６は、導入口５５から混合ガス流路２６へ導入された混合ガスを周方向に分散させるものであり、導入口５５直下の角度位置を中心とした２７０度程度の角度範囲に亘って、流路幅の半分程度を塞ぐように配置されている。
【００３２】
混合ガス流路２６と選択酸化部２５とは、図２及び図７に示すように、穴が複数空いた環状板５７により区画されている。選択酸化部２５では、ＣＯ濃度は１０ppm以下にまで低減される。選択酸化部２５の下部には、図２に示すように、高純度の水素ガスを含む改質ガスが流出する改質ガス流出部５８が設けられている。この改質ガス流出部５８への導出口５９から、改質ガスが導出される。このようにして、改質ガス流出部５８への改質ガスの導出口５９が周方向の一部分に偏って集約化されている。ここで、図２及び図８に示すように、第１領域Ｓ１を中心とした周方向の位置関係において、混合ガス流路２６への導入口５５と、改質ガス流出部５８への導出口５９とは、第１領域Ｓ１を挟んで反対側に設けられている。反対側とは、少なくとも、導入口５５が設けられた角度位置を中心として左右に９０度づつ進んだ１８０度の角度領域とは異なる他方の１８０度の角度領域をいう。特に本実施形態では、導入口５５が設けられた角度位置を中心として左右に１８０度づつ進んだ正反対の角度位置に導出口５９が設けられている。
【００３３】
第４領域Ｓ４には、チャンバ５２からの混合ガスを冷却する冷却部が設けられている。この冷却部は、第３領域と第４領域とを区画する内側筒体６０とこれを囲む外側筒体６１との間の改質用水流路２７として構成されている。この冷却部としての改質用水流路２７を改質用水が流れることで、混合ガス流路２６の部位で改質用水と混合ガスとが熱交換し、混合ガスが冷却される。なお、改質用水流路２７は混合ガス流路２６の下方に設けられた選択酸化部２５の下部まで延びており、選択酸化部２５をも冷却する。
ここで、改質用水の導入口は、図２及び図９に示すように、周方向の一部の角度位置に偏って設けられているが、この導入口が設けられた部分の直上には、内側筒体６０の外周面上に導入口の角度位置を中心とした１２０度程度の角度範囲に亘って、流路幅の半分程度を塞ぐように分散体６３が配置されている。
【００３４】
ここで、改質装置２１とＣＯ除去装置２２との連結部分について説明する。この改質装置２１の下端は、中央に小径の穴が空いた円形の内波板２１ａと、同じく中央に大径の穴が空いた外波板２１ｂとにより塞がれている。一方、ＣＯ除去装置２２の上端は、中央に小径の穴が空いた円形の内波板２２ａと、同じく中央に大径の穴が空いた外波板２２ｂとにより塞がれている。そして、環状連絡流路４１が両外波板２１ｂ，２２ｂの穴に挿通されている。改質装置２１側の内波板２１ａは、内周部が環状連絡流路４１に接続されて封止されており、外周部が外壁部３９に接続されて封止されている。また改質装置２１側の外波板２１ｂは、内周部が環状連絡流路４１と離間され、外周部が上部水路壁４０と接続され封止されている。一方、ＣＯ除去装置２２側の内波板２２ａは、内周部が環状連絡流路４１に接続されて封止されており、外周部が第３領域Ｓ３と第４領域Ｓ４とを区画する内側筒体６０に接続されて封止されている。またＣＯ除去装置２２側の外波板２２ｂは、内周部が環状連絡流路２２ｂと離間され、外周部が外側筒体６１と接続され封止されている。
【００３５】
次に、上記したＦＰＳ２の作用について説明する。
【００３６】
まず、改質用水がＣＯ除去装置２２の改質用水流路２７を通って選択酸化部２５を冷却すると共に、更に混合ガス流路２６との間で混合ガスを冷却しながら上昇する。改質用水の導入口は、周方向の一部分に偏って設けられているが、この導入口が設けられた部分の直上には、内側筒体６０の外周面上に導入口の角度位置を中心とした１２０度程度の角度範囲に亘って、流路幅の半分程度を塞ぐように分散体６３が配置されている。従って、改質用水を周方向に分散して一部に偏ることなく改質用水流路２７に通すことができるため、選択酸化部２５の周方向の温度を均一にすることができ、改質ガス中の一酸化炭素を十分に低減することが可能となる。ＣＯ除去装置２２の上部に至った改質用水は、ＣＯ除去装置２２側の内波板２２ａと外波板２２ｂとの間を通り、環状連絡流路４１の側面を伝って、改質装置２１側の内波板２１ａと外波板２１ｂとの間を通り、上部水路３４を通って改質部３２に導入される。また、改質部３２には、水素製造用原料としての灯油が導入される。
【００３７】
改質部３２では、燃焼筒３１からの熱を受けながら灯油を水蒸気改質して、水素リッチな改質ガスを生成する。改質ガスは、流出部の多孔板３２ａを通して改質ガス流路４２に送り出される。流出部から流出した改質ガスは、ガイド板３８に衝突して流れ方向が変わり、仕切壁３７に案内されながら縮径部３６ａの外周面に沿って上昇した後、仕切壁３７の上端を抜けて折り返し、外壁部３９の内周面に沿って下降する。これにより、内側の改質ガス流路４２を流れる改質ガスは、縮径部３６ａの上部近傍では改質触媒よりも温度が高くなるため、縮径部３６ａを介して改質触媒と熱交換し、改質触媒の温度低下を防止する。一方で、外側の改質ガス流路４２を通る改質ガスは、改質用水と外壁部３９を介して熱交換して冷却される。
【００３８】
改質装置２１で生成された改質ガスは、環状連絡流路４１を通ってＣＯ除去装置２２に導入される。導入された改質ガスは、分散板４９により流量が制限されることで、周方向に分散される。そして、まず高温シフト部２３ａ及び低温シフト部２３ｂに順次導入されて水性シフト反応によりＣＯが除去される。次に、シフト部２３下端に達した改質ガスは、下端の円盤状空間を通って、内側の中央ガス流路５１を上昇する。中央ガス流路５１の上部にはチャンバ５２が設けられており、ここで空気導入パイプ５３から導入された空気と改質ガスとが混合される。チャンバ５２で混合された混合ガスは、連絡流路５４を通って導入口５５から混合ガス流路２６に導入される。ここで混合ガスは改質用水との熱交換により冷却される。また、導入口５５から混合ガス流路２６へ導入された混合ガスは、分散体５６により周方向に分散される。更に、混合ガス流路２６と選択酸化部２５とを区画する環状板５７により流量が制限されることで、混合ガスが周方向により一層分散される。このように、周方向に分散された混合ガスが、環状板５７の穴を通して選択酸化部２５に導入される。選択酸化部２５では、選択酸化により改質ガス中のＣＯが十分に除去された上で、導出口５９から改質ガス流出部５８へ導出される。このように、改質ガス流出部５８へ導出された改質ガスが燃料電池に送られて、発電が行われる。
【００３９】
以上詳述したように、本実施形態に係る一酸化炭素除去装置２２によれば、シフト部２３からの改質ガスと空気とを冷却前にチャンバ５２において十分に混合することができ、また、その後で改質用水流路２７と混合ガス流路２６とが接する冷却部において混合ガスを冷却して選択酸化部２５での選択酸化に好適な温度に調整することができるため、選択酸化部２５での選択酸化を効率的に行うことができる。これにより、一酸化炭素が十分に除去された高純度な水素を製造することが可能となる。
【００４０】
また、同軸環状に一酸化炭素除去装置２２の各部を配置することで、コンパクトな構成で一酸化炭素の効率的な除去を行うことができる。
【００４１】
また、混合ガス流路２６への混合ガスの導入口５５が周方向の一部分に集約されているため、滞留時間を稼ぐことで、チャンバ５２での改質ガスと空気との混合を促進することができる。また、選択酸化部２５からの改質ガスの導出口５９が周方向の一部分に集約されているため、滞留時間を稼ぐことで、選択酸化部２５での選択酸化を促進することができる。また、混合ガス流路２６への混合ガスの導入口５５と選択酸化された改質ガスの導出口５９とが第１領域Ｓ１に関して同じ側にある場合は、導入口５５から混合ガス流路２６に導入された混合ガスの大部分が選択酸化部２５の一部分に偏って通され、しかも導入口５５と導出口５９とを結ぶ最短距離で十分な選択酸化を施されることなく導出されるおそれがあるものの、図５及び図８に示すように、本実施形態のように導入口５５と導出口５９とを第１領域Ｓ１を挟んで反対側に設けることで、混合ガスが選択酸化部２５の特定部分に偏ることなく、且つ選択酸化部２５中の触媒により長く通すことができるため、改質ガス中の一酸化炭素を十分に低減することが可能となる。
【００４２】
また、混合ガス流路２６内には、導入口５５から導入された混合ガスを周方向に分散させるための分散体５６が設けられているため、混合ガスを周方向に分散して一部に偏ることなく選択酸化部２５に通すことができ、改質ガス中の一酸化炭素を十分に低減することが可能となる。
【００４３】
また、選択酸化部２５と混合ガス流路２６とは、穴が複数空いた環状板５７により区画されているため、環状板５７において混合ガスの流量が制限されることで、混合ガスを周方向により一層分散させることができる。
【００４４】
また、空気導入パイプ５３を介し中央ガス流路５１を通して空気がチャンバ５２に導入されることで、空気がシフト部２３を介して予熱されるため、改質ガスと空気とをチャンバ５２において混合させ易くなる。
また、選択酸化部２５の外周には改質用水流路２７を兼ねた冷却部が設けられており、改質用水の導入口は、周方向の一部分に偏って設けられているが、この導入口が設けられた部分の直上には、導入口の角度位置を中心とした１２０度程度の角度範囲に亘って、流路幅の半分程度を塞ぐように分散体６３が配置されている。従って、改質用水を周方向に分散して一部に偏ることなく改質用水流路２７に通すことができるため、選択酸化部２５の周方向の温度を均一にすることができ、改質ガス中の一酸化炭素を十分に低減することが可能となる。
【００４５】
また、本実施形態に係るＦＰＳ２は、改質装置２１で生成した改質ガス中のＣＯを上記した一酸化炭素除去装置２２で除去できるため、水素製造用原料から一酸化炭素が十分に除去された高純度な水素を製造することが可能となる。
【００４６】
また本実施形態にかかる改質装置２１は、改質部３２と上部水路３４との間に設けられた仕切り壁３７を備えているため、改質部３２から導出された改質ガスを縮径部３６ａの部分における改質部３２の外周面に沿って案内することで、吸熱反応が行われる改質部３２との熱交換により改質ガスの熱を回収することができると共に、上部水路３４の内周面に沿って案内することで、上部水路３４を流れる改質用水との熱交換により改質ガスの熱を回収することができ、熱効率を上げることができる。また、燃焼筒３１、排ガス流路３３、改質部３２、及び上部水路３４を順次外側から取り囲む構成とし、改質部３２と上部水路３４との間に仕切り壁３７を設けるというシンプルな構成であるため、コンパクトな構成とすることができる。
【００４７】
また、仕切り壁３７は断熱構造を有するため、改質ガス流路４２の改質部３２側と上部水路３４側との双方でバランスよく熱回収を進めることができ、より温度の低い上部水路３４側でより多くの熱が回収されてしまうことを防ぐことができる。
【００４８】
また本実施形態に係るＦＰＳ２は、分散板４９によりシフト部２３の入口全体に亘って改質ガスを分散させることができるため、シフト部２３の一部に改質ガスが偏るのを防止し、全体を使って効率的にシフト反応させて、改質ガス中の一酸化炭素を除去することができる。
【００４９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば、上記した実施形態では、チャンバ５２と混合ガス流路２６との連絡流路５４を一つのみ設けたが、連絡流路５４は複数あってもよい。ただし、この場合は、導入口５５を周方向の一部分に偏って配置するのが好ましい。改質ガス流出部５８への導出口５９も同様である。
【００５０】
また、上記した実施形態では、改質部３２を下部で縮径し、仕切り壁３７をその縮径させた部分の高さ範囲にのみ設けているが、改質部３２を全て均一径とし、仕切り壁３７を改質部３２の上端手前まで延ばして、改質ガス流路４２の長さを稼いでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの概略を示す図である。
【図２】図１の燃料電池システムが備える水素製造装置の具体的な構成を示す縦断面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】図２のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】図２のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】図２のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【図８】図２のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。
【図９】図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…燃料電池システム、２…水素製造装置（ＦＰＳ）、３…燃料電池、２１…改質装置、２２…一酸化炭素除去装置、２３…シフト部、２５…選択酸化部、２６…混合ガス流路、２７…改質用水流路（冷却部）、３１…燃焼筒、３２…改質部、３３…排ガス流路、３４…上部水路、３７…仕切り壁、４２…改質ガス流路、４９…分散板、５１…中央ガス流路、５２…チャンバ、５３…空気導入パイプ、５５…導入口、５６…分散体、５７…環状板、５９…導出口、６３…分散体、Ｓ１…第１領域、Ｓ２…第２領域、Ｓ３…第３領域、Ｓ４…第４領域。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素リッチな改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置であって、
前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を水性シフト反応により低減するシフト部と、
前記シフト部からの改質ガスと酸素含有ガスとを混合するチャンバと、
前記チャンバからの混合ガスを冷却する冷却部と、
前記冷却部で冷却された前記混合ガス中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化部と、
を備えることを特徴とする一酸化炭素除去装置。
【請求項２】
略柱状の第１領域と、前記第１領域の外周側に位置し該第１領域と同軸の環状領域である第２領域と、前記第２領域の外周側に位置し前記第１領域と同軸の環状領域である第３領域と、前記第３領域の外周側に位置し前記第１領域と同軸の環状領域である第４領域と、を備え、
前記第１領域に、前記チャンバと前記シフト部からの改質ガスを該チャンバに導入するための中央ガス流路とを有し、
前記第２領域に、前記シフト部を有し、
前記第３領域に、前記チャンバからの前記混合ガスが通る混合ガス流路と前記選択酸化部とを有し、
前記第４領域に前記冷却部を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項３】
前記第３領域にある環状の前記混合ガス流路には、前記チャンバからの前記混合ガスが導入される導入口が周方向の一部分に偏って設けられており、
前記第３領域にある環状の前記選択酸化部には、選択酸化された改質ガスが導出される導出口が周方向の一部分に偏って設けられており、
前記第１領域を中心とした周方向の位置関係において、前記導入口と前記導出口とは、前記第１領域を挟んで反対側に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項４】
前記第３領域にある環状の前記混合ガス流路内には、前記導入口から導入された前記混合ガスを周方向に分散させるための分散体が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項５】
前記選択酸化部と前記混合ガス流路とは、穴が複数空いた環状板により区画されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項６】
前記酸素含有ガスは、前記中央ガス流路を通して前記チャンバに導入されることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項７】
前記第４領域にある環状の前記冷却部には改質用水が流され、その導入口が周方向の一部分に偏って設けられており、
前記冷却部内には、前記改質用水を周方向に分散させるための分散体が設けられていることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項８】
水素製造用原料を改質して前記水素リッチな改質ガスを生成する改質装置と、
請求項１〜７のいずれかに記載の一酸化炭素除去装置と、
を備えることを特徴とする水素製造装置。
【請求項１】
水素リッチな改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置であって、
前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を水性シフト反応により低減するシフト部と、
前記シフト部からの改質ガスと酸素含有ガスとを混合するチャンバと、
前記チャンバからの混合ガスを冷却する冷却部と、
前記冷却部で冷却された前記混合ガス中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化部と、
を備えることを特徴とする一酸化炭素除去装置。
【請求項２】
略柱状の第１領域と、前記第１領域の外周側に位置し該第１領域と同軸の環状領域である第２領域と、前記第２領域の外周側に位置し前記第１領域と同軸の環状領域である第３領域と、前記第３領域の外周側に位置し前記第１領域と同軸の環状領域である第４領域と、を備え、
前記第１領域に、前記チャンバと前記シフト部からの改質ガスを該チャンバに導入するための中央ガス流路とを有し、
前記第２領域に、前記シフト部を有し、
前記第３領域に、前記チャンバからの前記混合ガスが通る混合ガス流路と前記選択酸化部とを有し、
前記第４領域に前記冷却部を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項３】
前記第３領域にある環状の前記混合ガス流路には、前記チャンバからの前記混合ガスが導入される導入口が周方向の一部分に偏って設けられており、
前記第３領域にある環状の前記選択酸化部には、選択酸化された改質ガスが導出される導出口が周方向の一部分に偏って設けられており、
前記第１領域を中心とした周方向の位置関係において、前記導入口と前記導出口とは、前記第１領域を挟んで反対側に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項４】
前記第３領域にある環状の前記混合ガス流路内には、前記導入口から導入された前記混合ガスを周方向に分散させるための分散体が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項５】
前記選択酸化部と前記混合ガス流路とは、穴が複数空いた環状板により区画されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項６】
前記酸素含有ガスは、前記中央ガス流路を通して前記チャンバに導入されることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項７】
前記第４領域にある環状の前記冷却部には改質用水が流され、その導入口が周方向の一部分に偏って設けられており、
前記冷却部内には、前記改質用水を周方向に分散させるための分散体が設けられていることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項８】
水素製造用原料を改質して前記水素リッチな改質ガスを生成する改質装置と、
請求項１〜７のいずれかに記載の一酸化炭素除去装置と、
を備えることを特徴とする水素製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−９１２３０（Ｐ２００９−９１２３０Ａ）
【公開日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−８１５７１（Ｐ２００８−８１５７１）
【出願日】平成２０年３月２６日（２００８．３．２６）
【出願人】（０００００４４４４）新日本石油株式会社 (1,898)
【出願人】（５００５６１５９５）荏原バラード株式会社 (68)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２６日（２００８．３．２６）
【出願人】（０００００４４４４）新日本石油株式会社 (1,898)
【出願人】（５００５６１５９５）荏原バラード株式会社 (68)
【Ｆターム（参考）】
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