[发明专利]氢精制装置

说明书

本发明涉及用于固体高分子电解质燃料电池等燃料电池的氢精制装置。本发明更具体涉及使含有氢气和一氧化碳的改性气体中的一氧化碳浓度降低的氢精制装置。

燃料电池用燃气一般采用天然气等烃类、甲醇等醇类或石脑油等原料经过水蒸汽改性而获得的改性气体。该改性气体中除了含有氢气之外，还包含作为副产品的二氧化碳和一氧化碳。

在熔融碳酸盐型燃料电池等工作温度较高的燃料电池中，一氧化碳也可作为燃料使用。但是，对于磷酸型燃料电池、固体高分子电解质型燃料电池等工作温度较低的燃料电池，改性气体中如果存在高浓度的一氧化碳，用于电极中的铂族金属催化剂就会中毒，不能够获得足够的发电特性。特别是固体高分子电解质型燃料电池，即使只含有50ppm左右的一氧化碳，电极的催化剂也会在比较短的时间内中毒，使发电特性急剧下降。

所以，用一氧化碳变换催化剂使改性气体中的一氧化碳浓度降低后，再用铂族金属催化剂使一氧化碳氧化而被除去。

例如，作为使一氧化碳氧化而被除去的方法，包括用在作为载体的氧化铝上载有作为活性物质的铂或铑的催化剂，于低温下使一氧化碳被选择性地氧化而被除去的方法(例如，特开平5-201702号)；在向燃料电池导入改性气体的通道中设置使一氧化碳氧化的催化剂，然后，导入空气充分供氧(氧化剂)，使一氧化碳被有效地氧化除去的方法(例如，特表平9-504901号)。利用这些方法能够将改性气体中的一氧化碳浓度降至10ppm左右，这样就不会使电极中的催化剂中毒。

但是，在实际使用条件下，随着导入燃料电池的改性气体量的变化，改性气体中的一氧化碳浓度也会改变，这样就需要适当改变所提供的空气量。然而，由于一氧化碳的氧化反应是放热反应，一旦所提供的空气量有所改变，则催化剂温度也会发生变化。如果催化剂温度发生变化，一旦超出催化剂活性的最佳温度范围，就存在不能够充分氧化除去一氧化碳的问题。

此外，如果所提供的空气量过剩，则催化剂的放热量增加，催化剂温度上升。特别是由于改性气体导入侧的催化剂部分的放热较集中，所以，在短时间内就达到高温。由于氢气对催化剂的反应性优于一氧化碳，所以，一旦催化剂达到高温，所提供的氧就更快地被用于氢的氧化而不是一氧化碳的氧化。其结果是，催化剂对一氧化碳的选择性氧化能力下降。

鉴于上述情况，在氢精制装置中，将催化剂温度控制在利于一氧化碳反应，而不利于氢反应的范围内是非常重要的。即，需要抑制催化剂的温度变化，特别是抑制催化剂的温度上升。

可使一氧化碳最有效氧化的温度是可引起一氧化碳反应的低温临界温度。但是，利用所提供的改性气体量或使催化剂冷却而对选择性氧化一氧化碳的催化剂温度进行控制时，温度仅略微下降，膨胀了的一氧化碳就完全排出。因此，考虑到改性气体的流量和催化剂温度的变化，就必须将温度控制在比低温临界温度高数度～数十℃的温度范围内。这样，要利用传统的方法选择性地、且有效地使一氧化碳氧化就比较困难。

此外，所提供的氧在氧化一氧化碳的同时，通常还消耗于氧化作为燃料的氢气。所以，所提供的空气量必须尽可能少。但是，控制所提供的空气量就会使氢气中的氧不足，使催化剂温度升高，这样二氧化碳和氢的反应平衡就会朝生成一氧化碳的方向移动。因此，必须正确控制所提供的空气量，使其量不多也不少，这样，就会使以往的氢精制装置的结构变得复杂。

鉴于上述事实，本发明的目的是提供可使选择性氧化一氧化碳的催化剂能力充分发挥，即使温度、所提供的空气量及一氧化碳处理量等使用条件发生变化，也能够稳定地使改性气体(氢气)中的一氧化碳浓度降低的氢精制装置。

本发明是具备以下3个部分，即具有使一氧化碳(CO)氧化的催化剂层的催化剂反应部分；将含有二氧化碳、CO及作为主成分的氢气的改性气体经过原料气体供给通道导入前述反应部分的原料气体供给部分；设置在前述原料气体供给通道中的向前述改性气体提供氧化剂气体的氧化剂气体供给部分的氧化除去前述改性气体中的CO的氢精制装置。是具备冷却前述催化剂层上游侧部分的装置和具备加热下游侧部分的装置的氢精制装置。

该装置中，冷却前述催化剂层上游侧部分最好是利用水冷装置，加热下游侧部分则最好是利用加热器。

此外，前述催化剂层的上游侧部分和下游侧部分是由不同的催化剂构成的，较好是构成前述下游侧部分的催化剂在低温下所具备的活性优于构成上游侧部分的催化剂。

另外，前述反应部分也可具备数层催化剂层。这种情况下，较好是对应于各催化剂层设置氧化剂气体供给部分。

又，催化剂层最好是在蜂窝状构造或具有贯穿孔的发泡体结构的载体基材上负载催化剂而构成。